Filtros de paso bajo

Por definición, un filtro de paso bajo es un circuito que ofrece un paso fácil a señales de baja frecuencia y un paso difícil a señales de alta frecuencia. Hay dos tipos básicos de circuitos capaces de lograr este objetivo, y muchas variaciones de cada uno:el filtro inductivo de paso bajo en (Figura siguiente) y el filtro capacitivo de paso bajo en (Figura también abajo).

Filtro de paso bajo inductivo

Filtro de paso bajo inductivo

La impedancia del inductor aumenta al aumentar la frecuencia. Esta alta impedancia en serie tiende a bloquear las señales de alta frecuencia para que no lleguen a la carga. Esto se puede demostrar con un análisis SPICE:(Figura siguiente)

 filtro de paso bajo inductivo v1 1 0 ac 1 sen l1 1 2 3 rload 2 0 1k .ac lin 20 1200 .plot ac v (2) .fin 

La respuesta de un filtro inductivo de paso bajo disminuye al aumentar la frecuencia.

Filtro de paso bajo capacitivo

Filtro capacitivo de paso bajo

La impedancia del condensador disminuye al aumentar la frecuencia. Esta baja impedancia en paralelo con la resistencia de carga tiende a cortocircuitar las señales de alta frecuencia, dejando caer la mayor parte del voltaje a través de la resistencia en serie R ₁ . (Figura siguiente)

 filtro de paso bajo capacitivo v1 1 0 ac 1 pecado r1 1 2 500 c1 2 0 7u rload 2 0 1k .ac lin 20 30 150 .plot ac v (2) .fin 

La respuesta de un filtro de paso bajo capacitivo disminuye al aumentar la frecuencia.

El filtro inductivo de paso bajo es el pináculo de la simplicidad, con solo un componente que comprende el filtro. La versión capacitiva de este filtro no es mucho más compleja, solo se necesita una resistencia y un capacitor para su funcionamiento.

Sin embargo, a pesar de su mayor complejidad, los diseños de filtros capacitivos generalmente se prefieren a los inductivos porque los capacitores tienden a ser componentes reactivos "más puros" que los inductores y, por lo tanto, su comportamiento es más predecible. Por "puro" me refiero a que los condensadores exhiben pocos efectos resistivos que los inductores, lo que los hace casi 100% reactivos.

Los inductores, por otro lado, típicamente exhiben efectos disipativos significativos (similares a resistencias), tanto en las largas longitudes de cable que se usan para fabricarlos, como en las pérdidas magnéticas del material del núcleo.

Los condensadores también tienden a participar menos en los efectos de "acoplamiento" con otros componentes (generan y / o reciben interferencias de otros componentes a través de campos eléctricos o magnéticos mutuos) que los inductores, y son menos costosos.

Sin embargo, el filtro inductivo de paso bajo a menudo se prefiere en las fuentes de alimentación de CA-CC para filtrar la forma de onda de "ondulación" de CA creada cuando la CA se convierte (rectifica) en CC, pasando solo el componente de CC pura.

La razón principal de esto es el requisito de una resistencia de filtro baja para la salida de dicha fuente de alimentación. Un filtro de paso bajo capacitivo requiere una resistencia adicional en serie con la fuente, mientras que el filtro de paso bajo inductivo no.

En el diseño de un circuito de alta corriente como una fuente de alimentación de CC donde no se desea una resistencia en serie adicional, el filtro inductivo de paso bajo es la mejor opción de diseño.

Por otro lado, si el bajo peso y el tamaño compacto son prioridades más altas que la baja resistencia de suministro interno en un diseño de suministro de energía, el filtro capacitivo de paso bajo podría tener más sentido.

Frecuencia de corte

Todos los filtros de paso bajo tienen una determinada frecuencia de corte . Es decir, la frecuencia por encima de la cual el voltaje de salida cae por debajo del 70,7% del voltaje de entrada. Este porcentaje de corte de 70,7 no es realmente arbitrario, aunque puede parecerlo a primera vista.

En un filtro de paso bajo capacitivo / resistivo simple, es la frecuencia a la que la reactancia capacitiva en ohmios es igual a la resistencia en ohmios. En un filtro de paso bajo capacitivo simple (una resistencia, un capacitor), la frecuencia de corte se da como:

Al insertar los valores de R y C de la última simulación de SPICE en esta fórmula, llegamos a una frecuencia de corte de 45,473 Hz. Sin embargo, cuando miramos el gráfico generado por la simulación SPICE, vemos el voltaje de carga muy por debajo del 70.7% del voltaje de la fuente (1 voltio) incluso a una frecuencia tan baja como 30 Hz, por debajo del punto de corte calculado.

