Frage zu Funktionsweise eines Hochpassfilters

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Track17
Ist häufiger hier

#1 erstellt: 03. Mrz 2015, 11:26

Ahoi Leute,

aktuell beschäftige ich mich mit dem Aufbau meines zweiten DIY Verstärkers. Im Gegensatz zum ersten Projekt möchte ich aber diesmal die Schaltung nicht einfach "blind" aufbauen, sondern auch die Funktionsweise verstehen.

Das erste Problem habe ich aber schon direkt mit dem Eingang der Schaltung. Und zwar wird dort ein Hochpassfilter eingesetzt, der laut Beschreibung des Entwicklers dafür sorgen soll, dass der Operationsverstärker (OPA2604) daran gehindert wird Radiosignale zu empfangen.

Jetzt habe ich mir Informationen zu allen möglichen Radiofrequenzen zusammen gesucht und bin darauf gestoßen, dass die Langwelle mit 30kHz - 300kHz die kleinste Frequenz hat, also etwa 10kHz über dem Bereich der oberen Hörschwelle liegt.

Das hieße für mich im Umkehrschluss, dass alle Frequenzen ÜBER 20kHz heraus gefiltert werden müssen um keine Radiowellen zu empfangen. Die Simulation in LT-Spice zeigt aber erwartungsgemäß genau das umgekehrte Verhalten. Durch den Hochpass werden nämlich alle Frequenzen UNTER 20Hz gefiltert (also unterhalb der unteren Hörschwelle).

Hier ein Screenshot der Simulation:

Das Filtern der Frequenzen unter 20Hz ist zwar erst mal nicht schlimm aber die Sinnhaftigkeit dieses Filters (vor allem mit der gegebenen Begründung zu dessen Einsatz) erschließt sich mir in keiner Weise.

Könnt ihr mir vielleicht sagen wo mein Denkfehler ist? Oder habe ich vielleicht sogar die Simulation schon falsch durchgeführt?

Grüße
Nils

[Beitrag von Track17 am 03. Mrz 2015, 11:32 bearbeitet]

MOS2000
Inventar

#2 erstellt: 03. Mrz 2015, 11:45

Klingt nach klassischer Verwechslung von

Hochpass (im englischen respektive Low-cut) > Läßt hohe Frequenzen durch / schneidet Tiefe ab.
Tiefpass (im englischen respektive High-cut) > Läßt tiefe Frequenzen durch / schneidet hohe weg.

Was Du bauen willst ist ein Tiefpass (= High-cut) mit 20 KHz Grenzfrequenz.

Hochpass-Filter kommen üblicherweise zur Anwendung um teiffrequente Stör-Signale wegzufiltern, z.B. Rumpeln bei Plattenspielern oder tieffrequente Störsignale bei Mikrofonaufnahmen. Grenzfrequenzen üblicherweise 30/40/80/100 Hz.

Vom Verstärkerbau als solches habe ich aber null Ahnung

LIebe Grüße
MOS2000

KarstenL
Inventar

#3 erstellt: 03. Mrz 2015, 11:48

evtl hilft der Beitrag?

http://de.wikipedia.org/wiki/Hochpass

http://de.wikipedia.org/wiki/Tiefpass

Gruss
Karsten

Reference_100_Mk_II
Inventar

#4 erstellt: 03. Mrz 2015, 11:53

Jep, du hast einen Hochpass, brauchst aber einen Tiefpass. Also den Kondensator einfach parallel legen, statt in Reihe.

KarstenL
Inventar

#5 erstellt: 03. Mrz 2015, 12:03

Reference_100_Mk_II (Beitrag #4) schrieb:

Jep, du hast einen Hochpass, brauchst aber einen Tiefpass. Also den Kondensator einfach parallel legen, statt in Reihe.

nicht zum Thema, aber für Dich

Track17
Ist häufiger hier

#6 erstellt: 03. Mrz 2015, 12:07

Das ging ja extrem schnell. Vielen Dank schon mal bis hierher!

Leider ist der Groschen noch nicht gefallen.

