Tiefpass
Englisch: lowpass
Bezeichnung für einen Filter, eine Schaltung oder ein System, das Frequenzen über einem bestimmten Wert abschwächt oder sperrt, während es darunter liegende Frequenzen passieren lässt.
Tiefpass: die Schaltung, die langsame Signale durchlässt
Ein Tiefpassfilter ist eine elektronische Schaltung, die Signale unterhalb einer gewählten Grenzfrequenz nahezu unverändert passieren lässt, während Signale oberhalb dieser Frequenz zunehmend schwächer werden. Die Grenzfrequenz wird Cutoff-Frequenz genannt. Darüber hinaus steigt die Dämpfung typischerweise um 6 Dezibel pro Oktave bei einem Filter erster Ordnung oder steiler bei höherwertigen Ausführungen. Tiefpassfilter sind in fast jedem Gerät der Industrieelektronik zu finden, das Signale aus der realen Welt verarbeitet oder misst.
Der einfachste Tiefpassfilter ist passiv: ein Widerstand und Kondensator in Reihe (RC-Schaltung). Wenn ein hochfrequentes Signal versucht, durchzugehen, wirkt der Kondensator als Kurzschluss gegen Masse und leitet das unerwünschte Signal ab. In der Industriepraxis benötigt man oft stärkere Filterung, daher bauen Ingenieure aktive Tiefpassfilter mit Operationsverstärkern. Diese können eine Cutoff-Flanke von 12 dB pro Oktave (zweite Ordnung), 18 dB pro Oktave (dritte Ordnung) oder steiler erreichen. Die Wahl hängt davon ab, wie viel Rauschen oder Störung entfernt werden muss, ohne dabei das nützliche Signal zu beeinträchtigen.
Praktische Anwendungen in der Industrie
In Frequenzumrichtern (VFDs) und Motorsteuerungen schützen Tiefpassfilter an den Signaleingängen die Schaltkreise vor elektrischem Rauschen, das durch Schaltnetzteile erzeugt wird. In Datenerfassungssystemen verhindern Tiefpassfilter an analogen Eingängen Aliasing, wenn das Signal in diskreten Intervallen abgetastet wird. In Sensorelektronik für Druck-, Temperatur- und Durchflussmessung glätten Tiefpassfilter hochfrequente Vibrationen und elektrische Störungen, sodass der echte Prozesswert zum Vorschein kommt. Auch Audio-Equipment und Messinstrumente verlassen sich auf Tiefpassfilterung, um das interessierende Signal zu isolieren.
Die Cutoff-Frequenz wird auf Grundlage der Bandbreite des tatsächlich gemessenen Signals gewählt. Wenn Sie Temperaturänderungen messen, die über Sekunden oder Minuten stattfinden, ist eine Cutoff-Frequenz von 1 Hz angemessen. Wenn Sie Vibrationen an Maschinen überwachen, benötigen Sie möglicherweise eine Cutoff-Frequenz von 5 kHz oder höher, um das relevante mechanische Verhalten zu erfassen. Eine zu niedrig gewählte Cutoff-Frequenz entfernt echte Signale; eine zu hoch gewählte lässt Rauschen und Störungen in der Ausgabe.
Tiefpassfilter sind ein Mitglied der Filterfamilie neben Hochpass (der niedrige Frequenzen blockiert), Bandpass (der nur ein Frequenzband durchlässt) und Sperrfiltern (die ein enges Frequenzband blockieren). Der Begriff 'Tiefpass' beschreibt die Funktion unmittelbar: niedrige Frequenzen passieren, hohe Frequenzen nicht. Ingenieure in der Industrie unterscheiden diese Filter nach ihrer Frequenzcharakteristik, Schaltungstopologie und Ordnung, aber die Aufgabe bleibt gleich: Signal von Rauschen nach Frequenz trennen.