domingo, 20 de noviembre de 2011

Filtros activos:

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Introducción:
 Los filtros a principios del siglo 20  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, dispositivos útiles en ciertos casos pero de difícil construcción. 
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. 
 Los filtros activos son circuitos compuestos por resistencias, condensadores y amplificadores operacionales o cualquier otro elemento amplificador , 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 están en el margen de frecuencias admisible y añadiendole una ganancia a las frecuencias que deja pasar el filtro..
Filtros Pasivos RC:
Pasa Altos

Pasa Bajos ,(ambos 1er.Orden)


  Los filtros son circuitos capaces de controlar las frecuencias que se envían a través del mismo, permitiendo o no el paso de éstas dependiendo de su valor. Un filtro activo puede presentar ganancia en toda o parte de la señal de salida respecto a la señal de entrada. En su implementación se combinan elementos activos y pasivos, siendo frecuente el uso de amplificadores operacionales, que permite obtener resonancia y un elevado factor Q sin el empleo de bobinas.
Las características que determinan a una señal eléctrica se encuentran 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. Una de las principales formas de analizar el comportamiento en frecuencia de distintos circuitos, como así también comparar ventajas y desventajas entre distintos filtros es forma teórica primeramente y de ser necesario en forma práctica o simulado de forma virtual con una computadora y programa especializado.

 
Filtros activos: 
 Un filtro activo es aquel  puede presentar ganancia en toda o parte de la señal de salida respecto a la señal de entrada (dependiendo del diseño usado). En su implementación se combinan elementos activos y pasivos, siendo frecuente el uso de amplificadores operacionales, que permite obtener resonancia y un elevado factor Q sin el empleo de bobinas facilitando su rápida construcción . El proceso de diseño de un filtro empieza cuando el diseñador o  usuario del filtro especifica las curvas características de transmisión requeridas del filtro. 


Utilidad: calculo-filtros.rar
Download link: http://www.mediafire.com/file/ffq2qyhr6sw106z



 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 y que de otra manera pudiesen generar inestabilidad al circuito. Esto se consigue atenuando o incluso llegando a anular aquellas cuya frecuencia no está en el margen de frecuencias admisible.Los filtros activos de primer orden constan de un arreglo RC (resistencia-capacitor) en la entrada del circuito,donde el capacitor en este caso en particular se encuentra paralelo a la misma,por tanto se trata de un filtro pasabajo,ya que las altas frecuencias se dirigen hacia tierra.

Filtro pasa bajos con operacional :
El arreglo de resistencias Rf/Rx controla la ganancia de voltaje“Av” y la frecuencia de corte “fc” del filtro se calcula como se muestra.Los filtros activos de primer orden constan de un arreglo RC (resistencia-capacitor) en la entrada del circuito,donde el capacitor en este caso en particular se encuentra paralelo a la misma,por tanto se trata de un filtro pasabajo,ya que las altas frecuencias se dirigen hacia tierra.Procedimiento:Se le asigna un valor a Rf o a Rx y en la otra sección donde esta R y C  se despeja y se repite el procedimiento ,valores conocidos Fc(frecuencia de corte) ,la constante Pi,puede asignarsele un valor a R y despejar C .

Pasa Bajo de 1er Orden:




















Pasa Altos de 1er. Orden:

Pasa Altos de Segundo Orden:


Pasa Altos de 3er. Orden:



 Interferencia :
Con este fenómeno, un circuito electrónico, generalmente un amplificador, es afectado
repentinamente por las señales de radio exteriores indeseadas fuertes.El papel del filtro seria precisamente bloquear el ingreso de la señal no deseada al sistema.




Ventajas de los Filtros Activos:
– Además de filtrar pueden amplificar.
– Adaptación de impedancias.
– Podemos controlar otros parámetros como el factor
de calidad, selectividad, tipo de filtro, etc.
– Existen muchos montajes distintos para la
realización de filtros similares.
Etapas para el diseño de un filtro:
El diseño de un filtro puede dividirse en cinco etapas:

a) Planteo: descripción informal del problema
b) Especificación: reformulación del problema en términos de una serie de parámetros
cuantitativos característicos.
c) Aproximación: obtención de una función de atenuación que satisfaga los parámetros
especificados.
d) Síntesis: obtención de un circuito que realice la función obtenida en la etapa de
aproximación.
e) Verificación: Confirmación del cumplimiento de las especificaciones
 


Características:
 Basicamente debe conocerse:Ancho de banda,ganancia ,frecuencia de corte y  el factor de calidad.

