مرشح تمرير النطاق العالي والمنخفض - High and low pass filter

غالباً ما يستخدم المرشح في الدوائر الإلكترونية لحجب أو السماح بتردد محدد للدائرة، فعلى سبيل المثال إذا كانت الدائرة المعنية تعمل على طاقةالتيار المستمر، فيمكن استخدام مرشح تمرير منخفض (LPF) والسماح فقط للترددات المنخفضة بالمرور حيث تم تصميم الفلتر حول تردد مقطوع ويسمح فقط للترددات المنخفضة بالمرور.

مرشح التمرير المنخفض – Low pass filter:

مرشح تمرير منخفض (Low pass filter): هي دائرة تقدم مروراً سهلاً للإشارات منخفضة التردد وصعوبة المرور إلى الإشارات عالية التردد، وهناك نوعان أساسيان من الدوائر قادران على تحقيق هذا الهدف، والعديد من الاختلافات لكل منهما: مرشح التمرير المنخفض الحثي ومرشح التمرير المنخفض السعوي، وهو مرشح يمرر إشارات بتردد أقل من تردد القطع المحدد ويضعف الإشارات بترددات أعلى من تردد القطع حيث تعتمد استجابة التردد الدقيقة للمرشح على تصميم المرشح.

يُطلق على المرشح أحياناً اسم مرشح القطع الثلاثي في ​​التطبيقات الصوتية، ويُعد مرشح الترددات المنخفضة هو مكمل لمرشح الترددات العالية حيث يتم استخدام (LPF) في الدوائر التي تسمح فقط للترددات المنخفضة بالمرور، وغالباً ما يستخدم لمنع الترددات العالية وتيار التيار المتردد في الدائرة.

أنواع مرشح التمرير المنخفض:

1. مرشح تمرير منخفض حثي – Inductive Low-Pass Filter:

تزداد مقاومة المحرّض مع زيادة التردد حيث تميل هذه المقاومة العالية في السلسلة إلى منع الإشارات عالية التردد من الوصول إلى الحمل، كما يمكن إثبات ذلك من خلال تحليل سبايس.

2. مرشح الترددات المنخفضة السعوي – Capacitive Low-Pass Filter:

تتناقص مقاومة المكثف مع زيادة التردد حيث تميل هذه الممانعة المنخفضة بالتوازي مع مقاومة الحمل إلى تقصير إشارات التردد العالي، ممّا يؤدي إلى إسقاط معظم الجهد عبر المقاوم المتسلسل R1.

الفرق بين مرشح الترددات المنخفضة السعوي والحثي:

• مرشح تمرير الترددات المنخفضة الحثي هو قمة البساطة، مع مكون واحد فقط يشتمل على المرشح، والنسخة السعوية من هذا الفلتر ليست أكثر تعقيداً حيث لا يلزم سوى المقاوم والمكثف للتشغيل.

• تُفضل تصميمات المرشحات بشكل عام على تصميمات المرشح السعوي لأنّ المكثفات تميل إلى أن تكون مكونات تفاعلية أي أنقى من المحرّضات وبالتالي تكون أكثر قابلية للتنبؤ في سلوكها أي أنّ المكثفات تظهر تأثيرات مقاومة أقل من المحرِّضات، ممّا يجعلها تفاعلية بنسبة (100%) تقريباً.

• تُظهر المحاثات عادةً تأثيرات مشتتة كبيرة تشبه المقاومة، سواء في الأطوال الطويلة للسلك المستخدم في صنعها أو في الخسائر المغناطيسية للمادة الأساسية.

• تميل المكثفات أيضاً إلى المشاركة بشكل أقل في تأثيرات الاقتران مع المكونات الأخرى أي تولد أو تستقبل تداخلاً من مكونات أخرى عبر المجالات الكهربائية أو المغناطيسية المتبادلة من المحرِّضات وهي أقل تكلفة.

• غالباً ما يُفضل مرشح التمرير المنخفض الاستقرائي في إمدادات الطاقة (AC-DC) لتصفية شكل موجة أي تموج التيار المتردد الذي تم إنشاؤه عند تحويل التيار المتردد أي تصحيحه إلى تيار مستمر، ويمر فقط مكون التيار المستمر النقي.

