วงจรกรองความถี่ สำหรับวิทยุ (Filter Circuit)
วงจรกรองความถี่ในวงการวิทยุนั้นจะใช้สำหรับ กำหนดให้ความถี่ ผ่านไปได้ หรือผ่านไปไม่ได้ อาจจะเป็น เฉพาะช่วงใดช่วงหนึ่ง หรือช่วงกว้าง ๆ ก็ได้ ซึ่งจะประกอบขึ้นด้วย R (resistor) L (inductors) และ C (capacitors) โดยเอาคุณสมบัติประจำตัวของอุปกรณ์แต่ละชนิด คือ L จะยอมให้ความถี่ต่ำผ่านได้ง่าย ความถี่สูงผ่านยาก C ความถี่ต่ำผ่านยาก ความถี่สูงผ่านง่าย ส่วน R จะมีต้านทานทุกความถี่ให้มีระดับสัญญาณลดลง วงจรกรองความถี่ จะมีทั้งแบบ passive และ active คำว่า passive นั้นหมายถึงวงจร Filter ที่ไม่ต้องการไฟฟ้า ไม่มีการขยาย (Unpowered Components (R,L,C)) มีแต่การลดทอนสัญญาณลง การลดทอนนี้เราจะเรียกว่า insertion loss ส่วนวงจรแบบ active นั้นจะมีวงจรขยายสัญญาณอยู่ภายใน จำเป็นต้องใช้พลังงานไฟฟ้า มักจะใช้กันที่ความถี่ต่ำ ๆ เช่น ในวงจรเครื่องขยายเสียง
 L (inductors) หรือว่า ขดลวด |  C (capacitors) หรือว่า ตัวเก็บประจุ |
 R (resistor) หรือว่า ตัวต้านทาน แต่ในวงจรกรองสัญญาณนี้อาจจะเป็นความต้านทานของ ขดลวดก็ได้ | |
ชนิดของวงจรกรองความถี่มี 4 แบบคือ
- low pass filter (ความถี่ต่ำกว่าผ่านได้) บางครั้งอาจจะเรียกว่าวงจร high-cut filter สำหรับ ความถี่วิทยุ และ treble cut filter สำหรับวงจรขยายเสียง
วงจร low pass filter มีลักษณะการต่อคือ ใช้ L อนุกรมกับวงจร และ C ขนานกับวงจร คุณสมบัติของวงจรก็คือ เมื่อเราป้อนความถี่ ต่ำเข้าวงจร L จะมีค่า XL ต่ำ C จะมีค่า XC สูง ทำให้ความถี่ ต่ำผ่าน L ได้สะดวก ระดับสัญญาณ Output จึงผ่านได้มาก แต่เมื่อความถี่สูงกว่าจุดที่กำหนด ค่า XL จะมากขึ้น ค่า XC จะลดลง ทำให้ความถี่ ผ่านขดลวดได้ลดลง บางส่วนที่ผ่านไปได้ก็จะถูก C ดึงลงกราวด์ ระดับสัญญาณ Output จึงผ่านได้น้อยมาก
วงจร low pass filter ยังสามารถแบ่งออกเป็น 2 แบบคือ
- T Type low pass filter การใช้ L หรือ C เพียงตัวเดียว ไม่สามารถกำจัดสัญญาณความถี่สูงได้หมด ตรงจุด Cut Off ทำให้ความถี่สูงผ่านไปได้ เราจึงแก้ปัญหาโดยการเพิ่ม L เข้าไปในวงจรอีกชุด เมื่อต่อแล้ว ลักษณะวงจรคล้าย ตัว T เราจึงเรียกว่า วงจรกรองความถี่ต่ำผ่าน แบบที การกรองความถี่ ถ้าต้องการประสิทธิภาพ เราอาจจะใช้วงจรนี้หลายชุด
- Pi Type low pass filter วงจรนี้จะใช้ C 2 ตัวและ L 1 ตัว ต่อกันดังรูป รูปร่างคล้ายตัว Pi (พาย) เราก็เรียกกันว่า วงจรกรองความถี่ต่ำผ่าน แบบพาย วงจรแบบนี้จะนิยมใช้ในภาคจ่ายไฟ และวงจร Regulator
ตัวอย่างวงจร low pass filter ในย่าน วิทยุ FM 88 -108 MHz สามารถทนกำลังส่งได้ 800 วัตต์ ใช้ขดลวดเบอร์ 8 Awg และใช้ C แบบ Metal clad silver teflon caps
