![]() |
![]() |
|
FILTRUL TRECE-BANDAGheorghe Andrei Radulescu YO4AUP
Citi
poli trebuie sa aibe un filtru trece banda? Care este limita rezonabil -
practic realizabila in conditii de amator? Bobina si
condensatorul sint elementele constitutive ale orcarui joc pentru radioamatori.
Intr-o anumita structura, ele se constituie in filtre. Filtrele, in toata
varietatea lor tipologica, sint poate elementele cu cea mai mare diversitate in
practica radio-amatoriceasca. Toate aceste
filtre se pot executa cu mai multe celule, prin conectarea in serie [cascada] a
mai multor celule de baza, de acelasi tip, formate din structura cu 3
poli. Rezulta astfel un filtru cu 3 sau cu 5, sau cu 7, sau cu 9 poli [ etc
] Atenuarea
teoretica a filtrelor Cebisev in afara benzii de trecere este aratata in Tabelul
1 [dati click pentru vizualizare Tabel 1] [preluat din Bibliografie
1 ]. In aceiasi sursa bibliografica [1] se spune ca pentru
realizarile practice, atenuarea maxima pe care putem sa o luam in considerare
este cel mult, undeva, pina pe la valoarea de – 60 dB. Un filtru trece
sus sau jos cu 7 poli si cu VSWR de 1,1 apare ca fiind maxim de complexitate
pentru un raport cost–performanta acceptabil in conditii de amator.
Pentru
filtrele Cebisev din Fig. 1, [trece jos si trece sus] in Bibliografie [1]
ARRL TheRadio Amateur’s Handbook, se gasesc datele necesare
stabilirii valorii inductantelor si capacitatilor necesare, pentru frecventa de
taiere, Fc, de 1 MHz. Aceste valori “normalizate”, se
corecteaza functie de datele concrete ale aplicatiei, asa cum se arata in
continuare. Pentru exemplificare, in Tabelul 2 sint extrase valorile
normalizate [ 50 Ω intrare si iesire, 7 poli, Fc = 1 MHz.] pentru cele 4
variante de filtru Cebisev. Pentru alte
frecvente de taiere Fc decit 1MHz, valorile din Tabelul 2 se impart cu valoarea
noii frecvente de taiere alese, exprimate in MHz.. Daca se doreste si o
alta impedanta de intrare si iesire in locul valorii de 50 Ω, atunci
valorile inductantelor din tabel se inmultesc cu valoarea Zi/50 iar valorile
capacitatilor se inmultesc cu 50/Zi, unde Zi este valoarea impedantelor de
intrare si iesire din filtru, nou aleasa. In Bibliografie
[2] - http://www.zerobeat.net/G4FGQ -
exista un program de calcul pentru filtrele trece sus si trece jos,
intitulat “lpf_hpf.exe”. Valorile calculate de programe
sint apropiate de cele prezentate in Bibliografie [1]. Din combinarea a
doua filtre , unul trece sus si unul trece jos, se obtine un filtru trece
banda. Aplicatia care ma intereseaza de fapt este filtrul trece
banda. Atenuarea semnalului in afara benzii de trecere este functie de numarul
de celule ale filtrului. Ma intreb daca afirmatiile din literatura ca atenuarea
realizabila, in afara benzii de trecere, este de cel mult -60dB
sint adevarate ? Daca si -60dB este o valoare exagerata, atunci ar fi suficient
si un filtru cu 5 poli in locul unuia cu 7 ?! Sau poate chiar unul cu numai
trei poli?! Mi-am propus sa construiesc si sa masor trei filtre trece
banda, pentru 7 MHz. cu 3, cu 5 si cu 7 poli. Valorile atenuarii in
afara benzii de trecere vor influenta decizia asupra numarului de poli ai
filtrului pentru conditiile aplicatiei analizate. Am ales banda de
7 MHz, pentru ca pe ecartul de frecventa de la 1.5MHz pina la 30 MHz se poate