·        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. Cálculo:
 
·        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 más de 3dB.
·        Orden del filtro: De forma sencilla se podría definir así,
·        Filtro de primer orden: atenúa 6dB/octava fuera de la banda de paso.
·        Filtro de segundo orden: atenúa 12dB/octava fuera de la banda de paso.
·        Filtro de tercer orden: atenúa 18dB/octava fuera de la banda de paso.

Clasificación de los filtros.


Los filtros electrónicos son circuitos capaces de discriminar frecuencias. Esto quiere decir que Actúan de modo distinto para señales oscilantes a diferentes frecuencias pudiendo modificar tanto su amplitud como su fase.Existen diferentes tipos de circuitos que se clasifican por su comportamiento a la salida del mismo, ante una señal a la entrada, o por sus elementos constitutivos. Dentro de la clasificación por su respuesta a distintas frecuencias en la entrada de estos circuitos:



Filtro pasa bajos:
Es aquel que permite el paso de frecuencias bajas, desde frecuencia 0 o continua hasta una determinada zona del circuito. Presentan ceros ideales  a alta frecuencia y polos a bajas frecuencia. El filtro pasa bajo, como su nombre lo indica, permite el paso de las frecuencias bajas y restringe las frecuencias altas. Sin importar las  frecuencias que entren, solo saldrán las frecuencias que permita pasar el filtro.
 Filtro pasa altos:
 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 (idealmente) a bajas frecuencias y polos a altas frecuencias.muy útil en audio analógico en combinación con el de pasabajos y el de  frecuencias intermedias.
Filtro pasa 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.
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.
Filtro multibanda:
 Es que presenta varios rangos de frecuencias en los cuales hay un comportamiento diferente. permite ecualizar señales de forma individual y especifica.
Filtro variable:
Es aquel que puede cambiar sus márgenes de frecuencia también se le conoce como filtro regulable. En cuanto a la clasificación de los filtros de acuerdo a sus componentes constitutivos se encuentran:
Filtro pasivo:
Conformado por elementos pasivos tales como resistencias, bobinas y capacitores.
Filtro activo:
Conformado por elementos tanto pasivos como activos (transistores, amplificadores operacionales, etc.) que pueden presentar una ganancia diferente para las distintas frecuencias en la señal de entrada.

Los filtros activos  de primer orden:
Al filtro se le introducen  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. Si el circuito del filtro está formado por resistencias, condensadores y/o bobinas (componentes pasivos) más un componente amplificador como un transistor o un amplificador operacional  el filtro se dirá que es un filtro activo .Por otro lado, como de cada tipo de filtro existe un esquema básico que lo implementa y además es posible conectarlos en cascada (uno a continuación del otro), si el circuito del filtro está formado por el esquema o célula básica se dirá que es de primer orden. Será de segundo orden si está formado por dos células básicas, de tercer orden si lo esta por tres, etc. Filtro de primer orden: atenúa 6dB/octava fuera de la banda de paso.

Filtro Butterworth:
El filtro de Butterworth es uno de los filtros electrónicos más sencillos, creado de tal forma que pueda  producir la respuesta más plana que sea posible hasta la frecuencia de corte. En otras palabras, la salida se mantiene constante casi hasta la frecuencia de corte, luego disminuye a razón de 20n dB por década, donde n es el número de polos del filtro.

Entre sus principales características:
• Máximamente plano en la BP
• Transición lenta entre la BP y la BP
• Fase No lineal
En su descripción más aceptada el filtro de Butterworth más básico es el típico filtro pasa bajo de primer orden, el cual puede ser modificado a un filtro pasa alto o añadir en serie otros formando un filtro pasa banda o elimina banda y filtros de mayores órdenes adaptándose de manera efectiva a las necesidades de diseño.

Filtro Chebyshev:
El filtro  Chebyshev consigue una caída de la respuesta en frecuencia  en forma más pronunciada en frecuencias bajas debido a que permiten rizado en alguna de sus bandas (paso o rechazo). A diferencia del Filtro de Butterworth donde los polos se agrupan o distribuyen  sobre una circunferencia, los polos del filtro Chebyshev lo hacen sobre una elipse; sus ceros se encuentran en el eje imaginario.
Se conocen dos tipos de filtros Chebyshev, dependiendo del rizado en alguna banda determinada:

Filtros de Chebyshev de tipo I
Son filtros que únicamente tienen polos, presentan un rizado constante en la banda pasante y presentan una caída monótona en la banda de rechazo.


Filtros de Chebyshev de tipo II:

Lo que los diferencias  de los Chebyshev I presentan ceros y polos, su rizado es constante en la banda de rechazo y además presentan una caída monotónica en la banda pasante.







