Filter (Elektronik)

Wozu benutzt man Filter?

Für Filter gibt es eine ganze Menge Anwendungen.

Als erstes Beispiel nehmen wir uns mal einen Verstärker her, einen einfachen. Einen Transistor in Emitterschaltung zum Beispiel. Am Eingang dieser Schaltung liegt die Basis des Transistors, beschaltet mit einem Vorwiderstand von Vcc aus. Dieser dient dazu, den Arbeitspunkt des Transistors festzulegen und "zieht" die Basis des Transistors zum Beispiel auf 0,70 Volt. Was passiert wenn man nun ein Signal anlegt, beispielsweise ein Audiosignal, welches zwischen 0,1 Volt und -0,1 Volt schwingt? Die Basis wird auf eben diese (im Mittel) 0 Volt heruntergezogen, und der Strom, der eigentlich für die Basis vorgesehen war, fließt nun einfach in die Signalquelle ab.
Hier schafft ein Entkopplungskondensator, den man zwischen Signalquelle und Basis des Transistors schaltet, Abhilfe: Die Spannung zwischen dessen Anschlüssen steigt durch den abfließenden Strom langsam an. Die Spannung an der zum Transistor gewandten Seite steigt also an, und irgendwann ist die Spannung soweit gestiegen, dass durch die Basis des Transistors wieder der entsprechende Strom fließen kann. Durch den Kondensator fließt dann kein Gleichstrom mehr. Die Wechselspannung, in diesem Fall das Audiosignal, wird dagegen durchgelassen. Dabei fließt nämlich während der positiven Halbwelle Strom in die Schaltung herein, bei der negativen Halbwelle des Signals dagegen fließt der Strom wieder heraus. Diese Strompulse sind so kurz, dass der Kondensator seine Spannung dabei kaum ändert, sie werden also fast ungehindert durchgelassen.

Als zweites Beispiel nehmen wir uns nochmal Audio-Kram her: Wir haben nen Tieftöner, den wir an unsere Stereoanlage anschließen wollen. Die tiefen Frequenzen soll er ruhig wiedergeben - die hohen Frequenzen jedoch nicht, denn für die sind die Hochtöner zuständig.
Eine Spule, die hier in Reihe zum Lautsprecher geschaltet wird, erfüllt diese Bedingungen. Wenn ein Signal an die Kombination aus Lautsprecher und Spule angelegt wird, steigt der Strom, bedingt durch die Induktivität der Spule, nur langsam an. Bei tiefen Frequenzen fällt das kaum auf, denn eine Halbwelle ist lang genug, um den Strom durch den Lautsprecher und die Spule zu erhöhen. Bei hohen Frequenzen dagegen sind die Halbwellen so kurz, dass sich kein nennenswerter Stromfluss einstellen kann - die Signale werden von der Spule blockiert.

Zur Glättung von Spannungen und / oder Strömen werden auch Filter eingesetzt. Eine Kombination aus Spule und Kondensator (LC-Filter) setzt man beispielsweise häufig vor der ADC-Versorgung von Mikrocontrollern ein. Diese Filter filtern doppelt: Wenn die Versorgungsspannung plötzlich leicht abfällt, ändert sich zunächst der Strom in der Spule, aber wie gesagt wurde, durch die Induktivität verlangsamt. Wenn der Strom etwas abgefallen ist, wird das zweite Filterelement - der Kondensator - aktiv, denn durch ihn muss zuerst ein Strom fließen, damit sich die Spannung am Ausgang der Schaltung ändern kann.

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• Phantomspeisung (gecancelt: Gebräuchliche Systeme wie PoE brauchen dafür afaik keine echten Filter.)

Arten von Filtern

Nun gibt es aber zig verschiedene Möglichkeiten, Filter aufzubauen, noch dazu ist jede nur für spezielle Anwendungen geeignet.
Man unterteilt Filter zunächst in aktive Filter und passive Filter: Passive Filter sind solche, die nur aus passiven Bauteilen bestehen. Dazu gehören die oben angesprochenen Kondensatoren, Spulen und Widerstände, aber auch Quarze. Aktive Filter enthalten als aktive Komponente meist einen Operationsverstärker. Der Vorteil liegt auf der Hand: Der Ausgang des OpAmps ist auch der Ausgang des Filters, der damit auch ruhig bis einige Milliampere belastet werden kann - bei passiven Filtern ist dies meistens nicht ohne weiteres möglich, die Ausgangsspannung würde sich dabei ändern. Der Nachteil sollte auch klar sein: Ein OpAmp, und jede andere aktive Komponente auch, braucht ne Versorgungsspannung. Für eine Frequenzweiche in einer passiven Standbox (d.h. der Verstärker ist nicht integriert) sind aktive Filter dadurch ungeeignet.

Weiterhin unterscheidet man Filter nach verschiedenen Ordnungen. Die Ordnung spiegelt dabei die Anzahl der frequenzabhängigen Bauteile wieder. Ein Filter höherer Ordnung, beispielsweise die oben beschriebene Kombination aus Spule und Kondensator, hat eine bessere Trennschärfe. Das bedeutet, dass der Abstand zwischen Frequenzen, die durchgelassen werden, und Frequenzen, die gesperrt werden, kleiner ist. Nun, im Grunde wird jede Frequenz zwar noch irgendwie durchgelassen, jedoch immer stärker abgeschwächt - aber dazu später.

Zuletzt unterteilt man Filter noch in verschiedene Charakteristiken, namentlich Tiefpässe, Hochpässe, Bandpässe und Bandsperren.

• Tiefpässe lassen tiefe Frequenzen durch und sperren hohe Frequenzen. Eine typische Anwendung wäre die Glättung eines Signals mithilfe einer Kombination aus Spule und Kondensator.
• Hochpässe machen das Gegenteil: Sie sperren tiefe Frequenzen und lassen hohe Frequenzen durch. Beispiele wären eine Gleichspannungsentkopplung oder eine Frequenzweiche für einen Hochtonlautsprecher.
• Bandpässe sperren hohe und tiefe Frequenzen - Ein bestimmter Frequenzbereich wird jedoch durchgelassen. Eine Anwendung hierfür wäre eine Frequenzweiche vor einem Mitteltöner (Sorry für die ganzen Beispiele aus dem Audiobereich, fällt vielleicht wem was besseres ein? Passiv-PFC würde mir einfallen, würde aber ne längere Erläuterung notwendig machen.)
• Bandsperren sind das Gegenstück zu den Bandpässen: Hohe und tiefe Frequenzen werden durchgelassen, ein bestimmter Frequenzbereich wird gesperrt

Wie man sieht, sind die Bezeichnungen so gut wie selbsterklärend.

Realisierung

Passiv

• Passiv 1.Ordnung: Tiefpässe, Hochpässe, (Bandpass und Bandsperre) <- letztere sind genaugenommen Filter 2.Ordnung, ich würde die trotzdem als Filter 1. Ordnung einstufen
• Passiv 2.Ordnung: Güte, Bessel, Butterworth, Chebyshev

Aktiv

• Aktiv 1.Ordnung: Integrator, Differentiator