vizualiza bine raspunsul in frecventa, pe sase octave, al filtrelor. [3* Fc in
sus si 1/3*Fc, in jos] Pentru calculul
elementelor filtrului trece banda, folosesc programul de calcul al lui G4FGQ,
intitulat “bandpass1.exe” care se gaseste la adresa din Bibliografie
[2]. [filtru cu 3 poli] Rezultatele
rularii in programul lui G4FGQ, pentru filtrul cu 3 poli, in configuratie
П, cu banda de trecere 7.0 – 7.4 MHz, sint prezentate Tabelul
3 [ Zin = Zout = 50 Ω ] : Valorile condensatoarelor si ale
inductantelor pentru toate cele trei filtre trece banda pe 7 MHz. cu banda
de trecere 7.0 – 7.4 MHz pe care vreau sa le analizez ar fi urmatoarele: 3
p C1 L1 C2 L2 C3 L3 7958 0.06 12.29 39.7 7958 0.06 5
p C1 L1 C2 L2 C3 L3 C4 L4 C5 L5 7958 0.06 12.29 39.7 15916 0.03 12.29 39.7 7958 0.06 7
p C1 L1 C2 L2 C3 L3 C4 L4 C5 L5 C6 L6 C7 L7 7958 0.06 12.29 39.7 15916 0.03 12.29 39.7 15916 0.03 12.29 39.7 7958 0.06 Se constata ca datorita
ingustimii benzii de trecere, valorile L1, L3, L5 si L7 au valori foarte mici.
Aceiasi situatie pentru C2, C4, si C6. Daca se largeste benda de trecere
aceste valori se modifica ajungind in limite constructiv acceptabile . Valorile
condensatoarelor si inductantelor pentru un filtru trece banda cu largime de
banda mai mare, calculate tot cu programul “bandpass1.exe”
sint, tot pentru Zin = Zout = 50 Ω, prezentate in Tabelul
4. In literatura se
spune ca daca raportul intre latimea de banda si frecventa centrala este de 0.25
sau mai mare, sint acceptabile piese cu toleranta de 5% . In schema de
filtru trece banda cu configuratie П, valori constructiv
acceptabile se obtin si daca se mareste impedanta de intrare si de iesire a
filtrului. Daca totusi impedanta de intrare si iesire necesara este mica,
atunci mufele de intrare si iesire se pot cupla pe o priza a bobinei L1 si L3
[sau/si L5 sau L7] Radacina patrata din raportul impedantelor
este egal cu raportul intre numarul de spire total al bobinei si numarul de
spire de la masa pina la priza. Or fi adevarate toate aceste
afirmatii? Filtrul trece banda,
asa cum l-am realizat si masurat, pe 7 MHz,. cu frecventele de taiere de 6,3
MHz si de 8,1 MHz. pentru impedanta de 200 Ω, cu
3, 5 sau 7 poli, cu prize la jumatatea bobinelor L1, L3, L5 si L7 pentru
adaptarea la 50 Ω, are configuratia si valorile componentelor
redate in Tabelul 5. Tabel 5
FTB – 7 MHz.[ 6.3 – 8.1 ] – cu 3, 5 si 7 poli – 200
Ω cu priza pentru 50Ω Amplasarea pe o placa de circuit
imprimat a acestor filtre este prezentata schematic in Fig. 3
3. Partea practica
Filtrele au fost executare pe placa din sticlotextolit simplu placat, asa cum se arata in Fig. 4, Fig. 5 si Fig. 6. Condensatorii de 14 pF sint realizati prin legarea in paralel a unui condensator de 10 pF lipit pe fata placata, cu un trimer cu aer, cilindric cu deplasare axiala cu capacitatea variabila de la 1 la 15 pF. Ceilalti condensatori sint realizati fie prin legarea in paralel a mai multor condensatori ficsi, fie prin selectie si masurare Inductantele sint realizate fie pe toruri din Ferita F4 – miez cu punct alb, fabricatie romaneasca, la AFERO, cu dimensiunile de 16 x 7.7 x 5 mm si 20 x 10 x 10 mm. fie pe carcase cilindrice de 8mm diametru, cu miez reglabil si cu ecran din aluminiu [medii frecvente din televizoarele Rubin] si pe carcase cilindrice de 9mm diametru, cu miez reglabil fara ecran. [provenienta necunoscuta]