Respuesta en la  salida de filtros comunes:



 
Respuesta Butterworth:

Conclusión:
El diseño de filtros activos con amplificadores operacionales y componentes discretos es relativamente sencillo y con aceptable precisión, ya que los resultados ideales y los obtenidos son muy cercanos (error menor al 6% +/-), no obstante para aplicaciones en las que se requiera que las frecuencias de corte sean idénticas a las calculadas, se deben utilizar componentes de precisión, que no alteren significativamente los valores calculados, a las frecuencias de trabajo. Los diferentes tipos de filtros se implentan debido a la necesidad de crear un control y administración de las frecuencias que puedan ingresar o no  a las diferentes etapas del mismo.
Si comparamos  los filtros analógicos   el  filtro Chebyshev y Butterworth :el  filtro Chebyshev corta mejor en la frecuencia requerida, pero tiene la desventaja  de presentar un pico que puede ser pronunciado en la región cercana a la  frecuencia de corte, para el caso de segundo  orden, y oscilaciones en el caso de orden  mayor a dos, pero mantiene la respuesta  plana en un mayor rango de frecuencia. El filtro Butterworth no tiene pico alguno en la región de la frecuencia de corte, pero mantiene en un rango menor de frecuencia una ganancia constante, ya que empieza a disminuir mucho antes de la frecuencia de corte, para alcanzar a estar los tres decibeles (dB) debajo de la ganancia en la frecuencia requerida.
Entre las aplicaciones más importantes  de los filtros se encuentran: 
Estos filtros tienen aplicación en ecualizadores de audio y en RF, haciendo que unas frecuencias se amplifiquen más que otras (atenuación).También puede usarse  eliminar ruidos que aparecen junto a una señal, siempre que la frecuencia de ésta sea fija o conocida.
En ciertos  circuitos digitales se necesita que la señal sea “limpia” y por esto es necesario un filtro que acondicione la señal antes de que entre al circuito  este básicamente tiene un condensador que hace filtrar los pulsos  de ruido que se producen por los rebotes  mecánicos  al hacer contacto el pulsador. En cuanto al comportamiento de los filtros pasivos, presentan una gran desventaja frente a los activos, debido a que estos últimos, casi no requieren de un consumo de potencia de la señal de entrada, lo que implica una menor distorsión de la señal original, como así también poder entregar a la salida una señal con una impedancia de salida muy baja. Esto produce que los filtros activos no disminuyan la amplitud de las señales que se quieren analizar o utilizar de manera necesaria y que no estén atenuadas con respecto a la señal de entrada.

Aplicaciones importantes:
Separador de canales de audio y RF,eliminador de interferencia ,sintonizado ,disminución de ruido ,participa en la conversión A/D, elimina en un receptor las frecuencias que no interesan ser recibidas en determinadas bandas de transmisión y que pudieran traerle un comprtamiento errático al sistema.

Anexo:

Orden del filtro:
• Cuando la frecuencia se multiplica o divide por dos, se llama
octava.
• Cuando la frecuencia se multiplica o divide por diez, se llama
década.
• Según el orden del filtro, sabemos cuanto atenúa por cada octava
o cada década a partir de la frecuencia de corte.
• En octavas, atenúa 6 dB/octava multiplicado por el orden del
filtro.
• En décadas, atenúa 20 dB/década multiplicado por el orden del filtro.


Programa de cálculo de filtros 1er Orden: 

Instalador para Windows XP:
Descargar calculo-filtros.rar

Cálculo de Filtros.
Esta aplicación le ayudará a calcular los elementos pasivos de un filtro a partir de una frecuencia de corte, bien sean filtros pasa baja, filtros pasa alta o filtros pasa banda.
Un filtro tiene la finalidad de facilitar o dificultar el paso de una señal de determinada frecuencia a través suyo, la clasificación mas común que se puede hacer los divide en cuatro tipos: pasa bajo, pasa alto, pasa banda y rechaza banda. Cuando se diseña un circuito en general es común que este tenga ciertas especificaciones, en el caso de los filtros se tienen las siguientes:
Decaimiento: Es la razón de atenuación de la señal en frecuencias fuera de la banda de paso.
Frecuencia de corte: Límites de frecuencia a la cual puede dejar pasar o rechazar una señal el filtro.
Ganancia de paso: Relación entre el valor de entrada con respecto al de salida según la frecuencia de resonancia del circuito.
Los requerimientos en el dominio del tiempo son importantes también ya que determinan la respuesta transitoria, se expresan en términos de tiempo de subida, sobredisparo y tiempo de estabilización.


File name: calculo-filtros.rar
Download link: http://www.mediafire.com/file/ffq2qyhr6sw106z
 
Ebook's para leer sobre el tema:

Fuente:
Electrónica  
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