Diseño de filtro de muesca:un filtro de banda estrecha para atenuación de ruido específica

El ruido y la interferencia son comunes cuando se trata de dispositivos eléctricos porque diferentes circuitos producen frecuencias de señal variables que chocan. Estos problemas son frecuentes en los dispositivos de comunicación, que se ven afectados fácilmente por las líneas eléctricas. Si tiene estos problemas, hay una forma de filtrar las frecuencias no deseadas mediante un diseño de filtro de muesca. Hay diferentes tipos de filtros de muesca, y cada uno tiene un diseño de circuito único que requiere componentes específicos para su construcción.

En este artículo, los veremos en detalle para permitirle construir el circuito correcto.

¿Qué es un filtro de muesca?

También conocido como filtro de rechazo de banda o filtro de supresión de banda, un filtro de muesca es un dispositivo que crea un alto nivel de atenuación en una muesca estrecha. Rechaza esta banda de frecuencias pero permite que transmitan todas las demás por debajo o por encima del rango bloqueado.

Gráfico que muestra la respuesta de frecuencia de un filtro de audio de 50 Hz. Tenga en cuenta la estrecha forma de V de las frecuencias bloqueadas.

Fuente:Wikimedia Commons.

El dispositivo es útil para filtrar ruidos particulares, como el zumbido de 60 Hz proveniente de una fuente de alimentación de CA.

Características del filtro de muesca

Los filtros de muesca tienen tres atributos:

• Ancho de banda estrecho (banda de parada)
• Gran profundidad de atenuación
• Q alta

Para lograr un alto Q, necesita una profundidad de atenuación casi infinita y un amplificador operacional de alta ganancia en el circuito.

Tipos de filtros de muesca

Los diseños de filtros de muesca tienen tres componentes. Un filtro de paso bajo atenúa las frecuencias altas, un filtro de paso alto bloquea las frecuencias bajas y un amplificador sumador combina los resultados.

Sin embargo, existen diferentes tipos de filtros de muesca y cada uno tiene un diseño de circuito único. Incluyen:

Filtro de muesca activo

Diagrama de un circuito de filtro de muesca activo

La parte verde forma el filtro de paso bajo en este filtro activo, mientras que la parte azul forma el filtro de paso alto. Estos se resumen en el amplificador operacional (componentes naranjas).

Filtro de muesca pasivo

A diferencia de un filtro de muesca activo, este tipo solo tiene componentes pasivos. Carece de amplificadores, que forman la parte activa del circuito.

Diagrama del circuito del filtro de muesca pasivo que muestra los filtros de paso alto y bajo en configuraciones T

Las partes naranjas forman la sección del filtro de paso bajo en el diagrama, mientras que los componentes azules forman el filtro de paso alto.

Filtro de muesca RLC

Como sugiere el nombre, un filtro de muesca RLC es de tipo pasivo porque el circuito solo tiene una resistencia (R), un inductor (L) y un condensador (C).

Un filtro de muesca RLC

Filtro de muesca Butterworth

Un filtro de muesca Butterworth produce una respuesta lo más plana posible, lo que la hace confiable y altamente precisa. La mayoría de los equipos médicos, como los ECG, tienen el dispositivo.

Filtro de paso bajo Butterworth de cuarto orden

Filtro de muesca FM

Los filtros de muesca de FM ayudan a rechazar las señales fuertes de FM que provocan la saturación del receptor. La modulación de frecuencia en la misma banda ha aumentado, principalmente debido a las transmisiones de audio localizadas, por lo que este dispositivo es crucial para reducir el ruido.

Un filtro de muesca FM VHF

Los otros tipos incluyen filtros ópticos, de RF y de muesca inversa. Puede haber más, pero todos tienen un filtro de muesca activo o pasivo como circuito subyacente. La única forma de diferenciar entre los dos es si el diseño del circuito tiene un componente activo (circuito amplificador) o no.

Ejemplo de diseño de filtro de muesca

El diseño básico de un filtro de muesca

Como se indicó anteriormente, un filtro de muesca tiene tres componentes principales:un filtro de paso bajo, un filtro de paso alto y un amplificador. Combinados, los tres atenúan un rango de frecuencia estrecho y específico.

Respuesta de gráfico que muestra la banda de parada V estrecha de un filtro de muesca

Fuente:Wikimedia Commons.