@ MOS2000: Die Funktionen von Hochpass und Tiefpass habe ich schon richtig verstanden. Genau deswegen ist auch die Frage aufgekommen. Denn eigentlich müssten natürlich die Frequenzen über 20kHz abgeschnitten werden aber der Filter in der Schaltung schneidet eben unter 20Hz (lässt also die hohen Frequenzen PASSieren - so merke ich mir das mit Hoch- und Tiefpass immer). ;-)

@ KarstenL: Die beiden Wikipedia Beiträge habe ich neben unzähligen anderen schon angesehen aber die Frage wird auch dadurch nicht erklärt. Die Funktionsweise der beiden Filter ist mir wie gesagt schon bekannt.

@ Reference_100_Mk_II: So würde ich es mir eigentlich auch denken. Das habe ich auch versucht im Eingangspost zu erklären. Aber in dem vorliegenden Schaltplan ist (meiner Ansicht nach) ein Hochpass verbaut.

Wahrscheinlich ist es am einfachsten direkt den Link zu posten damit ihr ansehen könnt wovon genau eigentlich die Rede ist. Hoffentlich ist es in Ordnung Links zu fremden Seiten zu setzen wenn nicht gebt bitte einfach kurz Bescheid, dann nehme ich es sofort wieder raus!

http://sound.westhost.com/project113.htm

Nachtrag: Da ist nicht der eingangs genannte OPA2604 verbaut, aber ich möchte auch nicht einfach 1:1 abkupfern sondern versuchen (wenigstens teilweise) selbst zu entwickeln. Der Schaltplan soll nur als eine Art Anleitung oder Richtlinie dienen.

[Beitrag von Track17 am 03. Mrz 2015, 12:13 bearbeitet]

detegg
Inventar

#7 erstellt: 03. Mrz 2015, 13:06

Moin Nils,

Du meinst diese Schaltung von Rod Elliott?

Das ist Standard - nichtinvertierender OP und nachfolgender Transistorbooster.
Am Eingang sitzt ein HP aus C1/R1 - dieser verhindert, das Gleichspannungsanteile vom Signaleingang mitverstärkt werden. Zusätzlich begrenzt C2 in der Rückkopplung die Verstärkung dieser Gleichspannunganteile (v<<1).

Detlef

Track17
Ist häufiger hier

#8 erstellt: 03. Mrz 2015, 17:05

Ja genau diese Schaltung meine ich. Vielen Dank, dass du das Bild direkt eingebunden hast. Bei solchen Sachen bin ich immer unsicher ob es im Nachhinein nicht Ärger wegen Urheberrechten geben könnte...

Dann ist der Hochpass ja scheinbar gar nicht dafür gedacht Radiofrequenzen heraus zu filtern. Das der OPA2604 Radiofrequenzen empfangen kann hatte ich irgendwo in einem anderen Forum gelesen und das hat mich in Verbindung mit dem Hochpass dann total verwirrt.

Danke dir auch für die Erklärung zu C2, das wäre ansonsten sicher die nächste Frage gewesen.

Was mir jetzt aber immer noch etwas rätselhaft ist, warum wird denn überhaupt ein Tiefpass eingesetzt? Um die Gleichspannungsanteile am Eintritt in den OPAMP zu hindern hätte doch "nur" der Kondensator gereicht, oder?

[Beitrag von Track17 am 03. Mrz 2015, 17:06 bearbeitet]

Kay*
Inventar

#9 erstellt: 03. Mrz 2015, 17:10

Das erste Problem habe ich aber schon direkt mit dem Eingang der Schaltung. Und zwar wird dort ein Hochpassfilter eingesetzt, der laut Beschreibung des Entwicklers dafür sorgen soll, dass der Operationsverstärker (OPA2604) daran gehindert wird Radiosignale zu empfangen.

WO steht das im Projekt113 ?

Track17
Ist häufiger hier

#10 erstellt: 03. Mrz 2015, 18:22

Da hast du mich erwischt.

In diesem Projekt steht gar nichts davon. Das habe ich (wie in meinem letzten Post erwähnt) in einem anderen Forum gelesen. Dort wird ein NE5534 eingesetzt und auch explizit von einem TIEFPASS-Filter gesprochen. Nur dachte ich, dass auch der OPA2604 diese Radiowellen einkoppeln könnte (häufig werden NE5534 und OPA2604 ja in einem Atemzug erwähnt) und man daher einen Tiefpass einsetzen sollte.

