Filtreler

FİLTRELER

İnsan zihni aynı anda sadece bir noktaya konsantre olabilmektedir. Çevremizde ne kadar çok uyarıcı olsa da kişi sadece bir noktaya dikkatini verebilmektedir. Elektronik sistemlerde çevrede ne kadar çok sinyal veya giriş bilgisi olsa da sistemler sadece bir tanesiyle işlem yapacak şekilde düzenlenmiştir.
Bu tek bir sinyali geçirme işlemine filtre (süzme) işlemi denilmektedir. Doğrultma ve Filtre Devreleri modüllerinde olduğu gibi filtre devreleri istenmeyen sinyali engellemektedir. Sadece sistemin çalışmasına uygun olan sinyalleri geçirmektedir. Bu istenmeyen sinyaller parazit, gürültü ve diğer sistem sinyalleri olabilir.
En basit tanımıyla elektronik filtre farklı frekanslara sahip sinyallerden kimilerini geçirip kimilerini bastıran bir devredir.
Teorik olarak seçilen filtre belirli frekans aralıklarını net bir şekilde süzebilmektedir.Fakat pratikte,hiçbir uygulanabilir frekans seçici devre seçilen frekansları mükemmel ve tamamen süzemez. Daha ziyade filtreler,belirli bir frekans bandı dışında frekans içeriğine sahip herhangi bir giriş sinyalini zayıflatır.(Etkisini azaltır veya söndürür.)

Kullanım Amaçları:

Filtre devreleri, haberleşme sistemlerinin en önemli elemanlarından biri, belirli bir frekans bölgesinde istenilen bir zayıflama ya da geciktirme karakteristiğini sağlayan devrelerdir.
Hemen hemen haberleşme sistemlerinin tümünde bulunan filtreler, belli bir frekans bandının geçmesine izin verirken bu bant dışında kalan frekansların ise zayıflatılmasını sağlar ve bu amaç için tasarlanır.

Yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi havada bulunan elektronik sinyaller çok çeşitlidir. Bu da bir sinyal karmaşasına sebep olmaktadır. Elektronik bir cihaz bu sinyallerin hepsini algılamakta fakat bir tanesi ile çalışmaktadır. Diğerleri sistemi bozmakta veya olumsuz etkilere sebep olmaktadır. Filtre devreleri, burada devreye girmektedir.
Bir örnek vermek gerekirse:

Antenden gelen sinyallerin tümü filtre devresine girdikten sonra filtre devresi sadece gerekli olan sinyali geçirir ve bunu sisteme iletir ve sistem bu sinyale göre çalışır.

Filtrelerin Kullanım Alanları:

Filtre yapılarına geçmeden önce çok geniş kullanım alanlarına sahip olan süzgeçlerin ne tür uygulamalarda karşımıza çıkabileceklerinden bahsedelim. Süzgeçler genellikle doğru bileşenlerin süzülmesinde, gürültü azaltmada, rezonanstan kaçınmada veya rezonans oluşturmada, işaret biçimlendirmede, işaret zayıflatmada ve güç faktörü düzeltmede kullanılırlar.
Elektrik elektronik sistemlerde çok önemli elemanlar olan süzgeçler özellikle radyo, televizyon, ses, resim, ve data haberleşmesinde gerekli devrelerdir. Örneğin süzgeçler, telefon devreleri için olmazsa olmaz devre yapılarıdır, telefon devreleri süzgeçsiz gerçekleştirilemezler. Kuranportörlerde, ses ve hi-fi sistemlerde ve elektronik müzik uygulamalarında önemli işlevleri vardır. Ayrıca sismoloji, jeofizik, tıbbi elektronik, beyin dalgaları ve uzaktan ölçüm gibi birçok bilimsel araştırma konusunda da çok önemli işlevleri mevcuttur.

Filtrelerin Sınıflandırılması:

Sinyallerin bu kadar çeşitli olduğu elektrik-elektronikte bu sinyallerin ayıklanması içinde değişik filtre çeşitleri mevcuttur. Filtrelerin sınıflandırılmasında değişik kıstaslar vardır. Bunlar:
1) Yapım elemanlarına göre(pasif filtreler, aktif filtreler)
2) Çalışma prensibine göre(alçak geçiren filtre, yüksek geçiren filtre, bant geçiren filtre, bant durduran filtre)
Pasif devreler direnç, kondansatör ve indüktör (bobin) gibi temel devre elemanlarıyla oluşturulurlar. Aktif devreler ise çalışması için bir güç kaynağına gerek olan devrelerdir. Bu gibi devrelerde transistör ya da mikroişlemci gibi devre elemanları bulunur. Ama bu tür devrelerde de süzme işini yapan elemanlar pasif elemanlardır.
Belirlenen frekansın altındaki frekansları geçirip üstündekileri zayıflatıyorsa “alçak geçiren filtre”, üstündekileri geçirip altındaki frekansları zayıflatıyorsa “yüksek geçiren filtre” denir. Belirli bir frekans aralığındaki frekansları geçiriyorsa “bant geçiren filtre”, frekans aralığını zayıflatıyorsa “bant durduran filtre” adı verilir

Pasif Filtreler:

En basit filtreler bir direnç ve bir reaktif eleman kullanılarak yapılan tek kutuplu filtrelerdir. Özellikle RC filtreler gerek alçak geçiren ve gerekse yüksek geçiren filtre olarak yaygın olarak kullanılır. Kondansatörün yüksek frekansta kısa devre gibi alçak frekansta ise açık devre gibi davrandığı göz önüne alınırsa kondansatörün paralel ya da seri kolda yer almasının filtrenin özelliklerini ortaya koyduğu da görülür.
Şayet kondansatör paralel kolda ise yüksek frekanslı sinyaller topraklanır yani bastırılmış olur. Alçak frekanslı sinyaller ise kondansatörün varlığından etkilenmez. Bu alçak geçiren filtredir.Seri RL devresinde çıkışı direnç üstünden alarak da alçak geçiren filtre yapılabilir fakat burada RC alçak geçiren filtre örneğini vereceğim.