![]() Fig. 4 Circuit imprimat – Filtru cu 3 poli ![]() Fig. 5 Circuit imprimat – Filtru cu 5 poli ![]() Fig. 6 Circuit imprimat – Filtru cu 7 poli
Din fisele de catalog ale furnizorilor indigeni am retinut ca bobina realizata pe un miez toroidal romanesc, are inductanta data de relatia AL x N² L [μH] = --------- unde AL = inductanta specifica, exprimata in [nH / spire²]. 1000
Bobina realizata pe un miez toroidal Amidon T200 - 2, se calculeaza cu relatiile date de furnizor,si prezentate in Fig. 7 Toruri AMIDON [informativ]
![]() Fig. 7 Toruri AMIDON Dar cum totdeauna exista diferente mai mari sau mai mici intre datele de catalog si realitatea inconjuratoare, este bine ca parametrii magnetici ai torurilor si miezurilor gasite in cutiile cu maimute sa fie masurati. Rezultatele masuratorilor sint in Tabelul 6 urmator
Tabel 6
Masuratorile au dovedit ca valorile lui AL la torurile romanesti masurate se incadreaza in dispersia valorilor date de catalog si ca valorile Lo masurate sint foarte apropiate de cele calculate cu programul “solnoid3.exe” pentru bobinele cilindrice. Inductantele realizate pe tor trebuie insa masurate fiecare in parte. Bobinele executate dupa datele furnizate de programul “solnoid3.exe” pot fi admise ca atare pentru ca inductanta se regleaza fin din miezul bobinelor. Cu clarificarile de mai sus se poate incepe ”realizarea practica” a filtrului din Tabelul 5 de mai sus. Necesarul de materiale este urmatorul:
Pentru miezurile disponibile, numarul de spire pentru cele trei tipodimensiuni de inductante necesare filtrelor pe 7 MHz, este dat in tabelul 7:
Inductantele le-am executat pe carcase cu miez, dupa cum urmeaza:
Am bobinat cele 6 toruri cu diametrul de 20 mm. ferita punct alb [F4] pentru inductantele de 35,37 μH. Inductanta masurata trebuie sa se incadreze in intervalul 33.5 / 37.2 μH. Asa cum am precizat mai sus, fiecare inductanta trebuie masurata si retusata individual. Dupa masurare si refacerea celor care nu se incadrau in parametri, bobinele ‘finalizate’ cu numarul de spire retusat pentru inductanta necesara functie de miez [una doua spire in plus] sint dupa cum urmeaza [in paranteza este inscrisa abaterea fata de valoarea nominala de 35.37 μH]:
36.18 μH, [ + 2.29 % ] 35.83 μH, [ + 1.30 % ] 34,53 μH, [ - 2.37 % ] 35.98 μH, [ + 1.72 % ] 34.35 μH, [ + 2.88 % ] 33.95μH, [ - 4.01 % ]
Bobinele executate pe miezuri cilindrice nu au ridicat probleme deosebite la executie. Inductanta lor a fost reglata din miezuri, fix pe valoarea necesara. Miezurile sint fixate cu un fir de cauciuc. Capacitatile necesare sint realizate initial pe masa, prin punerea in paralel a mai multor condensatori Valorile masurate sint urmatoarele:
Am masurat din nou valoarea capacitatilor dupa lipirea lor pe placa. Am de facut o atentionare asupra condensatoarelor de 14 pF. Am facut perechile de trimeri cu condensatorii ficsi de 10 pF si am reglat trimerii pentru capacitatea totala de 14 pF pe masa, dupa care i-am lipit pe placa de circuit imprimat, am masurat din nou condensatorii si Surpriza ! Instrumentul arata acum intre 18 pFsi 24 pF. Lectie: atentie la capacitatile parazite mai ales atunci cind se lucreaza cu valori mici !!! Am scos condensatorii de 10 pF si am