วงจร low pass filter ที่กล่าวมาข้างต้น จะนำมาใช้ในวิทยุรับส่ง เมื่อ ไม่ต้องการให้สัญญาณความถี่ harmonic (ความถี่ harmonic จะสูงกว่าความถี่ที่ใช้งาน เป็นเท่าตัว เช่น 2 เท่า 3 เท่า เป็นต้น) จากเครื่องส่งของเราไปรบกวนระบบอื่น ๆ
- high pass filter (ความถี่สูงกว่าผ่านได้) บางครั้งอาจจะเรียกว่าวงจร Low-cut filter สำหรับ ความถี่วิทยุ และ bass-cut filte สำหรับวงจรขยายเสียง
วงจรนี้จะยอมให้ความถี่ที่สูงกว่ากำหนดผ่านไปได้ ส่วนควาถี่ที่ต่ำกว่าจะโดนจับลง กราวด์ จากรูปจะเห็นว่า C ต่ออนุกรมกับวงจร ส่วน L ต่อขนานกับวงจร เมื่อป้อนความถี่ต่ำกว่าเข้ามา C จะมีค่า XC สูง ทำให้สัญญาณผ่านไปได้น้อย ส่วน L จะมีค่า XL น้อย ทำให้สัญญาณที่ผ่านมาจาก C ลงกราวด์ได้หมด แต่เมื่อความถี่สูงขึ้น C จะมีค่า XC ลดลง สัญญาณจะผ่านได้มากขึ้น ส่วน L จะมีค่า XL มากขึ้น สัญญาณก็จะลงกราวด์น้อยลง สัญญาณที่ออกไปยัง Output ก็มากขึ้น จนถึงระดับความแรงของสัญญาณประมาณ 70.7 % ของความแรงสูงสุด ระดับนี้เองที่เราเรียกว่า ช่วงความถี่ Cut off เมื่อความถี่สูงกว่า ความถี่ นี้ C จะยอมให้สัญญาณผ่านได้สะดวกและค่า XL จะต้านสัญญาณไม่ให้ลงกราวด์ ความถี่จึงผ่านไปที่จุด Output ได้ทั้งหมด
วงจรกรองความถี่สูงผ่าน ก็มี 2 แบบเช่นกัน
วงจรกรองความถี่สูงผ่านแบบที
วงจรกรองความถี่สูงผ่านแบบพาย
ตัวอย่างวงจร high pass filter ตัดความถี่ย่าน วิทยุ AM ออกไป สามารถทนกำลังส่งได้ 200 วัตต์ ใช้ C แบบ high voltage NPO ceramic capacitors 
วงจร high pass filter ที่กล่าวมาข้างต้น จะนำมาใช้ในวิทยุรับส่ง เมื่อ ไม่ต้องการให้สัญญาณจากสถานีส่ง ที่มีความถี่ต่ำกว่า เข้ามารบกวน เช่น ที่บ้านผมอยู่ใกล้สถานีส่งวิทยุ AM ผมใช้วิทยุ ย่าน HF อยู่ คลื่นวิทยุ AM เข้ามารบกวนมาก ผมเลยใช้วงจร high pass filter กำจัดสัญญาณ AM ทิ้งไป
- band pass filter (ช่วงความที่กำหนดผ่านได้)
วงจรกรองความถี่แบบ band pass filter จะยอมให้ความถี่เฉพาะช่วงที่กำหนดให้ผ่านได้ควาถี่นอกจากนี้จะโดนตัดลงกราวด์ เราสามารถสร้างวงจร band pass filter โดยการใช้วงจร Resonance
- ในรูปวงจรด้านซ้าย เราจะใช้วงจร วงจรเรโซแนนท์แบบอนุกรม คุณสมบัติของวงจรนี้คือ ความต้านทานต่ำที่ความถี่เรโซแนนท์ ทำให้สัญาณผ่านไปได้ง่าย แต่สำหรับความถี่อื่น ๆ ทั้งสูงกว่าและต่ำกว่าจะไหลผ่านได้ยาก
- ในรูปวงจรด้านขวา เราจะใช้ วงจรเรโซแนนท์แบบขนาน ต่อสัญญาณลงกราวด์ คุณสมบัติของวงจรนี้คือ ความต้านทานสูงที่ความถี่เรโซแนนท์ ความถี่อื่น ๆ จะถูกดึงลงกราวด์ (เพราะมีความต้านทานต่ำ) ส่วนความถี่เรโซแนนท์ จะผ่านไปได้ (ไม่ถูกดึงลงกราวด์ เพราะความต้านทานสูง)
