Simulering av passiva filter

Detta program skapades för att åskådliggöra vad som händer när olika passiva komponenter kopplas ihop och matas med höga frekvenser. Med hjälp av datorns förmåga finns här en möjlighet att med en frekvensanalysator analysera analoga passiva filter, utan tillgång till dyr elektronisk utrustning.

Filter som kan simuleras är: RC-filter, LC-filter, LP-filter, HP-filter, BP-filter, BS-filter och andra uppkopplingar.

Grunduppkopplingen är av typen fyrpol och osymmetrisk samt en referenspotential (jord) för både ingången och utgången på filtret.

Man kan välja mellan tre olika typer av uppkopplingar. Dessa är A, B eller C. A är den vanligaste, ett rakt filter. För ett B-filter finns möjligheten att lägga in en förbikoppling (bypass), alltså ett andra filter eller koppling parallellt över A-filtret. För C-uppkopplingen ges även möjligheten att skapa en förbikoppling som avslutas på valfri plats i A-filtret.

Gradtalet är maximalt 20 för ett A-filter, 40 för ett B-filter och 60 för ett C-filter - exklusive generator och belastningskomponent.

Olika filterkonstruktioner testas i en simulator och som visar filtrets överföringsfunktion, fas och impedanskaraktäristik i förhållande till valt frekvensintervall. Även förstärkningen och/ eller dämpningen presenteras.

Med överföringsfunktion menas filtrets förmåga att spärra eller släppa igenom en amplitud av en inkommande sinusformad växelspänning. Man erhåller således ett amplitudsvar och som vanligtvis är samma värde eller mindre beroende på dess frekvens.

Gränsfrekvensmarkeringar kan presenteras.

Utprovade filter kan sparas i en fil med ändelsen .pfs.

Kanske har du undrat vad som hänt när du har testat ett eget HF-bygge och det inte visar sig fungera som det ska? Orsaken till problemet brukar ofta vara att de komponenter man använder dvs. kondensatorer, spolar och motstånd inte längre uppträder som avses. Faktum är att dessa tre komponenter vid höga frekvenser börjar ta efter egenskaperna av varandra. I HF- kopplingar går det inte längre att betrakta komponenter såsom rena kondensatorer, spolar eller resistorer.

Hur dessa påverkar varandra inbördes kan vara intressant att känna till men det kan också överlåtas åt denna applikation. För att se hur en komponent kan schematiseras utifrån ovanstående kan man i huvudmenyn välja en komponent och sedan studera det ekvivalenta schemat. Yteffekten och benlängd är andra faktorer som beräknas. Allt detta gör att nästan alla fallgropar elimineras och så gott som en fullständig korrekt modell skapas. Observera att filtrets inimpedans mäts efter generatorns impedans. Inimpedansen innefattar även belastningen.

I applikationen finns också en flexibel beräkningsavdelning för kalkylering av olika luftlindade spolkonstruktioner där även raka trådar kan beräknas och användas som induktanser eller antenner. Annars kan man använda någon av dem som redan följer med applikationen. Det finns några komponenter färdiga att ta av. Spolar eller drosslar som har en induktanshöjande kärna (med en bobin) avviker från det ekvivalenta schemat men det gäller i huvudsak när beräkningar sker ovanför spolen/drosselns resonansfrekvens. När man önskar replikera en spole eller en drossel utifrån ett fabrikat och som man vill använda sig av, då är det viktigt att finna ett närmevärde på spoltrådens diameter. En avvikande tråddiameter ökar eller minskar spolens inre resistans och då påverkas även Q-värdet. Detta leder till att man då har skapat en felaktig modell av induktansen i fråga!

För att ditt bygge ska fungera som det är tänkt eller som applikationen visar, bör man inte försumma valet av komponenttyp. Speciellt vid höga frekvenser så bör man beakta komponenters egenskaper. Om man läser informationen för vald komponent finns det möjlighet att studera prestanda och användningsområde för olika typer. Därefter kan man välja en typ från drop-down menyn. Motstånd som kan rekommenderas är tjockfilm/ SMD, metallfilm eller kolkompositionsmotstånd. Kondensatorer som kan rekommenderas är SMD, keramiska klass 1 eller glimmerkondensatorer.

Man börjar således med att välja filtertyp och gradtal. Det går att stega upp eller ned gradtalet i ett senare skede via en drop-down meny (på grund av platsbrist eller överskott), utan att kopplingen förstörs. Väljer man däremot att stega ned så elimineras komponenterna längst ut, om de inte består av avbrott eller kortslutningar.

