Facultad de Ingeniería

Practica 9Diseño de Filtros Activos

Materia:Laboratorio de Electrónica 3

ProfesorIng. Alonso Hurtado

AlumnoMartínez Ortega Edgar Tomas

Matricula177033

Mexicali, Baja California, lunes, 10 de abril de 2023

Filtro analógicoLos filtros analógicos al igual que cualquier otro tipo de filtro, discriminan lo que pasa a su través atendiendo a algunas de sus características.Al tratarse de filtros electrónicos lo que pasa a su través son señales eléctricas que, en el caso de los filtros analógicos, obviamente, son señales analógicas.

El parámetro por el que suelen discriminar es la frecuencia.

Tipos de filtros

Hay distintos tipos de clasificación de filtros.

Atendiendo a la ganancia: o Filtros pasivos: los que atenuarán la señal en mayor o menor

grado. Se implementan con componentes pasivos como condensadores, bobinas y resistencias.

o Filtros activos: son los que pueden presentar ganancia en toda o parte de la señal de salida respecto a la de entrada. En su implementación suelen aparecer amplificadores operacionales.

Atendiendo a su respuesta en frecuencia: o Filtro paso bajo: Es aquel que permite el paso de frecuencias

bajas, desde frecuencia 0 o continua hasta una determinada. Presentan ceros a alta frecuencia y polos a bajas frecuencia.

o Filtro paso alto Es el que permite el paso de frecuencias desde una frecuencia de corte determinada hacia arriba, sin que exista un límite superior especificado. Presentan ceros a bajas frecuencias y polos a altas frecuencias.

o Filtro paso banda: Son aquellos que permiten el paso de componentes frecuenciales contenidos en un determinado rango de frecuencias, comprendido entre una frecuencia de corte superior y otra inferior.

o Filtro elimina banda: Es el que dificulta el paso de componentes frecuenciales contenidos en un determinado rango de frecuencias, comprendido entre una frecuencia de corte superior y otra inferior.

o Filtro multibanda: Es que presenta varios rangos de frecuencias en los cuales hay un comportamiento diferente

o Filtro variable: Es aquel que puede cambiar sus márgenes de frecuencia

Atendiendo al método de diseño:

o Filtro de Butterwortho Filtro de Chebyshov I y Filtro de Chebyshov IIo Filtro de Cauer (elíptico)o Filtro de Bessel

Atendiendo a su aplicación: o Filtro de red. Este tipo de circuito impide la entrada de ruido

externo, además impide que el sistema contamine la red, de tal forma que se pueden utilizar fuentes analógicas y digitales o fuentes PWM que afecten negativamente el resto del equipo. También es posible corregir el factor de potencia ya que el circuito reduce significativamente los picos de corriente generados por el condensador al cargarse. El circuito consiste básicamente en un filtro paso bajo en donde la primera bobina elimina ruido en general (frecuencias altas), junto con los condensadores. El transformador elimina el ruido sobrante, que los condensadores no eliminan. Al transformador se le denomina choque de modo común. Son los utilizados para garantizar la calidad de la señal de alimentación, éstos tienen como objetivo eliminar ruidos tanto en modo común como en modo diferencial.

Otros tipos: o Filtros piezoeléctricos. Este filtro aprovecha las propiedades

resonantes de determinados materiales como el cuarzo. Este cristal de cuarzo se utiliza como componente de control de la frecuencia de circuitos osciladores convirtiendo las vibraciones mecánicas en voltajes eléctricos a una frecuencia específica. Esto ocurre debido al efecto piezoeléctrico. En un material piezoeléctrico, al aplicar una presión mecánica sobre un eje, dará como consecuencia la creación de una carga eléctrica. En algunos materiales, se encuentra que aplicando un campo eléctrico según un eje, produce una deformación mecánica según otro eje ubicado a un ángulo recto respecto al primero. Por las propiedades mecánicas, eléctricas, y químicas, el cuarzo es el material más apropiado para fabricar dispositivos con frecuencia bien controlada. También existen filtros como el de ferrita que existe en muchos cables. Es normal encontrárselos en las pantallas del computador. Aquí se tiene la propiedad de presentar distintas impedancias a alta y baja frecuencia.

o Filtros atómicos

Filtros activos

Como ya se sabe, entre las características que determinan a una señal eléctrica se encuentra la frecuencia.  En muchos casos, en la práctica, a través de un circuito, puede pasar más de una señal eléctrica, es decir, pueden pasar señales eléctricas con distinta frecuencia; sin embargo, se puede dar el caso de que en determinadas circunstancias solo interesa única y exclusivamente una de las señales que pueden circular por el circuito.  Esta "selección" de una señal eléctrica según la frecuencia que tenga es lo que hacen los filtros.

