الفلاتر الألكترونية

 ما هي الفلاتر أو المرشحات؟

المرشح عبارة عن دائرة قادرة على تمرير ترددات معينة مع تخفيف (لتقليل أو حظر) ترددات أخرى. وبالتالي، يمكن للمرشح استخراج ترددات مهمة من الإشارات التي تحتوي أيضًا على ترددات غير مرغوب فيها أو غير ذات صلة.أي اننا نستطيع القول أنه يشبه المرشح الذي يقوم بفصل الشوائب عن الماء و لمن المرشح الذي نستخدمه هنا نستخدمه لفصل الترددات.

تطبيقاتها

 على كل حال في مجال الإلكترونيات، هناك العديد من التطبيقات العملية للمرشحات. و منها:

• الاتصالات الراديوية: تعمل المرشحات على تمكين أجهزة الاستقبال اللاسلكية من "رؤية" الإشارة المطلوبة فقط مع رفض جميع الإشارات الأخرى (على افتراض أن الإشارات الأخرى لها محتوى تردد مختلف).

• مصادر الطاقة: تُستخدم المرشحات للتخلص من الترددات العالية غير المرغوب فيها (أي الضوضاء) الموجودة على خطوط إدخال التيار المتردد. ويتم ذلك عن طريق المرشحات التي تمنع دخول الضوضاء وتعطيل تشغيل المعدات الكهربائية. كما أنه يوقف الأجهزة الكهربائية عن إحداث أي ضجيج على خطوط إمداد الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام المرشحات على مخرج مصدر الطاقة لتقليل التموج.

• الإلكترونيات الصوتية: الشبكة المتقاطعة عبارة عن شبكة تصفية تقوم بتوجيه الصوت منخفض التردد إلى مكبرات الصوت، والترددات متوسطة المدى إلى مكبرات الصوت متوسطة المدى، والأصوات عالية التردد إلى مكبرات الصوت.

• التحويل من التناظري إلى الرقمي: يتم وضع المرشحات أمام مدخل ADC لتقليل التعرجات. التعرج هو ظاهرة أو تأثير يؤدي إلى عدم إمكانية تمييز الإشارات المختلفة عند أخذ العينات.

المرشحات النشطة و غير النشطة

يمكن تصنيف المرشحات على نطاق واسع على أنها مرشحات غير نشطة و نشطة.

تتكون المرشحات غير النشطة من عناصر غير نشطة مثل المقاومات والمكثفات والمحاثات. وهي الأكثر استجابة لنطاق التردد من 100 هرتز إلى 300 ميجا هرتز. الحد عند التردد المنخفض هو يتطلب نطاق أعلى من الحث والسعة. يرجع حد التردد العلوي إلى تأثير السعات الطفيلية( parasitic capacitance و هي تأثير لا مفر منه وغير مرغوب فيه عادة والتي تحدث بين أجزاء مكون إلكتروني أو دائرة لمجرد قربها من بعضها البعض. عندما يكون موصلان كهربائيان بجهدين مختلفين قريبين من بعضهما البعض، فإن المجال الكهربائي بينهما يتسبب في تخزين الشحنة الكهربائية عليهما؛ هذا التأثير هو ما نسميه بالسعة) والمحاثة. لا تحتوي على عناصر تضخيم، لذا لا يوجد بها تضخيم للإشارة، وبالتالي يكون مستوى الإخراج دائمًا أقل من الإدخال. أحد الأمثلة الأكثر شيوعًا للمرشحات غير النشطة هي دائرة RC المسؤولة عن التخلص من الضوضاء الصادرة عن الإشارات الواردة. 

المرشحات النشطة قادرة على التعامل مع الترددات المنخفضة جدًا (تقترب من 0 هرتز)، ويمكنها توفير تضخيم للجهد (و لا تستطيع المرشحات السلبية ذلك كما قلنا سابقاً). يمكن استخدام المرشحات النشطة لتصميم مرشحات عالية الترتيب دون استخدام المحاثات. ومع ذلك، فإن قيود عرض النطاق الترددي لمكبر الصوت تجعل المرشحات النشطة أقل ملاءمة للتطبيقات ذات التردد العالي جداً. يجب أن تستخدم دوائر الترددات الراديوية في كثير من الأحيان مرشحات غير نشطة و هي ما نحتاجه في الإتصالات لاننا نتعامل مع ترددات عالية كما نعلم.