Zu diesem, in Foren angelesenen, Halbwissen hinzu kam dann noch der Einsatz des Tiefpassfilters in "Projekt 113" und dadurch ergaben bzw. ergeben sich die ganzen Fragen.

detegg
Inventar

#11 erstellt: 03. Mrz 2015, 19:22

Hi Nils,

grundsätzlich und allg. sollte man eine Verstärkerstufe bandbegrenzen, sprich, irgendwo am Eingang und/oder am Ausgang mit einem TP+HP beschalten.

Im Falle eines KHV ist allerdings die Quelle bereits bandbegrenzt. Trotzdem kann der Ausgang der Quelle eine DC-Offsetspannung liefern, die den Eingang des KHV stört. Daher ist dort u.a. dieser HP vorgesehen, der eben diese Offsetspannung mit hoher Flankensteilheit abblockt, das Audio-Frequenzband (20....20.000Hz) aber durchlässt.

Detlef

PS:
extern eingekoppelte RF muss man mit einem überlegten Layout/Abschirmung aussperren.

[Beitrag von detegg am 03. Mrz 2015, 19:27 bearbeitet]

Track17
Ist häufiger hier

#12 erstellt: 04. Mrz 2015, 09:27

Super, vielen Dank für die vielen hilfreichen Antworten! Das hat jetzt auf die schnelle schon sehr weiter geholfen.

In den nächsten Tagen werde ich versuchen die weiteren Bestandteile der Schaltung nach und nach zu simulieren und versuchen die Ergebnisse nachzuvollziehen.

Es ist nicht sooo unwahrscheinlich, dass ich mich in dieser Angelegenheit dann nochmal an dieser Stelle zurückmelden werde.

Kay*
Inventar

#13 erstellt: 04. Mrz 2015, 16:54

... weiteren Bestandteile der Schaltung nach und nach zu simulieren und versuchen die Ergebnisse nachzuvollziehen.

genauso würde ich vorgehen!

Track17
Ist häufiger hier

#14 erstellt: 12. Mrz 2015, 15:32

Mittlerweile habe ich noch einige weitere Simulationen zu dem Filter gemacht und bin dabei auf weitere Probleme gestoßen.

Und zwar habe ich überlegt ob es nicht möglich ist direkt am Eingang erst mal einen Tiefpass einzusetzen, der ausschließlich das Audio-Signal durchlässt und die Radiowellen heraus filtert.
Am Ausgang sollen dann über Elektrolyt-Kondensatoren die Gleichspannungsanteile abgeblockt werden.

Den Eingangsfilter habe ich jetzt folgendermaßen ausgelegt:

Warum die Granzfrequenz bei -3dB liegt habe ich noch nicht verstanden und es jetzt erst mal einfach so hingenommen. Irgendwo habe ich aber gelesen, dass man Filter ausschließlich mit ohm'schen Widerständen im kOhm Bereich aufbauen kann, damit sie ihre "filternde Wirkung" überhaupt erhalten. Ist da was dran? Laut Simulation bekommt man ja auch mit dem 680 Ohm Widerstand eine Grenzfrequenz von etwa 23,5 kHz hin.

Und die DC-Abkopplung am Ausgang würde ich wie bereits eingangs erwähnt gerne durch zwei gegensätzlich gepolte 4700µF Elkos umsetzen. Warum genau diese Werte weiß ich auch noch nicht, die habe ich einfach aus einem Hochschul Skript übernommen, das man im Internet finden kann.

Was meint ihr dazu? Kann man das mit dem Filter am Eingang und den Elkos am Ausgang so machen oder ist das totaler Stuss?

pelowski
Hat sich gelöscht

#15 erstellt: 12. Mrz 2015, 17:31

Track17 (Beitrag #14) schrieb:

...Und zwar habe ich überlegt ob es nicht möglich ist direkt am Eingang erst mal einen Tiefpass einzusetzen, der ausschließlich das Audio-Signal durchlässt und die Radiowellen heraus filtert...

Hallo,

kann man machen, allerdings genügt es in aller Regel, einen TP so um 100kHz zu setzen. Niedriger nur, wenn auch wirklich Probleme <100kHz auftreten.

...Laut Simulation bekommt man ja auch mit dem 680 Ohm Widerstand eine Grenzfrequenz von etwa 23,5 kHz hin...