Al principio, los filtros estaban compuestos únicamente por elementos pasivos, es decir, resistencias, condensadores e inductancias.  Sin embargo, la aparición del amplificador operacional ha traído consigo una mejora notable en la fabricación de los filtros, ya que se ha podido prescindir de las inductancias.  La mejora conseguida con el cambio de inductancias por amplificadores operacionales es apreciable en lo que se refiere a respuesta, aprovechamiento de la energía (menor disipación), tamaño y peso, ya que las inductancias no se pueden integrar en un circuito y, por tanto, son elementos discretos con un tamaño considerable. Como desventajas de estos filtros (filtros activos RC) frente a los filtros fabricados con elementos pasivos (filtros RLC) están las limitaciones en los niveles de tensión y corriente y los efectos parásitos inducidos por los elementos activos, como por ejemplo la tensión de desplazamiento en corriente continua a la salida, la corriente de polarización en la entrada, etc.  Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones que se dan a los filtros, las ventajas de los filtros activos RC sobre los pasivos RLC son más numerosas; de ahí que estén tomando una importancia cada vez mayor en el campo de la ingeniería.  Los filtros activos son circuitos compuestos por resistencias, condensadores y amplificadores operacionales, cuya finalidad es dejar pasar a través de ellos las frecuencias para las que han sido diseñados, eliminando por tanto el resto de las frecuencias que no interesan.  Esto se consigue atenuando o incluso llegando a anular aquellas cuya frecuencia no está en el margen de frecuencias admisible.

Existen básicamente cuatro tipos de filtros, que son: filtros pasa-bajas, pasa-altas, pasa-banda y filtros supresores de frecuencias o rechaza-banda.

Los filtros pasa-bajas son aquellos que permiten el paso de las frecuencias bajas; los pasa-altas, por el contrario, sólo permiten el paso de frecuencias altas a través de ellos; a continuación están los filtros pasa-banda que solamente permiten el paso de un determinado rango de frecuencias.

Un filtro pasa-bajas sólo permite el paso de señales con frecuencias menores a f1

Un filtro pasa-altas sólo permite el paso de señales con frecuencias mayores a f1

En un filtro rechaza banda,  las señales con frecuencias comprendidas entre f1 y f2 son las únicas que pasan

El rango de los filtros pasa-banda evidentemente dependerá de los elementos utilizados en su construcción y por tanto se podrán seleccionar según sea más conveniente.

Por último los filtros supresores de frecuencias, como su nombre indica, son capaces de atenuar o incluso eliminar frecuencias concretas.

En un filtro rechaza-banda,  las señales con frecuencias comprendidas entre f1 y f2 son las únicas que no pasan

El uso de los filtros se ha incrementado considerablemente en estas dos últimas décadas hasta el punto de existir volúmenes enteros dedicados a ellos.

Esquema de un filtro pasa-banda

Como muestra puede verse un filtro activo pasa-banda básico. Los valores de los condensadores y de las resistencias, así como las características del amplificador operacional utilizado son las que van a determinar el margen de frecuencias que pueden pasar por el filtro.

Butterwoth 6dB/octava Pasa-altos

Según la frecuencia de paso o  frecuencia de corte (Fc) utilice estas formulas:

C = 4'7nf - 10nf R = 1'000 / (2 * pi * Fc * C)

Unidades: R [Ohm], Cx [Faradios], Fc [Hz] 

Butterwoth 6dB/octava Pasa-bajos 

Según la frecuencia de paso o  frecuencia de corte (Fc) utilice estas formulas:

R = 4'7K - 10KOhm C = 1'000 / (2 * pi * Fc * R)

Unidades: R [Ohm], Cx [Faradios], Fc [Hz]

Circuitos:

Filtro Pasa Bajas

Fc= 500 Hz

Circuito simulado de un filtro pasa bajas

Datos obtenidos

En esta imagen se pone una frecuencia de 100 Hz con un voltaje de 4 Vpp y su respuesta es casi la misma un voltaje de 3.92 Vpp.

En esta imagen se pone una frecuencia de 500 Hz con un voltaje de 4 Vpp y su respuesta es por lo casi de la mitad del voltaje de entrada se obtiene un voltaje de 2.8 Vpp.

En esta imagen se pone una frecuencia de 1 KHz con un voltaje de 4 Vpp y su respuesta es un voltaje muy reducido es un voltaje de 1.75 Vpp.

Filtro Pasa Altas

Fc= 500 Hz

Circuito simulado de un filtro pasa altas

Resultado obtenidos

En esta imagen se pone una frecuencia de 100 Hz con un voltaje de 4 Vpp y su respuesta es una señal de salida muy pequeña de 756mV.

En esta imagen se pone una frecuencia de 500 Hz con un voltaje de 4 Vpp y su respuesta es por lo casi de la mitad del voltaje de entrada se obtiene un voltaje de 2.45 Vpp.

En esta imagen se pone una frecuencia de 100 Hz con un voltaje de 4 Vpp y su respuesta es casi la misma un voltaje de 3.57 Vpp.

Conclusión

Como podemos observar en este tipo de filtros pasa altas y bajas ambos dan la mitad de su voltaje en su frecuencia de corte, cada uno con sus propiedades uno mientras mas pequeña es su frecuencia, su voltaje da muy parecido a su voltaje de entrado en el pasa bajas, caso contrario en el pasa altas. Y mientras grande se la frecuencia claro sin pasarte de la frecuencia que soporta el operacional su respuesta es muy parecida al voltaje de entrada en el pasa altas, caso contrario en el pasa bajas.