Il filtro è un circuito che ricevendo in ingresso segnali di frequenze diverse è in grado di trasferire in uscita solo i segnali delle frequenze volute, in pratica seleziona le frequenze che si vogliono. In un filtro la tensione di uscita è sempre inferiore a quella di ingresso, non è infatti un amplificatore, ma la selezione avviene attenuando le frequenze non volute e lasciando inalterate le frequenze volute.
Distinguiamo tre tipi fondamentali di filtro: filtro passa-basso; filtro passa-alto, filtro passa-banda.
Si dice filtro passa basso un circuito che fa passare in uscita solo le frequenze più basse di un'altra prefissata. La frequenza prefissata, che viene scelta a piacere, viene detta frequenza di taglio e la indichiamo con ft. Un tipico circuito passa basso è il seguente:
Possiamo vedere come il condensatore è un componente che conduce molto le alte frequenze mentre attenua e non fa passare le basse frequenze; nel nostro caso, però, il condensatore non è posto in serie tra ingresso e uscita ma in parallelo all'uscita, quindi le altre frequenze vengono messe in corto circuito dal condensatore verso massa, e non le ritroviamo in uscita; mentre in uscita ritroviamo solo le basse frequenze; quindi il filtro si comporta da filtro passa basso.
Per calcolare la frequenza di taglio si usa la seguente formula:
ft = 1/ 2p RC
Se indichiamo con vi la tensione di ingresso e con vu la tensione di uscita il diagramma del filtro al variare della frequenza è il seguente:
Possiamo vedere come a frequenza zero l'uscita assume il massimo valore, cioè vu = vi; in corrispondenza della frequenza di taglio ft l'uscita assume il valore vu = vi/ Ö 2
Si dice frequenza di taglio di un filtro quella frequenza alla quale l'attenuazione del filtro, cioè il rapporto tra tensione di uscita e tensione di ingresso è uguale a 1/ Ö 2,cioè
vu = 1
vi Ö 2
Per frequenze superiori a ft vediamo che la curva scende verso il basso e quindi la tensione in uscita è molto attenuata.
Si dice filtro passa alto un circuito che fa passare in uscita solo le frequenze più alte della frequenza di taglio ft. Un tipico circuito passa alto è il seguente:
Possiamo vedere come il condensatore è un componente che conduce molto le alte frequenze mentre attenua e non fa passare le basse frequenze; nel nostro caso il condensatore è posto in serie tra ingresso e uscita quindi le altre frequenze vengono messe in corto circuito dal condensatore e le ritroviamo in uscita; mentre per le basse frequenze il condensatore si comporta come un circuito aperto, quindi le basse frequenze non riescono a passare; quindi il filtro si comporta da filtro passa alto.
Per calcolare la frequenza di taglio si usa la seguente formula:
ft = 1/ 2p RC
Se indichiamo con vi la tensione di ingresso e con vu la tensione di uscita il diagramma del filtro al variare della frequenza è il seguente:
Possiamo vedere come a frequenza zero l'uscita assume il valore zero; per frequenze inferiori a ft la curva si mantiene molto bassa, quindi le basse frequenze non passano. In corrispondenza della frequenza di taglio ft l'uscita assume il valore vu = vi/ Ö 2
Per frequenze superiori a ft vediamo che la curva va verso il valore massimo vi. Quindi è un circuito passa alto.
Se consideriamo un circuito RLC, come nello schema seguente:
e lo alimentiamo con una tensione alternata avente ampiezza fissa ma frequenza variabile, possiamo notare che il valore della impedenza cambia al variare della frequenza. Infatti la formula del vettore Z, studiata in precedenza, era : Z = R + j (w L - 1/w C) e ricordando che w = 2 p f, si ottiene che al variare di f varia anche w e quindi anche Z. Disegnando, quindi due diagrammi, uno per il modulo di Z cioè Z =Ö R2 + (w L - 1/w C)2 e l'altro per lo la sfasamento j, con la formula j = arctg (w L - 1/w C) / R otteniamo:
Nel diagramma superiore abbiamo rappresentato il modulo al variare della frequenza, partendo da frequenza zero sino alla massima frequenza, cioè infinito µ ; notiamo che a frequenze basse il condensatore si comporta come un circuito aperto, quindi presenta una elevata impedenza e impedisce il passaggio della corrente; contemporaneamente la induttanza si comporta come un corto circuito, mentre il resistore resta costante; il circuito si dice prevalentemente capacitivo. Man mano che aumenta la frequenza si arriva ad una particolare frequenza in cui il condensatore è diventato ormai un corto circuito e l'induttanza inizia a manifestare i suoi effetti; tale frequenza è detta frequenza di risonanza, che indichiamo con f0, tale frequenza è caratteristica del circuito RLC, infatti in corrispondenza di tale frequenza il circuito si comporta come un semplice resistore R, e l'impedenza raggiunge il valore minimo, cioè Z = R, consentendo il massimo passaggio di corrente. La frequenza di risonanza si calcola con la seguente formula:
f0 = 1/ 2p Ö LC
a tale frequenza si ha che w L = 1/w C, cioè la reattanza del condensatore è uguale alla reattanza della bobina, e poiché le due reattanze XL e XC sono uguali e contrarie, i loro effetti si annullano.
Per quanto riguarda lo sfasamento possiamo dire che a frequenze basse lo sfasamento parte da - p /2, alla frequenza di risonanza lo sfasamento è nullo, e ciò costituisce un pregio, in quanto il circuito lo utilizziamo in prossimità della frequenza di risonanza; per frequenze superiori lo sfasamento tende a + p /2.
Volendo ora rappresentare l'andamento della corrente possiamo utilizzare la formula I = V/Z. Tenendo costante la tensione e variando la frequenza da 0 a µ il modulo della corrente ha un andamento del tipo:
Notiamo che la corrente raggiunge il massimo valore I0 in corrispondenza di f0. Prendendo poi sull'asse verticale il punto I0/Ö 2 e tirando una linea orizzontale otteniamo due punti di incontro con il diagramma.; un primo punto in corrispondenza della frequenza f1, ed un secondo punto in corrispondenza della frequenza f2; in corrispondenza di tali frequenze la corrente si è ridotta al valore I0/Ö 2. Tali due frequenze sono quindi delle frequenze di taglio. La prima frequenza f1 la chiamiamo frequenza di taglio inferiore; la seconda f2 la chiamiamo frequenza di taglio superiore. Da tale diagramma possiamo concludere che le frequenze che il circuito lascia passare sono quelle comprese tra f1 ed f2, in pratica il circuito risonante RLC si comporta come un filtro che lascia passare le frequenze comprese tra f1 ed f2. Si dice banda passante l'insieme delle frequenze comprese tra f1 ed f2.In formula B = f2 - f1.