reglat trimerii pentru 14 pF masurati pe placa de montaj !!! vezi Fig. 11. Si asupra condensatorilor de 442 pF, realizati din cite doi condensatori de 220pF fiecare, lipiti unul pe fata altul pe spate si asupra condensatorilor de 884 pF, sortati dintr-o gramajoara de condensatori cu mica recuperati, am revenit si i-am refacut din mai multi condensatori lipiti in paralel, pina am ajuns la valorile indicate in tabelul de mai sus si Fig.13. Am terminat executia montajului cu lipirea bobinelor masurate inainte de lipire. La acestea nu am facut retusuri dupa lipirea lor pe placa. Placa de test pentru filtre proiectata si asa cum este ea facuta, are dimensiunile de 87 x 265 mm si se vede in Fig. 8, Fig. 9, Fig.10, Fig. 11, Fig. 12, si Fig. 13, urmatoare:
Masuratorile pentru atenuare versus frecventa le-am facut cu analizorul CIA-HF 5012 - 5000 fabricat de “Tempo – a communication company”, pe diagrama Return Loss – Frecventa. Despre termenul Return Loss se poate citi in [Bibliografie 7] sau dati click aici. Trevor S. Bird - Definition and Misuse of Return Loss O excelenta prezentare a modului de utilizare a unui analizor de impedanta mai modern decit cel utilizat de mine a facut-o YO4UQ, domnul Cristian Colonati intr-o serie de doua articole care pot fi citite in www.radioamator.ro la adresa http://www.radioamator.ro/articole/view.php?id=634 si la adresa : http://www.radioamator.ro/articole/view.php?id=658
Standul de masura si diagramele ridicate sint in figurile urmatoare
Dintr-o prima analiza sint tentat sa optez pentru varianta cu 5 poli. Totusi, fiindca am cu ce sa masor, am decis sa analizez aceleasi trei variante de filtre pentru 7 MHz, dar calculate pentru o largime de banda de numai 400 kHz, [6.9 – 7.3 MHz, adica B = 0.06*Fc] si cu impedanta de intrare/iesire de 50Ω, cuplaj direct, fara prize pe bobine. Valorile inductantelor si ale capacitatilor pentru aceasta varianta de filtru, calculate cu programul “bandpass1.exe”, sint prezentate in tabelul urmator.
BPF 7 MHZ [6900 – 7300 kHz] B = 0,06 Fc
Pentru aceste noi valori, la torurile deja facute am adaugat 1 - 2 spire si valorile obtinute sint in plaja de toleranta acceptabila [+/- 3 %]. La bobinele executate pe miezuri toroidale, deoarece inductanta se schimba din spira in spira [numere intregi] saltul de inductanta de la 20 la 21 de spire este de cca 3 μH si pentru o toleranta mai strinsa a valorii inductantelor realizate ar fi trebuit selectate torurile, lucru pe care nu l-am putut face nu prea avind de unde alege, HI ! Bobinele de 0.03 μH sint fara miez, au 3 spire cu diametrul interior de 6 mm [se bobineaza pe o coada de burghiu de 5.5 mm] si se fac din sirma de 1.3mm diametru. Bobinele de 0.06 μH sint fara miez, au 4 spire cu diametrul interior de 6.5 mm [se bobineaza pe o coada de burghiu de 6 mm] si se fac tot din sirma de 1.3mm diametru. Condensatorii i-am refacut dupa aceiasi metoda, prin punerea in paralel a mai multor condensatori, ca si pentru filtrul facut la inceput. Rezultatul acestei munci se vad in diagramele urmatoare:
Interesanta este comparatia intre acelasi tip de filtru, de banda larga si de banda ingusta de unde se vede ca cu cit este mai ingusta banda de trecere, cu atit filtrul are flancurile mai abrupte si atenuarea in banda de trecere este mai mica.