أنواع المرشحات

بشكل عام هنالك أربعة أنواع من المرشحات و هي

• مرشح تمرير الترددات المنخفضة (Low-Pass Filter)

• مرشح تمرير الترددات العالية (High-Pass Filter)

• مرشح تمرير الترددات الوسطية (Band-pass Filter)

• مرشح قطع الترددات الوسطية (Notch Filter) أو (Band-Stop Filter)

مرشح تمرير الترددات المنخفضة (LPF)

قبل أن نتكلم عن مرشح التمرير المنخفض يجب أن نتكلم عن تردد القطع fc و هو تردد أو أكثر من تردد عند هذا التردد يتم قطع الأشارة التي تتجاوزه أو تسبقه حسب نوع الفلتر كما سنرى الآنز

بالعودة لمرشح التمرير المنخفض تسمح مرشحات التمرير المنخفض بمرور الإشارات بتردد أقل من تردد القطع وتخفف الإشارات التي يكون ترددها أعلى من تردد القطع. عندما يتكون مرشح التمرير المنخفض من عنصر غير نشط في الدائرة فإنه يسمى Passive LPF  وعندما يتكون من عنصر نشط في الدائرة فإنه يسمى Active LPF .

مرشح تمرير منخفض غير نشط

يمكن بسهولة تصنيع مرشح تمرير منخفض RC سلبي بسيط أو LPF عن طريق توصيل مقاوم واحد مع مكثف واحد معًا على التوالي كما هو موضح أدناه. 

في هذا النوع من المرشح، يتم تمرير إشارة الدخل (Vin) على الدائرة (كل من المقاوم والمكثف معًا) ولكن يتم أخذ إشارة المخرج (Vout) عبر المكثف فقط. يُعرف هذا النوع من المرشحات عمومًا باسم "مرشح الدرجة الأولى" أو "مرشح أحادي القطب" لأنه يحتوي على مكون تفاعلي واحد فقط، أي المكثف، في الدائرة.

عندما يكون تردد الإشارة الداخلة منخفضًا، تكون الرادة السعوية Xc عالية بالنسبة إلى مقاومة المقاومة لان رادة الحث Xc تتناسب عكسياً مع التردد؛ وبالتالي، فإن معظم الجهد الداخل ينخفض ​​عبر المكثف (وعبر الحمل، الذي يكون على التوازي مع المكثف). عندما يكون تردد الإشارة الداخلة مرتفعًا، تكون الرادة السعوية منخفضة بالنسبة إلى مقاومة المقاومة، مما يعني انخفاض جهد أكثر عبر المقاومة ونقل كمية أقل إلى الحمل. وبالتالي، يتم تمرير الترددات المنخفضة وحجب الترددات العالية.

مرشح تمرير منخفض نشط

إن مبدأ تشغيل LPF النشط واستجابة التردد هو تمامًا نفس مبدأ تشغيل المرشح غير النشط، والفرق الوحيد هو أنه يستخدم مضخم تشغيلي (Amplifier) للتضخيم والتحكم في التضخيم. إن أبسط شكل لمرشح نشط منخفض التمرير هو توصيل مضخم بدائرة مرشح تمرير منخفض RC الأساسية كما هو موضح.

يتكون هذا المرشح النشط ذو التمرير المنخفض من الدرجة الأولى ببساطة من مرشح RC غير النشط التي توفر مسارًا منخفض التردد لتدخل الإشارة بعد ذلك بمضخم تشغيلي و هذا النوع الذي في الصورة من المضخمات يدعى (Non-inverting). يتم تكوين مكبر الصوت باعتباره تابعًا للجهد (مخزن مؤقت) مما يمنحه كسبًا للتيار المستمر بمقدار واحد، Av = +1 أو كسب الوحدة على عكس مرشح RC السلبي السابق الذي لديه كسب DC أقل من الوحدة. وتتمثل ميزة هذا التكوين في أن مقاومة الإدخال العالية لمضخم التشغيل تمنع التحميل الزائد على مخرجات المرشحات بينما تمنع مقاومة الخرج المنخفضة من تأثر نقطة تردد قطع المرشحات بالتغيرات في مقاومة الحمل. 

