ELECTRONICA ANALOGICA I Ing. Julio M Silva Becheran Tema I: FILTROS PASIVOS RC Y RL Sumario: 1.1.- Conceptos de filtro y diagrama de Bode 1.2.- Tipos de filtros. Filtros pasa bajos. Generalidades sobre los filtros Los filtros encuentran aplicación en numerosos campos de la electrónica, destacando dos especialmente, el de las telecomunicaciones /TV, radio, módem, centrales telefónicas…) y el de la instrumentación electrónica (instrumentación en general, sistemas de adquisición de datos, procesamiento de señales…). El filtrado es una función básica dentro de la cadena de procesado de una señal analógica En la naturaleza, el conjunto de señales que percibimos son analógicas, así la luz, el sonido, la energía etc, son señales que tienen una variación continua. Incluso la descomposición de la luz en el arco iris vemos como se realiza de una forma suave y continúa. Una onda sinusoidal es una señal analógica de una sola frecuencia. Los voltajes de la voz y del video son señales analógicas que varían de acuerdo con el sonido o variaciones de la luz que corresponden a la información que se está transmitiendo. TEORÍA DE FILTROS Un filtro: Un filtro es un dispositivo normalmente de dos puertos, cuya misión principal es seleccionar/rechazar una determinada banda frecuencial deseada/no deseada. En la entrada se introducen señales alternas de diferentes frecuencias y en la salida se extraen esas señales atenuadas en mayor o menor medida según la frecuencia de la señal. Un filtro es un circuito electrónico selectivo de frecuencias. En sentido ideal: ►Transmite desde su entrada hasta su salida todas las señales cuyas frecuencias estén comprendidas dentro de una o más bandasde frecuencias. ►Rechaza las señales cuyas frecuencias no estén comprendidas en dichas bandas. Algunas características fundaméntelas de las filtros son: a) b) c) d) e) f) Pequeño tamaño y peso. Uso en el rango de las frecuencias de audio (20KHz) Valores de resistencias y condensadores razonables a frecuencias muy bajas. Tiene elevadas características de aislamiento. Puede proveer ganancia si se requiere. Tipos de filtros 1. Pasivos. a) Formados exclusivamente por elementos pasivos. b) El módulo de la función de transferencia es normalmente inferior a la unidad (puede ser superior en casos excepcionales). c) Si se conecta una carga a la salida del filtro, el módulo de la función de transferencia es siempre inferior a la unidad. Filtros pasivos Están formados por autoinducciones, capacidades y resistencias. →No tienen ganancia. →Trabajan con frecuencias superiores al Megahercio. →Son voluminosos y caros debido a las autoinduciones. 2. Activos. a) Contienen elementos activos (dispositivos tipo transistor) en su interior, con lo que el módulo de la función de transferencia, b) independientemente de que haya o no una carga conectada a la salida, puede ser superior a la unidad. Están formados por capacidades, resistencias y un elemento activo tal como un amplificador operacional. →Pueden tener ganancia. →No son voluminosos y se pueden integrar en un Chip. → Trabajan con frecuencias inferiores al Megahercio. Según su respuesta en frecuencia, los filtros se pueden clasificar básicamente en cuatro categorías diferentes: a) b) c) d) Filtro pasa bajos. Filtro pasa altos . Filtro pasa banda. Filtro elimina banda: Existe un símbolo para cada uno de estos filtros, símbolo que se usa en los diagramas de bloques de los aparatos electrónicos. Estos símbolos son los siguientes: Algunas definiciones más: Son una definiciones muy sencillas pero necesarias: • Octava : Dos frecuencias están separadas una octava si una de ellas es de valor doble que la otra. • Década: Dos frecuencias están separadas una década si una de ellas es de valor diez veces mayor que la otra. • Frecuencia de corte: Es la frecuencia para la que la ganancia en tensión del filtro cae de 1 a 0.707 (esto expresado en decibelios, dB, se diría como que la ganancia del filtro se reduce en 3dB de la máxima, que se considera como nivel de 0dB). En los filtros pasa banda y elimina banda existirán dos frecuencias de corte diferentes, la inferior y la superior. • Banda de paso: Es el rango de frecuencias que el filtro deja pasar desde la entrada hasta su salida con una atenuación máxima de 3dB. Toda frecuencia que sufra una atenuación mayor quedaría fuera de la banda pasante o de paso. • Banda atenuada : Es el rango de frecuencias que el filtro atenúa mas de 3dB. Orden del filtro De forma sencilla se podría definir así: a) Filtro de primer orden: atenúa 6dB/octava fuera de la banda de paso. a) Filtro de segundo orden: atenúa 12dB/octava fuera de la banda de paso. a) Filtro de tercer orden: atenúa 18dB/octava fuera de la banda de paso. a) Filtro de orden n: atenúa (6n)dB/octava fuera de la banda de paso Ganancia en Tensión: Av = Siendo Vs= Tensión de salida, Ve = Tensión de entrada. 𝑉𝑠 𝑉𝑒 Av (dB) = 20Log 𝑉𝑠 𝑉𝑒 UTILIDAD DE LOS FILTROS Acondicionamiento de la señal de entrada al sistema Eliminar a) interferencias y ruido de las señales procedentes de sensores. b) Limitación del ancho de banda al rango útil del sistema. c) Eliminación de frecuencias superiores antes de la conversión A/D (Anti-aliasing). d) Sintonización de señales útiles (P. ej. demodulación). Por ejemplo, para filtrar el ruido de 50 Hz procedente de la linea eléctrica, el módulo acondicionador genérico SCXI-1120/21 de National Instruments incluye un filtro paso bajo con fc seleccionable mediante jumper (fc=4 Hz ó 10 kHz). Si fc = 4 Hz, se obtienen unos 90 dB de rechazo al ruido de 50 Hz. Acondicionamiento de la señal de salida a) Eliminación de armónicos innecesarios (P. ej. alisado de la salida de los conversores D/A). b) Supresión de ruido e interferencias que halla introducido el sistema.