Man kan välja att arbeta med ideala eller reella (verkliga) komponenter. Ideala komponenter är perfekta, det vill säga - saknar strökomponenter. Gäller det audiosystem så går det bra att köra med ideala, för högre frekvenser måste man välja reella komponenter och hålla benlängderna korta.

För att se vad varje komponent har för data räcker det med att flytta muspekaren över komponenten/ elementet. Vänster- eller högerklickar man på elementet så kan man välja redigera eller att byta till en annan komponent. Det går även att hämta en ny komponent från en fil, flytta, kopiera eller skapa en resonanskrets. Man kan också välja ett avbrott eller en kortslutning. Avbrott eller kortslutningar räknas som reella komponenter men är egentligen en ideal resistans.

Råder det platsbrist så kan man öppna element-vy-fönstret genom att klicka på EV-knappen. Elementet/komponenten syns då i detta fönster istället för under filterkopplingen.

För att kunna avläsa en resonanskrets måste man flytta muspekaren ut från filterkopplingen och tillbaks igen för att växla komponent. Visar värdet över komponenten noll så bör man byta multipelenhet i drop-down menyn. Där kan man även välja om vill räkna med förlustfaktorn (%) eller resistansen (mΩ) gällande kondensatorns ohmska förluster.

Märkvärdet över ett element kan ändras upp eller ned genom att rotera mushjulet, vilket möjliggör att man under simuleringen enkelt kan justera olika element - samtidigt flyttar sig kurvorna. Även inspänningen kan ändras. Den nominella inspänningen är 1 volt och den nominella in- och utresistansen är 50Ω för ett påbörjat filter, men detta kan väljas helt efter eget tycke. Vill man så kan man ersätta generatorkomponenten med en kortslutning eller valfri komponent. Belastningen kan exempelvis vara ett avbrott för maximalt motstånd.

Ett filterelement som hämtas från en fil kan som vilken annan komponent modifieras godtyckligt. Anser man att komponentens värden börjar avvika från filen den kom ifrån så kan man ta bort filnamnet. Välj redigera - i det första fältet (ohm, kapacitans eller induktans) anges "0" vilket då tar bort filnamnet utan att det ursprungliga värdet förändras.

Det går att skifta mellan de olika filtertyperna A, B och C via knappen "TF" (TransFer). Innan man påbörjar en överföring så bör man först ha sparat sitt filter. Det går att göra alla tänkbara transporter mellan filtertyper vilket innebär att när man skiftar mellan en större typ till en mindre så sker alltid en dataförlust. En gjord överföring kan inte göras ogjord så det gäller att vara försiktig.

Simuleringen påbörjas med att via grafkontrollen välja en spänning, impedans och frekvens. Spänning och impedanskurvan kan nämligen sticka iväg uppåt eller nedåt så att det blir omöjligt att göra någon avläsning. För att avläsa en storhet så kan man placera muskorset på avsedd position och avläsa dess värde. Tänk på att muskorset inte tar hänsyn till flera storheter på samma frekvens, alltså måste korset placeras individuellt på varje kurva som presenteras. Högst noggrannhet uppnås genom att välja största möjliga kurvritningsfönster.

Gränsfrekvensmarkeringarna kan om omständigheterna medger det hamna avsides. Det sker om överföringsfunktionens kurvform avviker från det normala. För att säkra att placeringarna hamnar rätt bör man zooma in det område man vill granska.

Filter av typ B som ingår i både B och C-filter har visat sig svår att beräkna. Om det ena parallella nätet är ett avbrott samtidigt som det har en låg utgångsimpedans så kommer impedansen att påverka det andra nätet. Belastningen ökar. Detta kan Pfsim beräkna men med vissa begränsningar. Faktorn bestämmer när den bakåtriktade impedansen ska tas med. Den bakåtriktade impedansen benämns här "superimpedans" och är impedansen mellan filter och jord. En hög faktor förhindrar att det filternät som innehåller själva filtret räknar på sin egen superimpedans. Om det ändå skulle ske så kommer överföringsfunktionens kurvform att påverkas tydligt, inte sällan med spektakulära flankhopp upp och ner. Man ser på kurvans färg när superimpedansen aktiverats. Den växlar mellan gul och cyanfärgad. Ett faktorvärde runt 3000 förhindrar att normala filterkopplingar hamnar i superimpedansläget men det beror också på hur filtret är konfigurerat. Detta kan man styra själv. 3000 innebär att det ena nätets ingångsimpedans måste vara mindre än 3000 gånger dess superimpedans.

