Hochpassfilter: Auslegung, Funktion und praktische Anwendungen

Ein Hochpassfilter erfüllt die inverse Funktion eines Tiefpassfilters: Es lässt hochfrequente Signale passieren, während es niederfrequente Anteile dämpft. Die zwei gängigsten Ausführungen – kapazitiv und induktiv – spiegeln ihre Tiefpass-Pendants wider, jedoch mit entgegengesetztem Impedanzverhalten.

Kapazitives Hochpassfilter.

Der kapazitive Widerstand

In einer kapazitiven Hochpassschaltung steigt der kapazitive Widerstand bei fallender Frequenz an (siehe Diagramm unten). Dieser hohe Serienwiderstand blockiert effektiv niederfrequente Energie davon, die Last zu erreichen.

kapazitives Hochpassfilter v1 1 0 ac 1 sin c1 1 2 0.5u rload 2 0 1k .ac lin 20 1 200 .plot ac v(2) .end

Der Frequenzgang des kapazitiven Hochpassfilters steigt mit der Frequenz.

Induktives Hochpassfilter.

Der induktive Widerstand

Ein induktives Hochpassfilter verhält sich gegensätzlich: Der induktive Widerstand fällt mit abnehmender Frequenz und bietet einen niedrigohmigen Shunt, der niederfrequente Signale kurzschließt, bevor sie den Lastwiderstand ansteuern können. Der Großteil der Spannung fällt dann am Serienwiderstand R1 ab.

induktives Hochpassfilter v1 1 0 ac 1 sin r1 1 2 200 l1 2 0 100m rload 2 0 1k .ac lin 20 1 200 .plot ac v(2) .end

Der Frequenzgang des induktiven Hochpassfilters steigt mit der Frequenz.

In der Praxis wird die kapazitive Ausführung oft bevorzugt, da sie nur ein einziges reaktives Bauteil erfordert und eine höhere Reinheit bietet; Spulen neigen bei hohen Frequenzen zu Skin-Effekt und Kernverlusten.

Grenzfrequenz

Wie alle Filter erster Ordnung besitzt ein Hochpassfilter eine charakteristische Grenzfrequenz f_c, bei der der Ausgang 70,7 % (1/√2) des Eingangs beträgt. Für einen kapazitiven Hochpasskreis gilt die Standardformel:

Im obigen Beispiel ist der einzige vorhandene Widerstand der Lastwiderstand (1 kΩ), daher wird dieser Wert in der Berechnung verwendet.

Anwendung von Hochpassfiltern

Betrachten Sie ein Stereosystem: Ein in Reihe geschalteter Kondensator am Hochtöner bildet einen Hochpassfilter, der niederfrequente Bassenergie davon abhält, Leistung an einen Lautsprecher zu verschwenden, der sie nicht wiedergeben kann. Umgekehrt wirkt eine in Reihe geschaltete Spule am Tieftöner als Tiefpassfilter und schützt den Basstreiber vor hochfrequenter Verzerrung. Der Mitteltöner empfängt das volle Audiospektrum. Für eine feinere Aufteilung kann ein Bandpassfilter verwendet werden, um die Mittenfrequenzen ausschließlich dem Mitteltöner zuzuführen.

Hochpass leitet Höhen zum Hochtöner; Tiefpass leitet Bässe zum Tieftöner.

In einem vollständigen Stereosystem werden sechs Treiber eingesetzt: zwei Tieftöner, zwei Mitteltöner und zwei Hochtöner, jeweils gespeist durch entsprechende Filternetze.

ZUSAMMENFASSUNG:

• Ein Hochpassfilter erleichtert den Durchlass hochfrequenter Signale und dämpft niederfrequente Anteile.
• Kapazitive Hochpassauslegungen schalten einen Kondensator in Reihe zur Last; induktive Auslegungen fügen einen Serienwiderstand und eine Parallelspule hinzu, die einen niedrigohmigen Shunt für unerwünschte Frequenzen bildet.
• Die Grenzfrequenz markiert den Punkt, an dem der Ausgang 70,7 % des Eingangs beträgt; oberhalb verbessert sich der Ausgang, unterhalb wird das Signal gedämpft.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Aktive Filter Arbeitsblatt
• Passive Filterschaltungen Arbeitsblatt