[전기회로및실습]수동소자를 이용한 LPF, HPF









실습 목적


RC 필터의 동작 원리와 구성 방법을 이해하고, 저항과 콘덴서를 이용하여 수동 필터를 구성한 후 주파수 응답 특성을 이해한다.



실습 이론 및 원리


1. 필터의 종류

필요한 주파수대는 쉽게 통과하고 필요하지 않은 주파수대는 통과하기 힘들게 만드는 장치. 주파수 특성의 커브에 따라 몇 개의 종류로 나눌 수 있다.


필터의 종류


① 하이 패스 필터 [HPF] : 차단 주파수(fc)보다 위에 있는 주파수대를 통과하기 쉬운 특성을 가진다.


② 로 패스 필터 [LPF] : 차단 주파수(fc)보다 아래 주파수대를 통과하기 쉬운 특성을 가진다.


③ 밴드 패스 필터 [BPF] : 하나의 주파수 영역만을 통과하기 쉬운 특성을 가진다. 통과하기 쉬운 주파수의 상한과 하한의 두 가지 차단 주파수(fcH.fcL)를 가진다. 주파수 영역이 좁 은 경우는 그 중심 주파수만을 표시하는 경우도 있다.


④ 밴드 리젝트 필터 [BRF, BEF] : 비교적 좁은 주파수 영역만을 통과하기가 어렵다. 차단 주파수의 표시는 BPF 와 같아서 영역의 상하 한계를 별도로 나타내는 경우와 컷하는 영역의 중심 주파수만을 나타나는 경우가 있다.


⑤ 노치 필터 : 특정 주파수 포인트만을 통과하기 어려운 특성을 가진다. BRF에서 영역이 좁은 극단 부분에 해당하기도 한다. 차단 주파수의 표시는 통과시킬 수 없는 주파수 포인트로 나타낸다.

 

2. 능동 필터와 수동 필터

① 능동 필터

R, L, C등의 수동 소자를 사용하는 필터에 대하여 증폭 기능 등을 포함하는 능동 소자를 사용하는 필터.

 

② 능동소자

회로를 구성하는 부품 중에서 트랜지스터와 같이 외부에서 에너지의 공급을 받아 증폭이나 발진 등의 작용을 할 수 있는 소자.

  


능동 필터


증폭 기능을 갖는 IC회로와 R, C를 사용한 능동 필터의 예이다. 높은 주파수와 낮은 주파수의 파는 억제되고, 1,500㎐의 파가 통과되기 쉽도록 되어 있다.

 

③ 수동 필터

수동 소자만으로 이루어진 회로. 전기 에너지의 공급이나 발생이 없다.

 

④ 수동 소자

회로 부품 중에서 저항기나 콘덴서와 같이 그들의 조합만으로는 증폭이나 발 진 등의 작용을 할 수 없는 소자.

 


수동 필터: RC 필터


저항(R)과 축전기(C)로 이루어진 회로로 능동 필터와 달리 증폭 기능이 없다.

 

3. 차단 주파수 (Cut-Off Frequency, fc)

통과시킨 주파수 영역의 경계가 되는 주파수를 차단 주파수.

① 수동 필터의 차단 주파수

LPF의 차단주파수 : f=1/2πRC

HPF의 차단주파수 : f=1/2πRC

 

4. Bode 선도

가로축에 주파수, 세로축에 출력강도와 위상각을 표시하여 자동제어계의 주파수 응답을 나타내는 선도. 제어계의 주파수 응답의 표시법으로 세로축에 크기를 ㏈로 나타내고 가로축에 주파수의 대수 눈금을 취한 그래프.


전압이득 = 20logVoutput/Vinput





실습 방법


1. 피스파이스(PSpice, https://www.altium.com/kr) 시뮬레이션

① 저역 통과 필터 (LPF)



교류전원 10V를 저역 통과 필터 회로에 가하여 주파수에 따른 흐르는 전압을 예상해 보았다.



LPF 차단 주파수 공식을 이용하여 구하면 4822Hz가 나온다. 저역 통과 필터는 차단 주파수 이하의 주파수일 때 전류를 잘 흐르게 해주는 역할을 한다. 따라서 3.0KHz를 지나며 약 5.0KHz인 지점에서 급격히 전압이 떨어지며 주파수가 높아질수록 0에 가까워짐을 확인 할 수 있었다. 반대로 약 5.0KHz인 지점이전으로는 전압이 최대치인 10V를 보여주고 있다.

 

② 고역 통과 필터 (HPF)



교류전원 10V를 고역 통과 필터 회로에 가하여 주파수에 따른 흐르는 전압을 예상해 보았다.



HPF 차단 주파수 공식을 이용하여 구하면 4822Hz가 나온다. 고역 통과 필터는 차단 주파수 이상의 주파수일 때 전류를 잘 흐르게 해주는 역할을 한다. 따라서 3.0KHz를 지나며 약 5.0KHz인 지점에서 급격히 전압이 증가하며 주파수가 높아질수록 최고치인 10V에 가까워짐을 확인 할 수 있었다.