• السبب الرئيسي لذلك هو الحاجة إلى مقاومة مرشح منخفضة لإخراج مصدر الطاقة هذا حيث يتطلب مرشح التمرير المنخفض السعوي مقاومة إضافية متصلة بالمصدر، بينما لا يتطلب مرشح التمرير المنخفض الحثي ذلك.

• في تصميم دارة عالية التيار مثل مصدر طاقة تيار مستمر حيث تكون مقاومة السلسلة الإضافية غير مرغوب فيها، فإنّ مرشح التمرير المنخفض الحثي هو أفضل خيار للتصميم.

• من ناحية أخرى، إذا كان الوزن المنخفض والحجم الصغير من الأولويات الأعلى من مقاومة الإمداد الداخلي المنخفضة في تصميم مزود الطاقة، فقد يكون مرشح التمرير المنخفض السعوي أكثر منطقية.

تطبيقات مرشح الترددات المنخفضة:

أحد التطبيقات لمبدأ مرشح التمرير المنخفض السعوي هو في تصميم الدوائر التي تحتوي على مكونات أو أقسام حساسة للضوضاء الكهربائية حيث يمكن أحياناً لإشارات التيار المتردد الاقتران من دائرة إلى أخرى عبر السعة (Cstray) أو الحث المتبادل (Mstray) بين مجموعتي الموصلات.

يتم استخدام مقياس الذبذبات في مرشح الترددات المنخفضة للطاقة النظيفة من مصدر جهد التيار المستمر، وبعد الاقتران بمصدر ضوضاء التيار المتردد عبر الحث المتبادل الشارد والسعة الشاردة، على الرغم من ذلك فإنّ الجهد المقاس عند أطراف الحمل هو الآن مزيج من التيار المتردد والتيار المستمر حيث يكون التيار المتردد غير مرغوب فيه.

يسمح مرشح التمرير المنخفض بالمرور السهل لإشارات التردد المنخفض من المصدر إلى التحميل والمرور الصعب للإشارات عالية التردد، كما أنّ مرشحات تمرير الترددات المنخفضة الحثية تدخل محثاً في سلسلة مع الحمولة، أمّا مرشحات التمرير المنخفض السعوية تُدخل مقاوماً في سلسلة ومكثفاً بالتوازي مع الحمل حيث يحاول تصميم المرشح الحثي حجب إشارة التردد غير المرغوب بينما يحاول مرشح السعوي تقصيرها.

تردد القطع لمرشح تمرير الترددات المنخفضة هو التردد الذي عنده يساوي جهد الناتج أي الحمل (70.7%) من جهد الداخل أي المصدر، وفوق تردد القطع يكون جهد الناتج أقل من (70.7%) من الداخل.

مرشح تمرير النطاق العالي – High pass filter:

مرشح التمرير العالي (High pass filter): هو مرشح يمرر فقط تلك الإشارات التي تكون تردداتها أعلى من ترددات القطع، وبالتالي يخفف إشارات الترددات المنخفضة حيث تعتمد قيمة تردد القطع على تصميم المرشح، كما يتم استخدام مرشح التمرير العالي في الدوائر التي تتطلب فقط ترددات عالية للعمل حيث يمنع معظم الترددات المنخفضة ومكونات التيار المستمر.

يكون تردد القطع في مرشح التمرير العالي والذي يشير إلى النقطة في استجابة التردد للمرشح حيث يكون الكسب مساوياً لـ (50%) من ذروة كسب الإشارة أي (3dB) من ذروة كسب حيث يزداد الكسب مع زيادة الترددات.

تُعرف المنطقة من النقطة الأولية إلى نقطة التردد المقطوعة باسم نطاق التوقف حيث لا يُسمح بمرور الترددات، أمّا المنطقة من أعلى نقطة تردد القطع تُعرف نقطة (-3 ديسيبل) بنطاق المرور وعند تردد القطع، سيكون اتساع الجهد الناتج (70.7%) من الجهد الداخل.

حيث يشير عرض النطاق الترددي للمرشح إلى قيمة التردد الذي يُسمح للإشارات بالمرور منه، فعلى سبيل المثال إذا تم إعطاء عرض النطاق الترددي لمرشح التمرير العالي كـ (50 كيلو هرتز) فهذا يعني أنّه يُسمح فقط بالمرور من (50 كيلو هرتز) إلى ما لا نهاية.