¿Qué ocurre? El problema aquí es que la resistencia de carga de 1 kΩ afecta la respuesta de frecuencia del filtro, inclinándola hacia abajo de lo que la fórmula nos dijo que sería. Sin esa resistencia de carga en su lugar, SPICE produce un diagrama de Bode cuyos números tienen más sentido:(Figura siguiente)

 filtro de paso bajo capacitivo v1 1 0 ac 1 pecado r1 1 2 500 c1 2 0 7u * nota:¡sin resistencia de carga! .ac lin 20 40 50 .plot ac v (2) .fin 

Para el filtro de paso bajo capacitivo con R =500 Ω y C =7 µF, la salida debe ser del 70,7% a 45,473 Hz.

f _cutoff =1 / (2πRC) =1 / (2π (500 Ω) (7 µF)) =45,473 Hz

Cuando se trata de circuitos de filtro, siempre es importante tener en cuenta que la respuesta del filtro depende de los valores de los componentes del filtro y la impedancia de la carga. Si una ecuación de frecuencia de corte no tiene en cuenta la impedancia de carga, no asume carga y no dará resultados precisos para un filtro de la vida real que conduce energía a una carga.

Aplicación de filtro de paso bajo

Una aplicación frecuente del principio de filtro de paso bajo capacitivo es el diseño de circuitos que tienen componentes o secciones sensibles al "ruido" eléctrico. Como se mencionó al comienzo del último capítulo, a veces las señales de CA pueden "acoplarse" de un circuito a otro a través de la capacitancia (C _desviar ) y / o inductancia mutua (M _parásitos ) entre los dos conjuntos de conductores.

Un buen ejemplo de esto son las señales de CA no deseadas ("ruido") que se imprimen en las líneas de alimentación de CC que alimentan circuitos sensibles:(Figura siguiente)

El ruido es acoplado por capacitancia parásita e inductancia mutua en energía de CC "limpia".

El osciloscopio-medidor de la izquierda muestra la energía "limpia" de la fuente de voltaje de CC. Sin embargo, después de acoplarse con la fuente de ruido de CA a través de la inductancia mutua parásita y la capacitancia parásita, el voltaje medido en los terminales de carga ahora es una mezcla de CA y CC, siendo la CA no deseada.

Normalmente, uno esperaría E _load para ser exactamente idéntico a E _fuente , porque los conductores ininterrumpidos que los conectan deben hacer que los dos conjuntos de puntos sean eléctricamente comunes. Sin embargo, la impedancia del conductor de potencia permite que los dos voltajes difieran, lo que significa que la magnitud del ruido puede variar en diferentes puntos del sistema de CC.

Si deseamos evitar que dicho "ruido" llegue a la carga de CC, todo lo que tenemos que hacer es conectar un filtro de paso bajo cerca de la carga para bloquear cualquier señal acoplada. En su forma más simple, esto no es más que un capacitor conectado directamente a través de los terminales de potencia de la carga, el capacitor se comporta como una impedancia muy baja a cualquier ruido de CA y lo cortocircuita.

Este tipo de condensador se denomina condensador de desacoplamiento :(Figura siguiente)

Condensador de desacoplamiento, aplicado a la carga, filtra el ruido de la fuente de alimentación de CC.

Un vistazo rápido a una placa de circuito impreso (PCB) abarrotada generalmente revelará condensadores de desacoplamiento dispersos por todas partes, generalmente ubicados lo más cerca posible de las cargas de CC sensibles.

El tamaño del capacitor es generalmente de 0.1 µF o más, una cantidad mínima de capacitancia necesaria para producir una impedancia lo suficientemente baja como para cortar cualquier ruido. Una mayor capacitancia hará un mejor trabajo al filtrar el ruido, pero el tamaño y la economía limitan los condensadores de desacoplamiento a valores escasos.

REVISAR:

• Un filtro de paso bajo permite el paso fácil de señales de baja frecuencia de la fuente a la carga y el paso difícil de señales de alta frecuencia.
• Los filtros inductivos de paso bajo insertan un inductor en serie con la carga; Los filtros capacitivos de paso bajo insertan una resistencia en serie y un capacitor en paralelo con la carga. El primer diseño de filtro intenta "bloquear" la señal de frecuencia no deseada, mientras que el segundo intenta acortarla.
• La frecuencia de corte para un filtro de paso bajo es la frecuencia a la que el voltaje de salida (carga) es igual al 70,7% del voltaje de entrada (fuente). Por encima de la frecuencia de corte, la tensión de salida es inferior al 70,7% de la entrada y viceversa.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de filtros activos
• Hoja de trabajo de circuitos de filtro pasivo