في حين أن هذا التكوين يوفر استقرارًا جيدًا للمرشح، إلا أن عيبه الرئيسي هو أنه لا يحتوي على زيادة في الجهد فوق واحد. ومع ذلك، على الرغم من أن كسب الجهد هو واحد، إلا أن كسب الطاقة يكون مرتفعًا جدًا حيث أن المقاومة الخارجة أقل بكثير من المقاومة الإدخال. إذا كان مطلوبا زيادة الجهد أكبر من واحد يمكننا استخدام الدائرة التالية.

توجد تطبيقات مرشحات التمرير المنخفض النشطة في مكبرات الصوت أو أنظمة السماعات لتوجيه إشارات الجهير ذات التردد المنخفض إلى مكبرات صوت الجهير الأكبر حجمًا أو لتقليل أي ضوضاء عالية التردد أو تشويه من نوع "الهسهسة". 

مرشح تمرير الترددات العالية(HPF)

في حين أن مرشح التمرير المنخفض يسمح فقط للإشارات بالمرور أسفل نقطة تردد القطع، فإن دائرة مرشح التمرير العالي السلبي كما يوحي اسمها، تمرر فقط الإشارات فوق نقطة القطع المحددة، مما يزيل أي إشارات تردد منخفض من شكل الموجة. 

مرشح التمرير العالي غير النشط

في مرشح التمرير العالي غير النشط، يتم توصيل المتسعة على التوالي مع المقاومة. يتم تطبيق فرق الجهد  عبر الشبكة المتسلسلة ولكن يتم رسم الخرج فقط عبر المقاوم. يسمح مرشح (High Pass) بالترددات الأعلى من تردد القطع ويحجب إشارات التردد الأقل. و لدينا هذا المخطط لمرشح التمرير العالي الغير النشط.

 في ترتيب الدائرة هذا، الرادة أو المفاعلة X (في الأنظمة الكهربائية والإلكترونية، الرادة هي مقاومة عنصر الدائرة لتدفق التيار بسبب محاثة ذلك العنصر أو سعته. تؤدي الرادة الأكبر إلى تيارات أصغر لنفس الجهد المطبق) للمتسعة تكون  مرتفعًا جدًا عند الترددات المنخفضة، لذلك تعمل المتسعة كدائرة مفتوحة ويمنع أي إشارات داخلة عند الإدخال حتى يتم الوصول إلى نقطة تردد القطع fc. فوق نقطة تردد القطع هذه، انخفضت مفاعلية المكثف بدرجة كافية لتعمل الآن كدائرة قصر تسمح لجميع الإشارات الداخلة بالمرور مباشرة إلى الخرج Vout.

مرشح تمرير الترددات العالية النشط

إن التشغيل الأساسي لمرشح التمرير العالي النشط هو نفسه كما هو الحال في دائرة مرشح التمرير العالي غير النشط المكافئة RC، فيما عدا أن الدائرة تحتوي على مضخم تشغيلي يوفر التضخيم والتحكم في الكسب (Gain).

من خلال توصيل دائرة مرشح التمرير العالي غير النشط RC بأحد أطراف المضخم ، فإن العملية هي نفس عملية مرشح التمرير العالي غير النشط، ولكن يتم تضخيم إشارة الإدخال بواسطة المضخم  عند الإخراج. يعتمد مقدار التضخيم على كسب المضخم Gain.

مرشح تمرير الترددات الوسطية  أو النطاق (BPF)

على عكس مرشح التمرير المنخفض الذي يمرر فقط إشارات نطاق التردد المنخفض أو مرشح التمرير العالي الذي يمرر إشارات نطاق تردد أعلى، تقوم مرشحات تمرير النطاق بتمرير الإشارات ضمن "نطاق" أو "انتشار" معين من الترددات دون تشويه إشارة الإدخال أو إدخال ضوضاء إضافية و يمكن أن يكون نطاق التردد هذا بأي عرض.

يتم تعريف عرض النطاق الترددي بشكل عام على أنه نطاق التردد الموجود بين ترددي القطع  المحددين (ƒc)، والتي تكون أقل بمقدار 3 ديسيبل من الحد الأقصى للمركز بينما تعمل على تخفيف أو إضعاف النقاط الأخرى خارج هاتين النقطتين. بالنسبة للترددات المنتشرة على نطاق واسع، يمكننا ببساطة تعريف مصطلح "عرض النطاق الترددي"، حيث BW هو الفرق بين تردد القطع الأدنى و تردد القطع الأعلى. بمعنى آخر، BW = ƒH – ƒL. لكي يعمل مرشح نطاق التمرير بشكل صحيح، يجب أن يكون تردد القطع لمرشح التمرير المنخفض أعلى من تردد القطع لمرشح التمرير العالي.

