Filtro de Choque

Profesor: Gerson Villa González

Filtro de Choque

• En el pasado, el filtro de choque se empleaba frecuentemente para filtrar la salida de un rectificador. Aunque se ha dejado de usar, por razón de su costo, tamaño y peso, este tipo de filtro tiene valor didáctico y ayuda a comprender más fácilmente otros filtros

Idea Básica

• El filtro que se muestra en la Figura 1a se denomina filtro de choque. La fuente alterna produce una corriente en la bobina, condensador y resistencia. La corriente alterna en cada componente depende de la reactancia inductiva, de la reactancia del condensador y de la resistencia. La bobina tiene una reactancia dada por:

2LX fL

• El condensador tiene una reactancia dada por:

• Como se estudio en cursos pasados, la bobina tiene la característica principal de oponerse al cambio en la corriente. Debido a ello, un filtro de choque reduce la corriente alterna en la resistencia de carga a cero. En una segunda aproximación, reduce la corriente por la carga alterna a un valor muy pequeño.

• Descubramos por qué.

1

2CX fC

• El primer requisito de un filtro de choque bien diseñado consiste en que Xc a la frecuencia de entrada sea mucho menor que RL. Cuando esta condición se satisface, podemos ignorar la resistencia de carga y usar el circuito equivalente de la Figura 1b.

a. Filtro de Choqueb. Circuito equivalente en alterna

• El segundo requisito de un filtro de choque bien diseñado consiste en que XL sea mayor que Xc a la frecuencia de entrada.

• Cuando se cumple esta condición, la tensión de salida alterna se aproxima a cero. Por otro lado, como el choque se aproxima a un cortocircuito a 0 Hz y el condensador se asemeja a un circuito abierto a 0 Hz, la corriente continua puede pasar a la resistencia de carga con pocas perdidas.

• En la Figura 1b, el circuito actúa como un divisor de tensión reactivo.

• Cuando XL es mucho mayor que Xc, casi toda la tensión alterna cae a través del choque. En este caso, la tensión de salida alterna es igual a:

Cout in

L

XV V

X

• Por ejemplo, si XL = 10 kf2, Xc = 100 R y Vin = 15 V, la tensión de salida alterna es:

• En este ejemplo, el filtro de choque reduce la tensión alterna por un factor de 100.

10015 0.15

10outV V Vk

Filtrando la salida de un rectificador

• La Figura 2 muestra un filtro de choque entre un rectificador y una carga. El rectificador puede ser del tipo de media onda, onda completa o puente. ¿Que efecto tiene el filtro de choque en tensión de carga? La forma más fácil de resolver este problema consiste en usar el teorema de superposición.

• Recordemos que este teorema dice: si tienes dos o más fuentes, analiza el circuito para cada fuente separadamente y después añade las tensiones individuales para obtener la tensión total.

• La salida del rectificador tiene dos componentes diferentes: una tensión continua (el valor medio) y una tensión alterna (la parte fluctuante), como aparece en la Figura 2. Cada una de estas tensiones actúa como una fuente separada. Por lo que concierne a la tensión alterna, XL es mucho mayor que Xc, y esto resulta en una tensión alterna muy pequeña a través de la resistencia de carga. Incluso aunque la componente alterna no sea una onda sinusoidal, para la ecuación anterior todavía es buena aproximación para la tensión alterna en la carga.

a. Rectificador con filtro de choque

b. La salida del rectificador tiene componentes de alterna y de continua

c. Circuito equivalente de continua

d. La salida del filtro es la corriente directa con un pequeño rizado.

• El circuito funciona como en la Figura 1c en lo referente a la tensión continua. A 0 Hz, la reactancia inductiva es cero y la reactancia capacitiva es infinita. Solo permanecen las resistencias en serie de los enrollamientos de la bobina. Haciendo Rs mucho menor que RL

provoca que la mayor parte de la componente continua aparezca a través de la resistencia de carga.

• Así es como funciona un filtro de choque: casi toda la componente continua se pasa a la resistencia de carga, y casi toda la componente alterna se bloquea. De esta forma, obtenemos una tensión alterna casi perfecta, ya que es prácticamente constante, como la tensión que sale de una bateria. La Figura 1d muestra la salida filtrada para una señal de onda completa.

• La única desviación de una tensión continua perfecta es la pequeña tensión continua alterna en la carga mostrada en la Figura 1d. Esta pequeña tensión alterna en la carga se denomina rizado. Podemos medir su valor de pico a pico con un osciloscopio.

Principal Desventaja

• Una fuente de alimentación es el circuito, dentro de los equipos electrónicos, que convierte la tensión de entrada alterna en una tensión de salida continua casi perfecta. Incluye un rectificador y un filtro. Hoy en día la tendencia es ir hacia fuentes de alimentación de bajo voltaje y corriente grande.

• Como la frecuencia de red es solo de 60 Hz, se tienen que usar inductancias grandes para obtener suficiente reactancia para un filtrado adecuado.

• Pero las bobinas grandes tienen resistencias de enrollamiento elevadas. Todo ello crea serios problemas de diseño con corrientes de carga considerables.

• En otras palabras, cae demasiada tensión continua a través de la resistencia de choque. Además, las bobinas grandes no son adecuadas para los circuitos semiconductores modernos, para los que se pone mucho énfasis en los diseños ligeros.

Reguladores Conmutados

• Existe una aplicación importante para los filtros de choque. Un regulador conmutado es un tipo especial de fuente de alimentación usada en computadoras, monitores y una creciente variedad de equipos. La frecuencia empleada en un regulador conmutado es mucho mayor que 60 Hz. Típicamente la frecuencia que se filtra es por encima de 20 kHz. A esta frecuencia mucho más elevada, podemos usar bobinas más pequeñas para diseñar filtros de choque eficientes.