Filtros Electrónicos

Los filtros son redes que permiten el paso o detienen el paso de un determinado grupo de frecuencias (banda de frecuencias).

Tipos de filtro:

• Filtro paso bajo
• Filtro paso alto
• Filtro banda
• Filtro supresor de banda

En los filtros paso bajo y paso alto, una de sus principales característica es su frecuencia de corte, que delimita el grupo de las frecuencias que pasan o no pasan por el filtro.

• En el filtro paso bajo pasarán las frecuencias por debajo de la frecuencia de corte.
• En el filtro paso alto pasarán las frecuencias por encima de la frecuencia de corte.

En los filtros pasa banda, las principales características son: frecuencia central, ancho de banda y factor de calidad

La curva A (en negro):

• Muestra una frecuencia central fo (frecuencia de resonancia)
• Ancho de banda va de f1 a f2.

La curva B (en rojo):

• muestra una frecuencia central fo (frecuencia de resonancia)
• ancho de banda va de f3 a f4.

Las dos curvas son de dos filtros con la misma frecuencia central. Las frecuencias utilizadas para determinar el ancho de banda (f1, f2, f3, f4) se llaman frecuencias de corte o frecuencias de mediana potencia y se obtienen cuando la amplitud de la onda cae en 3 decibeles de su máxima amplitud. Ver el Gráfico

Factor de calidad de un filtro

La curva B muestra un filtro de mayor selectividad, pues las frecuencias de corte están mas cerca de la frecuencia central fo (ver la amplitud de la salida del filtro). En este el ancho de banda del filtro es menor.

La curva A muestra un filtro de menor selectividad, pues sus frecuencias están más alejadas de la frecuencia central, pero su ancho de banda es mayor.

Para encontrar el factor de calidad de un filtro se utiliza la fórmula: Q = fo/AB ,  donde:

• fo = frecuencia de resonancia
• AB = ancho de banda (f2 – f1) o (f4 – f3).

En este caso el factor de calidad del filtro B es mayor.

Filtros – Orden, fase, relación entrada-salida

Un filtro es un circuito con al menos un elemento reactivo (inductor o capacitor). Un circuito con solo un elemento reactivo es un “filtro de primer orden”, si el circuito tiene dos elementos reactivos es un “filtro de segundo orden”, etc.

La diferencia que existe entre un filtro de primer orden y un filtro de orden mayor es la curva de respuesta de frecuencia. Como se ve del diagrama, las frecuencias de corte (f1 y f2 para la curva azul y f3 y f4 para la curva roja) no necesariamente indican que las frecuencias tanto a la izquierda de f1 y f3 y a la derecha de f2 y f4 están completamente eliminadas.

La curva en ambos casos desciende lentamente hasta su nivel más bajo. Lo ideal sería que el filtro tuviera una forma más cuadrada de manera que las frecuencias indeseables fueran totalmente eliminadas. Para lograr esto se incrementa el orden de los filtros (hay más elementos reactivos: bobinas y condensadores).

Este tipo de filtro es muy útil en muchos casos, pero hay otros en donde la señal a filtrar no es muy potente y esta va perdiendo energía conforme avanza por las diferentes etapas del filtro. Para estos casos es mejor utilizar “filtros activos”.

Consideraciones de fase y la tensión de salida.

En un filtro RC o RL hay que tomar en cuenta que el desfase entre la tensión y la corriente (alterna) está entre 0° y 90°. Este ángulo es determinado con exactitud con los valores de los componentes y la frecuencia en cuestión. La fórmula es: Θ = arctan (Xc /R) para el caso de un filtro RC.

• Si Xc (reactancia capacitiva) fuera mucho mayor que R (digamos unas 100 veces) entonces. Θ = arctan (Xc /R) =  arctan (100R/R) = arctan (100) = 89.5°
• Si Xc (reactancia capacitiva) fuera mucho menor que R (digamos unas 100 veces) entonces. Θ = arctan (Xc /R) =  arctan (Xc /100Xc) = arctan (1/100) = 0.5°

Si Xc y R tienen el mismo valor entonces, Θ = arctan (Xc /R) = arctan (1) = 45°

La tensión de salida del filtro depende de la frecuencia y de la amplitud de la tensión de entrada. Se puede implementar un gráfico que muestre la relación entre la tensión de salida y la tensión de entrada (Vout/Vin) para un rango de frecuencia. (ejemplo con un filtro paso alto).

Se puede ver que para bajas frecuencias, la relación Vout / Vin es prácticamente “0” indicando que la tensión de salida es muy baja. En cambio, para frecuencias altas la relación Vout/Vin, está muy cerca de “1”, lo que indica que la tensión de salida Vout es prácticamente igual a la tensión Vin. Este es el comportamiento esperado para un filtro paso alto (el ejemplo).