يمكن أيضًا استخدام مرشحات تمرير النطاق لعزل أو تصفية ترددات معينة تقع ضمن نطاق معين من الترددات، على سبيل المثال، إلغاء الضوضاء. تُعرف مرشحات تمرير النطاق بشكل عام بأنها مرشحات من الدرجة الثانية (ثنائية القطب) لأنها تحتوي على مكونين متفاعلين "اثنين" المتسعات، ضمن تصميم دائرتها، حيث هنالك متسعة واحدة في دائرة التمرير المنخفض و متسعة آخرى في دائرة التمرير العالي.

إيقاف النطاق / الشق / مرشح رفض النطاق (BSF)

يعد مرشح إيقاف النطاق (BSF) نوعًا آخر من دوائر انتقائية التردد التي تعمل تمامًا بالطريقة المعاكسة لمرشح تمرير النطاق. يقوم مرشح إيقاف النطاق، المعروف أيضًا باسم مرشح رفض النطاق، بتمرير جميع الترددات باستثناء الترددات الموجودة ضمن نطاق إيقاف محدد. يمكن إظهار الخصائص المثالية على النحو التالي-

عند إعطاء إشارة الدخل، يتم تمرير الترددات المنخفضة من خلال مرشح التمرير المنخفض في دائرة إيقاف النطاق ويتم تمرير الترددات العالية من خلال مرشح التمرير العالي في الدائرة. يظهر هذا في الرسم البياني للكتلة أدناه.

إن جميع مرشحات التمرير العالي والمنخفض يعني أن استجابات التردد الخاصة بها لا تتداخل، على عكس مرشح تمرير النطاق. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن ترددات البداية والنهاية تقع عند نقاط تردد مختلفة. 

على سبيل المثال، لنفترض أن لدينا مرشح تمرير منخفض من الدرجة الأولى بتردد قطع، ƒL قدره 200 هرتز متصل على التوازي مع مرشح تمرير عالي من الدرجة الأولى بتردد قطع، ƒH قدره 800 هرتز. 

يتم تطبيق إشارة الإدخال على كلا المرشحين حيث يتم توصيل المرشحين بشكل فعال بالتوازي. سيتم تمرير كافة ترددات الإدخال التي تقل عن 200 هرتز دون توهين إلى الخرج بواسطة مرشح الترددات المنخفضة. وبالمثل، فإن جميع ترددات الإدخال التي تزيد عن 800 هرتز سيتم تمريرها دون توهين إلى الخرج بواسطة مرشح التمرير العالي. ومع ذلك، فإن ترددات إشارة الإدخال الموجودة بين نقطتي قطع التردد 200 هرتز و800 هرتز، أي من ƒL إلى ƒH، سيتم رفضها بواسطة أي مرشح، مما يشكل فجوة في استجابة خرج المرشح.

بمعنى آخر، فإن الإشارة ذات التردد 200 هرتز أو أقل و800 هرتز وما فوق سوف تمر دون أن تتأثر ولكن تردد الإشارة، على سبيل المثال، 500 هرتز سيتم رفضه لأنه مرتفع جدًا بحيث لا يمكن تمريره بواسطة مرشح التردد المنخفض ومنخفض جدًا بحيث لا يمكن تمريره بواسطة مرشح تمرير الترددات العالية.

النهاية

سوف نتكلم في مقالة أخرى أن شاء الله عن جهاز Amplifier الذي ذكرناه هنا فهو مهم جدا في دوائر الأتصالات و جزء كبير من الدوائر الألكترونية و أتمنى أن تكون هذه المقالة قد أوصلت لكم الفكرة من ماهية الفلاتر أو المرشحات و دمتم سالمين🌷🌷

المصادر

https://skill-lync.com/blogs/technical-blogs/electrical-filters-used-in-electronics-circuits

https://ecstudiosystems.com/discover/textbooks/basic-electronics/filters/filter-basics/