Dupa ce “am vazut” ca un filtru de banda ingusta este mai bun decit unul de banda mai larga, a trebuit sa aleg intre varianta cu 3 poli si cea cu 5 poli. Cele trei filtre inguste au iesit decalate in frecventa !!! Pentru o aplicatie practica, ele ar fi trebuit retusate si aduse in plaja de frecventa pentru care au fost proiectate, dar pentru scopul propus pentru aceasta lucrare, ele pot fi analizate asa cum au iesit, decalate. Suprapunerea diagramelor se face grafic. Privind diagramele lor separat nu se vede o mare diferenta intre ele, [Fig 15.1, Fig. 15.1.1, Fig. 15.2, si Fig. 15.2.1]. Pentru a compara cele doua diagrame a fost necesara suprapunerea lor asa cum este prezentata in Fig. 17 si concluzia este evidenta. Filtrul cu 5 celule atenueaza pe flancuri mult mai mult decit cel cu 3 celule [- 23 dB in putere, asa cum am evidentiat in diagrama “RL – F” din Fig. 17]
Decideti asadar dumneavoastra ce filtru trece banda construiti, cu 3, cu 5 sau cu 7 poli, larg sau ingust !!! Eu am optat pentru varianta cu 5 poli, versiune ingusta pentru un bloc de filtre trece banda pe care il voi folosi la intrarea unui receptor.
5. Acordarea FiltruluiAsadar am terminat constructia unui filtru trece banda, de la 6.9 la 7,3 MHz., in trei variante, cu trei, cu cinci si cu sapte celule. Fiecare piesa afost masaurata inainte de lipirea pe placa de montaj, fiind astfel sigur ca nu am abateri mari ai parametrilor realizati fata de datele de proiect. Condensatorii cu valori mari ale capacitatii i-am realizat din mai multi condensatori legati in paralel, valoarea finala inscriindu-se intr-o plaja de eroare sub plus sau minus 1,5 %. Trimerii cilindrici cu aer i-am reglat exact pe valoarea de 12,64 pF. Inductantele realizate pe toruri au valorea de 39,8 plus - minus 3% iar inductantele mici, de 0.06 si 0,03 μH le-am executat dupa datele furnizate in programul “solnoid3.exe” din Bibliografie [2] si le-am masurat apoi cu LC metrul pe care il am la dispozitie. Totul era conform proiectului, dar ….
De ce? Unde am gresit? Daca valorile pieselor, masurate de mai multe ori pe masa de lucru, sint cele care trebuie sa fie, de ce filtrele realizate nu au banda de trecere de 6,9 – 7,3 MHz asa cum au fost proiectate? Am facut o eroare de metoda sau o eroare de sistem? Care este aceasta?
Am privit inca o data schema:
Nu am mijloace pentru o masuratoare directa, dar pot face o determinare indirecta a corectitudinii acestor valori in filtrul gata asamblat. Privind schema proiectata a filtrului FTB ingust, se vede ca toate trei variantele [3, 5, si 7 celule] sint alcatuite din numai trei tipuri de circuite oscilante, care au propria lor frecventa de rezonanta:
Daca se masoara frecventa de rezonanta a circuitelor din filtrul montat, se poate afla daca valorile mici ale inductantelor si ale trimerilor sint cele corecte sau cu cit a fost influentata valoarea de catre “montaj” !!! Pentru a masura frecventele de rezonanta, am dezlipit strapul care leaga un capat al trimerului in montaj si am obtinult astfel cite doua circuite, unul serie si unul paralel cu un punct comun, a caror frecventa de rezonanta poate fi masurata tot cu acelasi analizor de impedanta folosit si pina acum. In acest fel se determina frecventa de rezonanta a circuitelor montate pe placa, cu toate influentele montajului. Citirea frecventei de rezonanta se face cel mai bine pa scala Return Loss. Am constatat cu groaza abateri si de 30 % !!! Citirile masuratorilor frecventelor de rezonanta a tuturor celor 15 circuite LC sint prezentate in Fig. 18.
![]() Fig. 18 Frecvente de rezonanta obtinute.
