Los filtros se utilizan en diversos campos, incluidas las telecomunicaciones, donde se utilizan filtros de paso de banda en el reconocimiento de voz y módems en el rango de frecuencia de audio (0 Hz a 20 KHz). En las centrales telefónicas, se utilizan filtros de paso de banda de alta frecuencia (cientos de MHz) para la selección de canales.
En los sistemas de adquisición de datos, se requieren filtros de ruido de paso bajo y filtros de paso bajo antialiasing para el acondicionamiento de la señal. Los filtros de paso de banda se utilizan en sistemas de suministro de energía para suprimir el ruido de 50 Hz.
Todos los filtros de paso se utilizan para agregar retraso a cada componente de frecuencia de una señal compleja. Dado que los filtros de paso no filtran ningún componente de frecuencia de señales complejas, solo agregan un cambio de fase lineal a cada componente de frecuencia de una señal.
A frecuencias más altas (superiores a MHz), estos filtros constan de componentes pasivos como inductores, condensadores y resistencias y se denominan filtros RLC. Sin embargo, a frecuencias más bajas (por debajo de 1 MHz), los valores y el tamaño del inductor aumentan, lo que hace que el diseño sea voluminoso.
En estos casos entra en acción un filtro activo. Los filtros activos son circuitos de filtrado que constan de un amplificador operacional con una combinación de componentes pasivos y proporcionan un filtrado similar al LRC en frecuencias más bajas.
1: Filtro de paso bajo LCR de segundo orden y filtro de paso bajo activo de segundo orden.
Filtro de paso bajo RC
Como se muestra a continuación, se puede crear un filtro de paso bajo colocando una resistencia en serie con la señal de entrada y un condensador en paralelo con la señal de entrada.
Fig. 2: Diseño de filtro pasivo de paso bajo
La frecuencia de corte del filtro de paso bajo está dada por
Fc = 1/2piRC
Fc – Frecuencia de corte
Pi – 3.141
Por ejemplo:
R – 1K; C-10nF
Estaba haciendo matemáticas y calculando la frecuencia de corte de los valores anteriores.
Fc = 1/2*3,141*1K*10nF = 15,9 KHz
Esto significa que las frecuencias superiores a 15,9 kHz se atenuarán y las frecuencias inferiores a 15,9 kHz estarán en la banda de paso.
Filtro de paso bajo LR
El filtro de paso bajo LR está compuesto por un inductor en serie con la señal de entrada y una resistencia en paralelo con la señal de entrada y funciona de la misma manera que el filtro de paso bajo RC; atenúa la banda de alta frecuencia de una señal y se atenúa cada vez más a medida que aumenta la frecuencia.
Fig. 3: Diseño de filtro pasivo de paso bajo
El circuito de filtro LR funciona según el principio de reactancia inductiva. Esto significa cómo se comporta la resistencia o impedancia del inductor con la frecuencia que lo atraviesa. La resistencia tiene resistencia fija. Pero el inductor tiene diferente resistencia para diferentes señales de frecuencia, al igual que los condensadores.
El inductor produce una alta impedancia o resistencia para señales de alta frecuencia y una resistencia muy baja para señales de baja frecuencia. Se comporta exactamente lo contrario que un condensador. Debido a esto, la ubicación de la resistencia es diferente en el circuito RL. El circuito anterior bloquea efectivamente la señal de alta frecuencia y transmite las señales de baja frecuencia.
La frecuencia de corte está dada por
Fc = R/2PiL
Si L = 210 mH y R = 10 K en el circuito anterior,
entonces Fc será 7,58 KHz
Esto significa que si una señal compleja pasa a través del filtro superior, atenuará las frecuencias superiores a 7,58 KHz y dejará pasar las frecuencias inferiores.
Filtro de paso alto RC
Se puede diseñar un filtro de paso alto RC pasivo simple usando un capacitor en serie con la señal de entrada y una resistencia en paralelo con la señal de entrada, como en el circuito siguiente.
Fig. 4: Diseño del filtro de paso alto RC
El capacitor es un dispositivo reactivo que ofrece diferentes resistencias a señales con diferentes frecuencias interesantes a través del capacitor. Un condensador es un dispositivo reactivo que ofrece una resistencia muy alta a una señal de muy baja frecuencia o señal de CC y baja resistencia a una señal de muy alta frecuencia. Como un capacitor ofrece alta resistencia o impedancia a una señal de CC o de baja frecuencia, bloquea su entrada a través de un capacitor.
La frecuencia de corte del filtro de paso alto RC viene dada por la siguiente fórmula.
Fc = 1/2PiRC
Un filtro de paso alto se usa comúnmente en varios circuitos de dispositivos, como un micrófono. Dado que el micrófono funciona tanto con CA como con CC, registra las señales de CA que ingresan y funciona con alimentación de CC. Por tanto, se hace necesario utilizarlo en el circuito de grabación del micrófono.
Si en el filtro de paso alto RC anterior C = 10nF y R = 1K
Entonces FC = 1/2*3,14*1K*10nF
FC = 15,923 kHz
La frecuencia de corte se calcula en 15,923 kHz, lo que significa que si una señal compleja pasa a través del circuito anterior, las señales con una frecuencia inferior a 15,923 kHz se bloquearán y los componentes de frecuencia superiores pasarán a través de ella.
Filtro de paso alto LR
Se puede componer un filtro de paso alto LR colocando una resistencia en serie con una señal de fuente de entrada y un inductor en paralelo con la señal de fuente de entrada que ingresa al circuito.
Fig. 5: Diseño del filtro de paso alto LR
Un inductor tiene una reactancia inductiva que varía con diferentes señales de frecuencia y ofrece una gran resistencia a señales de alta frecuencia y muy baja resistencia a señales de baja frecuencia. Proporciona alta resistencia a señales de alta frecuencia para que la corriente de alta frecuencia no pase a través del inductor y la señal elija una ruta de baja resistencia y viaje hasta la salida. Pero la corriente de baja frecuencia enfrenta una resistencia muy baja ofrecida por el inductor, por lo que pasa a través del inductor a tierra.
La fórmula da la frecuencia de corte.
Fc = R/2PiL
Por ejemplo, en el circuito de arriba
R = 10K; L = 470 mH
Entonces la frecuencia de corte calculada es
FC = 3,39 kHz
Si una señal pasa a través del circuito anterior, los componentes de frecuencia de esa señal por debajo de esta frecuencia se atenuarán y se verán mayores que esto en la salida.