Impedansen för B- och C-filter beräknas på olika sätt beroende på om det finns reella eller ideala komponenter i kopplingen. Om det finns reella komponenter beräknas den totala impedansen på traditionellt sätt, vilket innebär att den totala impedansen tenderar att bli för låg. Om det inte finns några reella komponenter (endast idealiska) beräknas den totala impedansen noggrannare. Den noggranna metoden står dock i konflikt med hur ett verkligt filter beter sig, speciellt där det uppstår resonanser. Ett vågigt likhetstecken visas i impedanspresentationen när beräkningen görs noggrant och ett frågetecken när den görs traditionelt. Vill man vara säker på att beräkningarna alltid görs på det traditionella sättet så är det bara att införa en reell komponent någonstans i kopplingen - gäller endast B och C! Öppet eller kortslutet element har ingen relevans gällande denna regel.

Impedansen för B- och C-filter är inte exakt men håller man sig till "normala filterkopplingar", så bör man ligga ganska rätt, sett utifrån vad som händer i verkligheten. Väljer man däremot att bygga okonventionella kretskopplingar i B och C så kanske inte den här applikationen är det rätta valet.

Beräkningar av impedanser och spänningar sker med j-omega-metoden och uppdateras hela tiden så länge kurvfönstret är öppet. Tack vare j-omega-metoden så kan utspänningens fasförhållande enkelt beräknas, vilket underlättar dimensioneringen av så kallade fasskiftande filter.

Innehållet i mapp R\
R_CC405.ele = Kolkompositionsmotstånd
R_CF405.ele = Kolytskiktsmotstånd
R_MF405.ele = Metallfilmsmotstånd
R_MO405.ele = Metalloxidmotstånd
R_SMD22.ele = Ytmonterat motstånd
R_ThickF405.ele = Tjockfilmsmotstånd
R_ThinF405.ele = Tunnfilmsmotstånd
405 står för att benlängden är 4mm och trådtjockleken är 0,5mm.
22 = både längd och diameter är 2mm.
Alla motstånd har värdet 1 ohm.

Innehållet i mapp C\
C_CC1405.ele = Keramisk kond. Klass 1
C_CC2405.ele = Keramisk kond. Klass 2 & 3
C_M405.ele = Micakondensator
C_PC405.ele = Polykarbonatkondensator
C_PE405.ele = Polyesterkondensator
C_PP405.ele = Polypropylenkondensator
C_SMD122.ele = Ytmonterad kond. Klass 1
C_SMD222.ele = Ytmonterad kond. Klass 2 & 3
405 står för att benlängden är 4mm och trådtjockleken är 0,5mm.
22 = både längd och diameter är 2mm.
Alla kondensatorer har värdet 1 pF.

Innehållet i mapp L\HF-air wound\ (trådar & luftlindade spolar)
Coil40nH.ele = 40nH
Coil50nH.ele = 50nH
Coil60nH.ele = 60nH
Coil70nH.ele = 70nH
Coil80nH.ele = 80nH
Coil90nH.ele = 90nH
Coil100nH.ele = 100nH
Coil110nH.ele = 110nH
Coil120nH.ele = 120nH
Coil130nH.ele = 130nH
Coil140nH.ele = 140nH
Coil150nH.ele = 150nH
Coil160nH.ele = 160nH
Coil170nH.ele = 170nH
Coil180nH.ele = 180nH
Coil190nH.ele = 190nH
Coil200nH.ele = 200nH
Coil220nH.ele = 220nH
Coil240nH.ele = 240nH
Coil260nH.ele = 260nH
Coil280nH.ele = 280nH
Coil300nH.ele = 300nH
Coil320nH.ele = 320nH
Coil340nH.ele = 340nH
Coil360nH.ele = 360nH
Coil380nH.ele = 380nH
Coil400nH.ele = 400nH
Coil420nH.ele = 420nH
Coil440nH.ele = 440nH
Coil460nH.ele = 460nH
Coil480nH.ele = 480nH
Coil500nH.ele = 500nH
Coil520nH.ele = 520nH
Coil540nH.ele = 540nH
Coil560nH.ele = 560nH
Coil580nH.ele = 580nH
Coil600nH.ele = 600nH
Wire5nH.ele = 5nH
Wire10nH.ele = 10nH
Wire15nH.ele = 15nH
Wire20nH.ele = 20nH
Wire25nH.ele = 25nH
Wire30nH.ele = 30nH
Wire35nH.ele = 35nH
Wire40nH.ele = 40nH
Wire45nH.ele = 45nH
Wire50nH.ele = 50nH
Tillverkningsdata: Air_Spolar.txt