ตัวอย่าง band pass filter ย่านความถี่ 144 MHz +/- 7 MHz ทนกำลังส่งได้ 100 วัตต ์
วงจร band pass filte ที่กล่าวมาข้างต้น จะนำมาใช้ในวิทยุรับส่ง เช่น เราใช้ความถี่ วิทยุสมัครเล่น 145 MHz แต่เราโดนสัญญาณรบกวนจาก สถานีวิทยุ ต่าง ๆ (ที่ใช้ความถี่อื่น) เราจำเป็นต้องใช้ตัว band pass filte ให้รับเอาเฉพาะความถี่เฉพาะที่ต้องการจริง ๆ
- band stop (หรือ notch) filter (ช่วงความที่กำหนดผ่านไม่ได้)
วงจรกรองความถี่แบบ band stop filter จะยอมให้ความถี่อื่น ๆ ผ่านไปได้สะดวก แต่สำหรับความถี่ Resonance (ความถี่ที่จะกำจัด) จะโดนดึงลงกราวด์
- ในรูปวงจรด้านซ้าย เราจะใช้วงจร วงจรเรโซแนนท์แบบอนุกรมต่อลงกราวด์ คุณสมบัติของวงจรนี้คือ ความต้านทานต่ำที่ความถี่เรโซแนนท์ ทำให้สัญาณผ่านลงกราวด์ได้ง่ายจึงไม่มีสัญญาณออกทาง Output แต่สำหรับความถี่อื่น ๆ ทั้งสูงกว่าและต่ำกว่าวงจรจะมีความต้านทานสูง สัญญาณจะไม่ถูกดึงลงกราวด์ สามารถผ่านวงจรนี้ไปได้อย่างสบาย
- ในรูปวงจรด้านขวา เราจะใช้ วงจรเรโซแนนท์แบบขนาน แต่มาต่ออนุกรมกับวงจร คุณสมบัติของวงจรนี้คือ ความต้านทานสูงที่ความถี่เรโซแนนท์ สัญญาณจึงไม่สามารถผ่านไปได้ แต่พอความถี่อื่น ๆ จะมีความต้านทานต่ำ สัญาณสามารถผ่านไปได้
ตัวอย่าง band stop filter ใช้กับ ระบบทีวีรวม สำหรับ ป้องกันความถี่บางช่องของทีวีออกไปเลย สามารถเลือกช่องได้
 Low Pass Filter |  High Pass Filter |
 Band Pass Filter |  Notch Filter |
จากรูป fco (ย่อมาจาก Cutoff frequency) เป็นจุดที่กำลังไฟฟ้าลดลงเหลือครึ่งหนึ่ง Band Pass Filter จะมีจุด fco 2 จุดทั้งด้านความถี่สูง และความถี่ต่ำ ส่วน Notch Filter หมายถึง วงจร Filter แบบ band stop filter ที่มี band แคบมาก ๆ (very narrow)
Crystal Filter
วงจรภาคขยาย IF ต้องการ วงจรกรองที่มีคุณภาพ และมี band ที่แคบ (Narrow bandwidth) เพื่อจะแยกสัญญาณที่ต้องการออกจากสัญญาณอื่น ๆ ที่มีความถี่ใกล้เคียง เราไม่สามารถที่จะใช้วงจรกรองความถี่แบบ L,C ธรรมดาได้ วงจรที่เราเลือกใช้คือวงจรกรองความถี่แบบ Crystal Filter ซึ่งจะมีค่า Q และ band ที่แคบกว่าวงจรแบบอื่น ๆ
ตัวอย่างวงจร Crystal Filter แบบ Half-lattice Crystal Filter นิยมใช้ในเครื่องรับ SSB โดยต่อหลังจากวงจร Balnced Modulator ทำหน้าที่กำจัดสัญญาณ Sideband ที่ไม่ต้องการออกไป
ตัวอย่างวงจร Crystal Filter แบบ Ladder filter นิยมใช้ในวงจรเครื่องรับ CW
Active Filter
บทความ
0 ความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น