-Paralel kondansatör(pasif alçak geçiren filtre)-

Alçak geçiren filtre frekans-gerilim eğrisi-
Kondansatör seri kolda ise alçak frekanslı sinyaller açık devre olan kondansatörden geçemezken yüksek frekanslı sinyaller kısa devre olan kondansatörden geçer. Bu da yüksek geçiren filtredir.Yine aynı şekilde seri RL devresinde çıkışı indüktör üzerinden alarak da yüksek geçiren filtre yapılabilir.

-Seri kondansatör (pasif yüksek geçiren filtre)-

-Yüksek geçiren filtre frekans-gerilim eğrisi-
Bant geçiren filtre için alçak ve yüksek geçiren iki filtre seri olarak bağlanır. Bant durduran filtre ise alçak ve yüksek geçiren filtrelerin paralel bağlanarak seri kola bağlanması ile elde edilir.

-Pasif Bant geçiren filtre-

-Pasif Bant geçiren filtre frekans-gerilim eğrisi-

-Pasif Bant durduran filtre frekans-gerilim eğrisi-

Aktif Filtreler:

Aktif filtreler, aktif bir devre elemanı (opamp, transistör gibi) kullanılarak elde edilen filtrelerdir. Bobine ihtiyaç duyulmaz. Kesim frekansları nispeten daha kolay hesaplanır ve hesaplanan değerler daha tutarlı olur. Teorik pratiğe döküldüğünde hata miktarı daha az olur.
Aktif filtrelerin pasif filtrelere nazaran bazı avantaj ve dezavantajları vardır. Bunlar aşağıda sıralanmıştır:
 Aktif filtre tasarımında bobin (self) elemanı kullanılmaz. Bu nedenle tasarımı kolay ve ucuzdur.
 Aktif filtre devrelerinin çıkış empedansı çok düşük, giriş empedansı ise oldukça yüksektir. Bu nedenle, aktif filtrelerin girişlerine veya çıkışlarına bağlanacak devre veya devre elemanlarının etkilenmesi söz konusu değildir.
 Aktif filtrelerde, filtrenin geçirgen olduğu frekanslarda herhangi bir zayıflatma olmaz. Çünkü aktif filtre tasarımında kullanılan opamp, filtre edilen işaretleri yükselterek çıkışına aktarabilir.
 Pasif filtreler herhangi bir besleme gerilimine gereksinim duymaz fakat aktif filtrelerin her zaman besleme gerilimine gereksinimleri vardır.
 Aktif filtre tasarımında kullanılan opampların bant genişlikleri sınırlı olduğundan her frekansta aktif filtre tasarlamak oldukça zordur.
Aktif filtre devrelerinde entegre üretim teknolojisinden kaynaklanan sınırlamalar nedeniyle self (bobin) elemanı kullanılamaz. Bu eleman yerine negatif empedans dönüştürücülerden yararlanılarak kondansatörden self elde edilebilir.
 Daha düşük maliyettedir. Aktif filtreler düşük frekanslı pasif filtreler için gerekli olan büyük indüktör ve kapasitörlere duyulan ihtiyacı ortadan kaldırır.

Alçak Geçiren Filtreler:

Alçak geçiren filtre yapısında kesim frekansından (fc) daha küçük frekanslarda sabit bir kazanç vardır (genellikle birim kazanç). Kesim frekansında, alçak frekans kazancı 3dB(çıkış gücünün yarıya düştüğü değer) azalır. Kesim frekansından (fc) yüksek frekanslar bant söndürme frekansı, fc‟den küçük frekanslar ise bant geçirme frekansıdır. Bant söndürme frekansında kazanç oldukça azalır.

Kesim frekansı, f=1/2πCR2 dir.
-Op-amp’lı aktif alçak geçiren filtre-

-Alçak geçiren filtre frekans-kazanç eğrisi-

Yüksek Geçiren Filtreler:

Yüksek geçiren filtre yapısında kesim frekansından (fc) daha büyük frekanslarda sabit bir kazanç vardır (genellikle birim kazanç). Kesim frekansında, yüksek frekans kazancı 3dB azalır. 0 Hz ile kesim frekansı (fc) arasındaki frekanslar bant söndürme frekansı, fc‟den büyük frekanslar ise bant geçirme frekansıdır. Bant söndürme frekansında kazanç oldukça azalır.(İhmal edilebilicek boyutlara indirgenir.)

Kesim frekansı, , f=1/2πCR2 dir.
-Op-amp’lı aktif yüksek geçiren filtre-

-Yüksek geçiren filtre frekans eğrisi-

Bant Geçiren Filtreler:

-Bant geçiren devre blok şeması-
İdeal bir bant geçiren filtre alt kesim ve üst kesim frekansları arasında kazancı yüksek, bunun dışındaki frekanslarda kazancı oldukça düşüktür. Bant geçiren filtreler alçak geçiren ve yüksek geçiren filtrelerin seri bağlanmasıyla elde edilir. Alt ve üst kesim frekansları ayrı ayrı hesaplanır. Aradaki değer ise sistemin bant genişliğini verir