실습 결과

1. 저역 통과 필터 (LPF)

실험 1

저항

330 Ω

차단 주파수

4822 Hz

주파수[Hz]

1

10

100

200

400

1k

2k

4k

10k

Vout

11.8

11.8

11.8

11.8

11.8

11.8

11.8

11.0

4.4

이득[dB]

0

0

0

0

0

0

0

-0.61

-8.57


차단 주파수는 4.822KHz이다. 실험 결과 4KHz 이전에는 입력해준 전압의 최대치를 측정할 수 있었다. 4KHz를 넘어갈 때 전압이 소폭 감소였고, 10KHz일 때, 4.4V로 매우 감소하였다. 따라서 저역 통과 필터의 성질을 잘 나타내고 있다. 좀 더 자세한 그래프는 4KHz와 10KHz 사잇값을 실험할 필요가 있었다.

 

실험 2

저항

1000 Ω

차단 주파수

1591.55 Hz

주파수[Hz]

1

10

100

200

400

1k

2k

4k

10k

Vout

11.6

11.6

11.6

11.6

11.6

10.4

7.4

4.2

2.0

이득[dB]

0

0

0

0

0

-0.95

-3.90

-8.82

-15.27


차단 주파수는 1.592KHz이다. 실험 결과 1.0KHz 이전에는 전압의 최대치를 측정할 수 있었다. 1.0KHz를 넘어갈 때 전압이 소폭 감소였고, 2.0KHz일 때, 7.4V로 매우 감소하였다. 그 이후로도 계속 감소하고 있다. 따라서 저역 통과 필터의 성질을 잘 나타내고 있다.

 

실험 3

저항

100000 Ω

차단 주파수

15.91 Hz

주파수[Hz]

1

10

100

200

400

1k

2k

4k

10k

Vout

11.4

10.6

2

0.9

0.5

0.204

0.11

0

0

이득[dB]

-0.15

-0.78

-15.27

-22.20

-27.31

-35.10

-40.46

-

-


차단 주파수는 15.91Hz이다. 실험 결과 10Hz 이전에는 전압의 최대치에 근접한 값을 측정할 수 있었다. 10Hz를 넘어갈 때 전압이 소폭 감소였고, 100Hz일 때, 2.0V로 매우 감소하였다. 그 이후로도 계속 감소하고 있다. 따라서 저역 통과 필터의 성질을 잘 나타내고 있다.

 

2. 고역 통과 필터 (HPF)

실험1

저항

330 Ω

차단 주파수

4822 Hz

주파수[Hz]

1

10

100

200

400

1k

2k

4k

10k

Vout

0

0

0.3

0.64

1.12

2.8

4.8

7.2

9.2

이득[dB]

-

-

-31.75

-25.17

-20.30

-12.35

-7.66

-4.14

-2.01


차단 주파수는 4.822KHz이다. 실험 결과 4KHz 이전에는 전류가 거의 흐르지 않아 전압이 측정이 안되었다. 주파수가 증가함에 따라 측정되는 전압이 증가해갔고, 4KHz를 넘어갈 때 전압이 많이 증가하였다. 따라서 고역 통과 필터의 성질을 잘 나타내고 있다. 전압의 최대치인 11.8V까지 도달하기 위해서는 10KHz 이후의 값으로 실험을 더 해야 할 필요가 있다.

 

실험2

저항

1000 Ω

차단 주파수

1591.55 Hz

주파수[Hz]

1

10

100

200

400

1k

2k

4k

10k

Vout

0

0

0.88

2

3.4

6.4

9.2

10.4

11

이득[dB]

-

-

-22.40

-15.27

-10.66

-5.17

-2.01

-0.95

-0.46


차단 주파수는 1.592KHz이다. 실험 결과 100Hz 이전에는 전류가 거의 흐르지 않아 전압이 측정이 안되었다. 주파수가 증가함에 따라 측정되는 전압이 증가해갔고, 1KHz를 넘어갈 때 전압이 많이 증가하였다. 따라서 고역 통과 필터의 성질을 잘 나타내고 있다. 전압의 최대치인 11.8V까지 도달하기 위해서는 10KHz 이후의 값으로 실험을 더 해야 할 필요가 있다.

 

실험3

저항

100000 Ω

차단 주파수

15.91 Hz

주파수[Hz]

1

10

100

200

400

1k

2k

4k

10k

Vout

0

6.6

11.8

11.8

11.8

11.8

11.8

11.8

11.8

이득[dB]

-

-4.89

0

0

0

0

0

0

0


차단 주파수는 15.91Hz이다. 실험 결과 1Hz 이전에는 전류가 거의 흐르지 않아 전압이 측정이 안되었다. 주파수 10Hz일 때 많이 증가하였고, 100Hz를 넘어갈 때 전압이 많이 증가하였다. 그 이후로는 전압의 최대치인 11.8V를 측정하였다.따라서 고역 통과 필터의 성질을 잘 나타내고 있다.





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