Constatind asemenea abateri imense fata de valorile necesare, am inceput Acordarea Filtrului . Am modificat capacitatea trimerilor pentru ca fiecare circuit LC serie [12,64 pF – 39, 79 μH] sa aibe Frez = 7097 kHz si am modificat bobinele mici pentru ca circuitele LC paralel [7957,75 pF – 0.06 μH si 15915,5 pF – 0,03 μH] sa aibe Frez = 7284 kHz. Refacerea bobinelor a fost partea cea mai greu de executat. Bobinele pentru 0,03 μH au in final numai 2 spire bobinate cu sirma de 0,8mm CuEm pe o coada de burghiu de 2mm diametru iar cele pentru 0,06 μH au in final 4 spire bobinate cu sirma de 0,8mm CuEm pe o coada de burghiu de 3mm diametru. Frecventa de rezonanta se ajusteaza fin prin modificarea lungimii bobinei prin comprimarea sau extensia ei. Bobinele pentru 0,03 μH le-am lipit pe dosul placii pentru ca a contat si lungimea firelor de cablaj imprimat, si a fost nevoie de citeva incercari pina am gasit pozitia definitiva in care am putut face acordul pe frecventa de rezonanta necesara. In Figurile de la 19 pina la 33 inclusiv am pastrat raspunsul in frecventa al tuturor celor 15 circuite LC reacordate pe cele doua frecvente necesare. In final am reconectat cei sase trimeri la montaj si am ridicat diagramele SWR si Return Loss pentru cele trei filtre Acordate care sint Fig. 34 – 3poli 1- SWR si 2- RL , Fig. 35 - 5poli 1- SWR si 2- RL , si Fig. 36 –7poli 1- SWR si 2- RL . Sinteza pentru SWR si pentru Return Loss este in Fig. 37 SWR si Fig. 38 Ret. Loss.
![]() Fig. 34 – 1- 3poli -SWR
De retinut este faptul ca acolo unde se utilizeaza condensatoare sau bobine de valoare mica, este necesara reacordarea montajului cu toate piesele montate “in situ”. Filtrele gata "acordate" a caror diagrame au fost analizate mai sus, se vad in Fig. 39 si Fig. 40 urmatoare:
![]() Fig. 39 Filtrul acordat, fata cu pise
Despre o tentativa de uniformizare a atenuarii in banda de trecere, poate intr-un alt articol. BIBLIOGRAFIE:1. ARRL The Radio Amateur’s Handbook, RF and AF Filters [Ed 1981 Cap 6 , Ed 2006 Cap 12]2. http://www.zerobeat.net/G4FGQ 3. Cataloage Ferite Urziceni, ICCE, AFERO [ pag 1 , pag 2 ] 4. Bob Wolbert, K6XX FT-1000MP Automatic Band Selection Interface, http://www.va3cr.net/mods/Material/Automatic%20MP%20band%20selector%20interface%20k6xx.pdf 5. Toruri AMIDON - Dimensiuni, Al, Preturi. [ https://www.amidoncorp.com/items/26 ] 6. Colonati, Cristian YO4UQ, http://www.radioamator.ro/articole/view.php?id=634 si aici : http://www.radioamator.ro/articole/view.php?id=658 7. Trevor S. Bird - Definition and Misuse of Return Loss http://ieeeaps.org/aps_trans/docs/ReturnLossAPMag_09.pdf 8. Etc. [ LC metru - manual de utilizare , Toruri ICCE pag 1, pag2 ]
Articol aparut la 10-4-2011 27261 Inapoi la inceputul articolului |
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
| |||||
|
Comentariul trebuie sa se refere la continutul articolului. Mesajele anonime, cele scrise sub falsa identitate, precum si cele care contin (fara a se limita la) atac la persoana, injurii, jigniri, expresii obscene vor fi sterse iar dupa caz se va ridica dreptul de a posta comentarii.
|
Copyright © Radioamator.ro. Toate drepturile rezervate. All rights reserved
Articole | Concursuri | Mica Publicitate | Forum YO | Pagini YO | Call Book | Diverse | Regulamentul portalului | Contact |