Das ist in der Theorie schon richtig, allerdings musst du zu den 680Ohm noch den Ausgangswiderstand der Quelle dazurechnen.
Und dann muss die Quelle den geringen Eingangswiderstand deiner Schaltung auch problemlos treiben könen.
Damit die Quelle wenig belastet wird, rechnet man pi x Daumen meist mit dem >10fachen Einganswiderstand der Senke.

Bezüglich des Ausgangselkos: Eine DC-Sperre ist nur nötig, wenn auch DC da ist oder sein könnte. Die Dimensionierung ergibt sich aus der Berechnung eines 6dB-RC Hochpasses.

Grüße - Manfred

Track17
Ist häufiger hier

#16 erstellt: 12. Mrz 2015, 23:31

Hallo Manfred, vielen Dank für diese sehr interessante Antwort!

Einige Punkte davon möchte ich nochmal aufgreifen.

Zum 100kHz Tiefpass: In einem Funk-Forum habe ich gelesen, dass die niedrigste Radiofrequenz die auftreten kann die Langwelle ist. Der Frequenzbereich reicht bei dieser von 30kHz bis 300kHz. Daher dachte ich mir, dass es Sinn machen würde die Grenzfrequenz irgendwo zwischen 20kHz (Hörgrenze) und 30kHz anzusetzen.

Den Ausgangswiderstand der Soundkarte muss ich noch mit einbeziehen, das habe ich wirklich vergessen. Habe gelesen, dass der so bei maximal 100 Ohm liegen soll aber das werde ich nochmal genauer in Erfahrung bringen bzw. nachmessen.

Und jetzt noch zwei Fragen:

1. Die folgende Aussage habe ich nicht verstanden:

Damit die Quelle wenig belastet wird, rechnet man pi x Daumen meist mit dem >10fachen Einganswiderstand der Senke.

Heißt das, dass der Eingangswiderstand des Verstärkers mehr als zehn mal größer sein sollte als der Ausgangswiderstand der Quelle? Oder was ist mit Senke gemeint?

2. Die folgende Aussage finde ich sehr interessant:

Die Dimensionierung ergibt sich aus der Berechnung eines 6dB-RC Hochpasses.

Kannst du das bitte noch ein bisschen weiter ausführen? Warum genau 6db? Die Sache mit den dB Werten bei Hoch- und Tiefpass habe ich nämlich insgesamt noch gar nicht verstanden. Auch ein Link mit einer verständlichen Erklärung würde mir schon sehr weiter helfen!

Freundliche Grüße
Nils

[Beitrag von Track17 am 12. Mrz 2015, 23:32 bearbeitet]

Soundscape9255
Inventar

#17 erstellt: 13. Mrz 2015, 00:57

Track17 (Beitrag #16) schrieb:

Warum genau 6db?

Tiefpass erster Ordnung: 6 dB Pegelabfall pro Oktave bzw. 20 dB pro Dekade (die -3dB als Grenzfrequenz sind einfach nur festgelegt worden, hier hast du halbe Leistung, bzw. 1/Wurzel(2) Spannung.

http://de.wikipedia.org/wiki/Tiefpass#Tiefpass_1._Ordnung

Kay*
Inventar

#18 erstellt: 13. Mrz 2015, 16:55

Zum 100kHz Tiefpass: In einem Funk-Forum habe ich gelesen, dass die niedrigste Radiofrequenz die auftreten kann die Langwelle ist. Der Frequenzbereich reicht bei dieser von 30kHz bis 300kHz. Daher dachte ich mir, dass es Sinn machen würde die Grenzfrequenz irgendwo zwischen 20kHz (Hörgrenze) und 30kHz anzusetzen.

wenn du denn mit Langwelle wirklich Probleme hast...

Denke immer daran, du werkelst mit realen Bauteilen,
je tiefer man ein Filter setzt, desto eher wirkt es dann bei sehr hohen
(Stör-) Freq. nicht mehr (ausreichend),
deshalb finden sich in industriell hergestellten Geräte auch Filter mit
100kHz direkt vor der Endstufe (Bandbegrenzung),
jedoch direkt an den Cinch-/Ls-Buchsen Tiefpässe bei z.B. 1MHz
(gegen HF-Ein-/Abstrahlung)