v2.0.9792.42761
Fizyka dla każdego
Filtry RC i odpowiedź częstotliwościowa · 1 min czytania

Trzy decybele poniżej pasma obciążonego filtru

Opublikowano: 25.10.2026
Wyślij link e-mailem Własna poczta Komentarze: 0

Idealne źródło zasila filtr dolnoprzepustowy R = 2,00 kΩ, C = 100 nF. Do wyjścia równolegle z C dołączono RL = 6,00 kΩ. Wyznacz poziom przenoszenia przy bardzo małej częstotliwości, nową częstotliwość graniczną względem tego poziomu oraz napięcie skuteczne wyjścia w tym punkcie dla wejścia 2,00 V. Podaj fazę i porównaj częstotliwość graniczną z nieobciążonym układem. Przyjmij stan ustalony i idealne elementy.

Pokaż rozwiązanieUkryj rozwiązanie
Wskazówka

Wyprowadź H z prawa węzłów albo użyj K₀ = RL/(R + RL) i Rz = R ∥ RL. Punkt graniczny ma k = K₀/√2, nie zawsze 1/√2.

Rozwiązanie

1. Oddzielamy poziom pasma od jego granicy

Przy małej częstotliwości prąd kondensatora maleje, lecz obciążenie nadal pobiera prąd. Pozostaje dzielnik:

K_0=\frac{6000}{2000+6000}=\frac34=0{,}75,\qquad R_z=\frac{2000\cdot6000}{8000}\,\Omega=1500\,\Omega.

Stała czasowa odpowiedzi to RzC = 150 µs. Nie jest równa 200 µs otrzymanym z samego RC.

2. Obliczamy punkt graniczny

f_{g,L}=\frac{1}{2\pi R_zC}\approx1061{,}033\,\mathrm{Hz},\qquad k(f_{g,L})=\frac{0{,}75}{\sqrt2}\approx0{,}530330.

Faza wynosi −45°. Dla wejścia 2,00 V skutecznie otrzymujemy:

U_{wy,sk}=2{,}00\,\mathrm{V}\frac{0{,}75}{\sqrt2}\approx1{,}06066\,\mathrm{V}.

Własny poziom pasma to około −2,4988 dB względem źródła. W punkcie granicznym spada o kolejne 3,0103 dB do około −5,5091 dB. Użycie k = 1/√2 pomijałoby stałe tłumienie dzielnika.

3. Porównujemy z filtrem bez obciążenia

W pierwotnym układzie fg = 1/(2πRC) ≈ 795,775 Hz. Nowa granica wzrosła w stosunku 2000/1500 = 4/3, ale poziom przenoszenia małych częstotliwości zmalał z 1 do 0,75. Większa częstotliwość graniczna nie dowodzi więc większego napięcia wyjściowego.

Sprawdzenie graniczne pomaga wykryć pomyłkę: gdy RL dąży do nieskończoności, K₀ dąży do 1, Rz do R i wracamy do nieobciążonego wzoru. To właśnie brak tej granicy zdradziłby błędne potraktowanie RL jako oporu szeregowego z kondensatorem.

Wynik: K₀ = 0,75; fg,L ≈ 1061,033 Hz; Uwy,sk ≈ 1,06066 V; faza −45°. Granica układu nieobciążonego wynosiła 795,775 Hz.

Powiązana teoria

Obciążenie i kaskada RC: dlaczego dwa filtry zmieniają się po połączeniu

Dalsza lektura

Materiał referencyjny

Sprawdź wpływ następnego stopnia

Najpierw przewiduj: Porównaj kaskadę z buforem i bez bufora przy f = f₀. Potem zwiększ opór drugiego stopnia, jednocześnie zmniejszając jego pojemność.

Zmieniaj jedną wielkość i porównuj wyniki

Ruch uruchamiasz samodzielnie. Esc zatrzymuje animację; suwaki i przycisk „Jeden krok” pozwalają oglądać kolejne chwile bez odtwarzania.

Dwa stopnie RC połączone bez bufora i ich wzajemne obciążenie.
Dwa stopnie RC połączone bez bufora i ich wzajemne obciążenie. Wybierz rysunek, aby otworzyć go w pełnym rozmiarze.

R₁ = 10 kΩ i C₁ = 0,1 µF dają RC = 0,001 s oraz f₀ ≈ 159,155 Hz. Przy tej częstotliwości pojedynczy nieobciążony filtr ma |H| ≈ 0,707; kaskada jednakowych stopni bez bufora ma |H| = 1/3.

Co oblicza model i gdzie kończą się jego założenia?

Wykres przedstawia amplitudę napięcia, dlatego G_{\rm dB}=20\log_{10}|H|. f₀ = 1/(2πR₁C₁) jest częstotliwością odniesienia pojedynczego nieobciążonego stopnia. W układzie obciążonym lub w kaskadzie nie musi być częstotliwością graniczną całego układu. Amplituda wejścia wynosi 5 V, a nie 5 V wartości skutecznej.

Obciążenie RL jest równoległe do kondensatora wyjściowego. Zmniejsza wzmocnienie stałoprądowe do RL/(R₁ + RL). W kaskadach R₂ = kR₁ oraz C₂ = C₁/k, więc oba izolowane stopnie mają tę samą stałą RC. Bez bufora człon R₁C₂ pozostaje w mianowniku transmitancji i obniża amplitudę względem kaskady buforowanej.

Porównujemy sinusoidy w stanie ustalonym. Faza nie jest prędkością przesyłania informacji; wyprzedzenie fazowe w filtrze górnoprzepustowym nie oznacza reakcji na przyszłe zdarzenie. Pomijamy pasożytnicze elementy i tolerancje. Suwak czasu pokazuje t/T sinusoidy; odtwarzanie jest celowo spowolnione do jednego okresu na dwie sekundy.

Najpierw spróbuj samodzielnie. Zapisz dane, wybierz prawa fizyczne i sprawdź jednostki. Przejdź do zadań ze sprawdzaniem odpowiedzi »

Ostatnie materiały autora

Wszystkie materiały autora »

Komentarze (0)

Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.

Dodaj komentarz

Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto

Emotikony

Zaznacz tekst i wybierz formatowanie lub użyj Ctrl/Cmd+B, I, U w polu komentarza. Znaczniki HTML nie są wykonywane.

Wybór wszystkich komentarzy obejmuje odpowiedzi. Powiadomienia wymagają potwierdzenia adresu; zrezygnujesz z nich przez link w wiadomości.

← Wróć do działu: Zadania Do góry ↑
Nie znalazłeś szukanego materiału? Napisz do nas — pomóż nam rozwijać Fizykę dla każdego.