طرق استخدام مرشح تمرير عالي عند الخلط:

مرشح الترددات العالية هو منحنى موازن بسيط ولكنه فعّال يجرف الترددات المنخفضة غير المرغوب فيها من مصدر الصوت، مثل التشويش وتم استخدمها في العديد من النقاط في عمليات المزج الخاصة بي لتنظيف الإشارات الضعيفة وتشديد الترتيبات.

• تقليل وإزالة التوافقيات غير المرغوب فيها.

• غناء التركيز.

• شكل نهاية منخفضة.

• تحسين استجابة الصوت العميق.

• ديناميكي بدلاً من ثابت.

على الرغم من الوظيفة البسيطة لمرشح التمرير العالي لإزالة الترددات المنخفضة من إشارة فهي أداة متعددة الاستخدامات حيث يمكن استخدامها في عشرات السيناريوهات للحصول على شعور أكبر بالتوازن اللوني، ومع ذلك مثل جميع أدوات الصوت من المحتمل أن يتم الإفراط في استخدامها مع نتائج كارثية.

الفرق بين مرشح التمرير العالي ومرشح التمرير المنخفض:

1. • تسمح دائرة (LPF) بالتردد تحت تردد القطع للتدفق خلاله، أمّا دائرة (HPF) تسمح للترددات التي تزيد عن تردد القطع بالتدفق من خلالها.
2. • يمكن بناء مرشح التمرير المنخفض بمقاوم يتبعه مكثف، أمّا مرشح التمرير العالي يمكن بناؤه بمكثف يتبعه المقاوم.
3. • في مرشح التمرير المنخفض من المهم القضاء على تأثير التعرج، أمّا في مرشح التمرير العالي من المهم عند حدوث التشويه بسبب إشارة منخفضة التردد مثل الضوضاء يجب فصلها.
4. • يكون مرشح التمرير المنخفض أقل من تردد القطع، بينما مرشح التمرير العالي يكون أعلى من تردد القطع.
5. • يمكن استخدام (LPF) كمرشح مضاد للتشويش في دوائر الاتصالات، أمّا يمكن استخدام (HPF) في مكبرات الصوت مثل الضوضاء المنخفضة والصوت.
6. • في البصريات قد يكون للتمرير العالي والتمرير المنخفض معاني مختلفة، وذلك اعتماداً على ما إذا كانت تشير إلى التردد أو الطول الموجي للضوء، لأنّ هذه المتغيرات مرتبطة بشكل عكسي حيث تعمل مرشحات التردد العالي كمرشحات ذات طول موجي منخفض التمرير، ولهذا السبب من الممارسات الجيدة الإشارة إلى مرشحات الطول الموجي على أنّها تمريرة قصيرة و تمريرة طويلة لتجنب الالتباس والتي قد تتوافق مع ترددات التمرير العالي والتمرير المنخفض.
7. • يتم استخدام مرشح التمرير المنخفض كمرشح مضاد للتشويش بينما يتم استخدام مرشح التمرير العالي في مضخم الصوت للاقتران أو إزالة التشوهات بسبب إشارة التردد المنخفض مثل الضوضاء.

توجد مرشحات تمرير الترددات المنخفضة والعالية السلبية في العديد من الدوائر بما في ذلك مقبض النغمة على الجيتار ومجموعة النغمات في مكبرات الصوت وعناصر التحكم في النغمات في الدواسات وحتى مرشحات (OTA) ذات التمرير المنخفض التي يتم التحكم فيها بالجهد والموجودة في المركِّبات مشتقة من هذه الدوائر البسيطة حيث يُسمح للترددات المنخفضة بالمرور في مرشح تمرير منخفض بينما يُسمح للترددات العالية بالمرور في مرشح تمرير عالي.

يحدد القطع النقطة التي يتم فيها تقليل الترددات، ممّا يؤدي إلى التوهين حيث يتم اعتبار كل شيء أسفل نقطة القطع في مرشح الترددات المنخفضة ضمن نطاق التمرير وكل شيء فوقه يقع داخل نطاق التوقف، ومع مرشح الترددات العالية يكون العكس تماماً حيث يعتبر كل شيء فوق نقطة القطع ضمن نطاق التمرير وكل شيء أدناه يقع ضمن نطاق التوقف.