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

Czy tłumienie 20 decybeli wymaga stukrotnego zmniejszenia napięcia?

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

Nieobciążony filtr dolnoprzepustowy ma osłabić sinusoidę 1000 Hz o co najmniej 20 dB, czyli spełniać G ≤ −20 dB. Źródło ma zerowy opór wewnętrzny, a R = 10,0 kΩ. Wyznacz największą dopuszczalną fg. Sprawdź proponowane C = 160 nF, policz napięcie skuteczne wyjścia dla 0,800 V na wejściu oraz sprawdź, czy przy 10 Hz strata amplitudy nie przekracza 1%. Pomijamy tolerancje elementów i stan przejściowy.

Pokaż rozwiązanieUkryj rozwiązanie
Wskazówka

Przelicz −20 dB na stosunek amplitud za pomocą k = 10G/20. Do końcowej oceny użyj dokładnej krzywej, a nie jej asymptoty.

Rozwiązanie

1. Z decybeli odzyskujemy amplitudę

k ≤ 10−20/20 = 0,1. Chodzi o dziesięciokrotnie mniejsze napięcie. Stukrotnie mniejsze napięcie odpowiadałoby −40 dB. Stukrotny spadek mocy wynikałby z k = 0,1 przy porównaniu jednakowych oporów.

f_g\le\frac{1000\,\mathrm{Hz}}{\sqrt{0{,}1^{-2}-1}}=\frac{1000}{\sqrt{99}}\,\mathrm{Hz}\approx100{,}504\,\mathrm{Hz}.

2. Sprawdzamy konkretny kondensator

Dla R = 10 000 Ω i C = 160 · 10⁻⁹ F stała czasowa wynosi 0,00160 s. Stąd fg ≈ 99,472 Hz, czyli poniżej dopuszczalnej granicy. Przy 1000 Hz x ≈ 10,0531.

k(1000\,\mathrm{Hz})\approx0{,}0989833,\qquad G\approx-20{,}0888\,\mathrm{dB}.

Wymaganie jest spełnione. Wyjściowe napięcie skuteczne wynosi 0,800 V · 0,0989833 ≈ 0,079187 V, czyli 79,19 mV. Nie dzielimy go ponownie przez √2, ponieważ k łączy tu dwie wartości skuteczne.

3. Kontrolujemy użyteczny sygnał

Przy 10 Hz mamy x ≈ 0,100531. Dokładna odpowiedź wynosi k ≈ 0,9949847. Strata amplitudy względem wejścia to 1 − k ≈ 0,0050153, czyli około 0,5015%. Jest mniejsza od 1%.

Obniżanie fg zwiększa tłumienie przy 1000 Hz, ale jednocześnie zwiększa stratę przy 10 Hz. Dlatego nie wystarcza sprawdzić wyłącznie częstotliwości zakłócającej. Wynik dotyczy nominalnych elementów i nieobciążonego wyjścia, zgodnie z założeniami zadania.

Wynik: fg ≤ 100,504 Hz; proponowany filtr ma 99,472 Hz, G ≈ −20,0888 dB i Uwy,sk ≈ 79,19 mV. Strata przy 10 Hz wynosi około 0,5015%.

Powiązana teoria

Filtr RC na wykresie Bodego: dobór pasma i tolerancje elementów

Dalsza lektura

Materiał referencyjny

Przeczytaj wykres Bodego

Najpierw przewiduj: Zwiększ f dziesięciokrotnie daleko powyżej f₀. Sprawdź zmianę w decybelach, a następnie zamień ją na stosunek amplitud.

Zmieniaj jedną wielkość i porównuj wyniki

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

Wzmocnienie i faza filtrów RC w funkcji częstotliwości.
Wzmocnienie i faza filtrów RC w funkcji częstotliwości. 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.