La topología de filtro de muesca más común es el diseño básico de filtro de muesca en T doble. Es una combinación de dos ramas RC.

Un circuito de filtro de muesca Twin-T básico

La configuración T superior (en rojo) es el filtro de paso bajo, mientras que la T inferior (en verde) es el filtro de paso alto.

Sin embargo, si desea lograr un nivel más estrecho de rechazo con un alto nivel de atenuación, debe introducir un amplificador operacional.

Un filtro de muesca en T doble con un amplificador operacional. Las dos resistencias en naranja forman el divisor de tensión

El circuito todavía tiene un problema importante. Aumenta la ganancia después de la atenuación de V en la curva de respuesta. Por lo tanto, debe introducir otro amplificador operacional para evitar que el circuito altere la banda de paso.

Diseño de filtro de muesca de dos amplificadores operacionales

Ejemplo de diseño

Digamos que queremos diseñar dos amplificadores operacionales con una frecuencia de muesca de 1 kHz y un ancho de banda de 3 dB de 100 Hz. Considere que el valor de los condensadores del filtro de paso alto es de 0,1 uF.

Podemos usar la fórmula para obtener la frecuencia del filtro de muesca, que es:

Por lo tanto, podemos diseñar el filtro de muesca activo para una profundidad de muesca de 20 dB de la siguiente manera:

Un filtro de muesca de dos amplificadores operacionales para una profundidad de muesca de 20 dB

Diseñe un filtro de muesca tipo RLC

Otro ejemplo que vale la pena mirar es el filtro de muesca RLC. En lugar de tener un diseño de doble T con seis componentes, este solo tiene tres:una resistencia, un inductor y un capacitor.

Si la tarea es diseñar un circuito con 23 kHz y 25 kHz como frecuencias de corte, así es como se hace.

Un filtro de muesca RLC para frecuencias de corte de 23 kHz y 25 kHz

Función de transferencia de filtro de muesca

BW es el ancho de banda.

W_Z es la frecuencia circular cero (frecuencia de corte), mientras que W_P es la frecuencia circular polar. W_P determina el tipo/características del filtro, y hay tres posibilidades.

• Si la frecuencia circular del polo es mayor que la frecuencia circular cero (W_P>W_Z ), entonces es un filtro de muesca de paso alto
• Si la frecuencia circular del polo es menor que la frecuencia circular cero (W_P Z ), entonces es un filtro de muesca de paso bajo
• Sin embargo, si los dos son iguales, entonces tiene un filtro de muesca estándar

Por lo tanto, puede reescribir la fórmula de un filtro de muesca estándar como:

W_C es el ancho de la banda rechazada, mientras que W₀ es la frecuencia rechazada (central).

Aplicaciones de filtros de muesca

• Sistemas de comunicación:existe una alta probabilidad de interferencia de señales de mensajes por ruidos armónicos (especialmente por líneas eléctricas), y los filtros de muesca ayudan a eliminar este rango de frecuencias.
• Aplicaciones de audio (aplicaciones acústicas):los zumbidos pueden distorsionar o crear picos agudos en dispositivos de ingeniería de audio como amplificadores y sistemas de megafonía, pero los filtros de muesca pueden eliminar estas frecuencias.
• Ingeniería médica:la interferencia de la línea eléctrica puede interferir con las lecturas de EEG y ECG. Los filtros de muesca ayudan a eliminar este ruido de línea eléctrica de las señales biomédicas.
• Servicios de Internet:la transmisión de Internet a través de líneas telefónicas, como DSL, es susceptible a interferencias no deseadas, y la única forma de solucionarlo es un filtro de muesca como reductor de ruido de línea.
• Procesamiento digital de señales e imágenes
• Aplicaciones ópticas

Resumen

Los filtros de muesca son dispositivos útiles en varias aplicaciones, principalmente porque pueden bloquear la interferencia causada por las fuentes de alimentación de CA.

Si desea construir este dispositivo, la información anterior y los diagramas de circuitos son suficientes para guiarlo a través del proceso.

Sin embargo, primero debe comprar los componentes discretos necesarios para ese proyecto, y tenemos todo lo que necesita. Comuníquese con nosotros para obtener ofertas asequibles en PCB, resistencias, capacitores y todas las piezas necesarias para configurar el filtro.