Frecuencia En Rc - Rl b626c

LABORATORIO Nº 08 FILTROS PASIVOS

I.- OBJETIVO: 

Estudiar la Respuesta en frecuencia de un circulo “R-C”, cuando se comporta: o Como un filtro pasa bajo. o Como filtro pasa alto.

II.- FUNDAMENTO TEORICO: Filtro electronico Un filtro electrico o filtro electronico es un elemento que discrimina una determinada frecuencia o gama de frecuencias de una senal electrica que pasa a traves de el, pudiendo modificar tanto su amplitud como su fase.

Introduccion Un filtro es una red (circuito) formada por elementos que tienen un comportamiento peculiar, dependiendo sobre todo de la frecuencia inyectada a su entrada, podemos decir que la senal de salida dependera de la amplitud y frecuencia de la senal de entrada, dicho de otra forma un filtro es un dispositivo que elimina o atenua las frecuencias que no deseemos, de lo contrario estas frecuencias pueden perturbar el funcionamiento del resto del circuito, como es logico cada filtro tiene unas propiedades tipicas que pueden ser representadas mediante sus correspondientes curvas caracteristicas. Los filtros electronicos son circuitos capaces de discriminar frecuencias. Esto quiere decir que actuan de modo distinto para senales oscilantes a diferentes frecuencias. Cualquier combinacion de los elementos pasivos (R, L y C) y/o activos (transistores o amplificadores operacionales) disenados para rechazar una banda de frecuencia se denomina un filtro. En los sistemas de comunicaciones, se emplean filtros para permitir el paso de las frecuencias que contienen la informacion deseada y rechazar las restantes. En los sistemas estereo, se usan filtros para aislar bandas de frecuencia particulares con mayor o menor enfasis, mediante el sistema acustico de salida (amplificador, altavoz, etc.). Los filtros se emplean para eliminar las frecuencias no deseadas, comunmente conocidas como ruido, debido a las caracteristicas no lineales de algunos dispositivos electronicos o senales captadas del medio circundante.

Tipos de filtro: Atendiendo a sus componentes constitutivos, naturaleza de las senales que tratan, respuesta en frecuencia y metodo de diseno, los filtros se clasifican en los distintos grupos que a continuacion se indica. • Segun respuesta frecuencia • Filtros activos y pasivos • Filtros analogicos o digitales • Otros filtros Segun respuesta frecuencia  Filtro paso bajo: Es aquel que permite el paso de frecuencias bajas, desde frecuencia 0 o continua hasta una determinada. Presentan ceros a alta frecuencia y polos a bajas frecuencia.  Filtro paso alto: Es el que permite el paso de frecuencias desde una frecuencia de corte determinada hacia arriba, sin que exista un limite superior especificado. Presentan ceros a bajas frecuencias y polos a altas frecuencias.  Filtro paso 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: Tambien llamado filtro rechaza 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.  Filtro variable : Es aquel que puede cambiar sus margenes de frecuencia.

Filtros activos y pasivos 

Filtro pasivo: Es el constituido unicamente por componentes pasivos como condensadores, bobinas y resistencias.

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Filtro activo: Es aquel que puede presentar ganancia en toda o parte de la senal de salida respecto a la de entrada. En su implementacion 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.

Filtros analogicos o digitales: Atendiendo a la naturaleza de las senales tratadas los filtros pueden ser:  Filtro analogico: Disenado para el tratamiento de señales analogicas.  Filtro digital: Disenado para el tratamiento de señales digitales. Otros filtros:  Filtro piezoelectrico Es aquel que aprovecha las propiedades resonantes de determinados materiales como el cuarzo.  Otro tipo de filtro puede ser la ferrita que hay en muchos cables, por ejemplo en el de las pantallas de ordenador, que tiene la propiedad de presentar distinta impedancia a alta y baja frecuencia.

Etapas para el diseno de un filtro: El diseno de un filtro puede dividirse en cinco etapas: a) Planteo: descripcion informal del problema b) Especificacion: reformulacion del problema en términos de una serie de parametros cuantitativos caracteristicos. c) Aproximacion: obtencion de una funcion de atenuacion que satisfaga los parametros especificados. d) Sintesis: obtencion de un circuito que realice la función obtenida en la etapa de aproximacion. e) Verificacion: Confirmacion del cumplimiento de las especificaciones funcionales y otras condiciones de proyecto (costo, tamano, consumo, etc.) Las etapas mencionadas no tienen una unica solucion ni siguen necesariamente un orden lineal o secuencial. A menudo, al llegar a cierto punto se comprueba que es necesario volver atras para modificar alguna decision previa. En algunos casos puede ser preciso inclusive reexaminar el planteo o flexibilizar algunas especificaciones.

FILTROS ACTIVOS. Un filtro activo esta compuesto basicamente por resistencias, condensadores y amplificadores operacionales (rara vez se usan bobinas). El margen de funcionamiento de un filtro activo depende de las caracteristicas del amplificador operacional empleado, por lo que con los circuitos actuales pueden ir desde cero a varios Megahercios, para nuestro estudio supera con creces las necesidades en BF (Baja Frecuencia) de 20 a 20.000 Hz. Entre las principales ventajas de los filtros activos, esta la de poder hacerlo con la selectividad y a la frecuencia que deseemos de manera muy facil.

TIPOS DE FILTROS ACTIVOS (Crossover). Podemos agrupar los filtros segun la banda de paso en los siguientes tipos. Segun su corte:  Filtro pasa bajos, LPF (Low Filter). Se trata de un filtro que permite el paso sin atenuacion alguna a las frecuencias inferiores a la frecuencia de corte, eliminando o atenuando considerablemente todas las superiores.  Filtro pasa altos, HPF (High Filter). En este caso se trata de lo contrario al anterior, permitir el paso sin atenuacion alguna a las frecuencias superiores a la frecuencia de corte, eliminando o atenuando considerablemente todas las inferiores.  Filtro pasa banda, PBF ( Band Filter). Se trata de un filtro que permite el paso de una banda, mas o menos estrecha de frecuencias, en consecuencia todas las frecuencias superiores e inferiores a las frecuencias de cortes, serán eliminadas o atenuadas considerablemente.  Filtro supresor de banda, Notch. Este filtro desempena la funcion contraria al filtro paso de banda, es decir elimina tan solo la frecuencia para la que ha sido calculada y permite el paso de las frecuencias superiores e inferiores a la frecuencia del filtro.

Segun su atenuacion: Como hemos visto pueden tener distintas atenuaciones 6, 12, 18, 24, 30 dB/Octava, o numero de orden 1º, 2º, 3º, 4º, 5º, etc, conociendo la atenuacion en dB, podemos calcular el valor de la tension de salida, teniendo el nivel de tension aplicada a la entrada, esta tabla nos puede facilitar este calculo.

Segun su tipo: Existen varias formulas para calcular los componentes pasivos usados para realizar un filtro activo, segun esto los mas conocidos son Butterworth, Bessel y Chebychev, ninguno de los tres se adapta a las caracteristicas de un filtro ideal, teniendo en cuenta las de ganancia constante, desfase lineal, pendiente y oscilaciones no deseable.

CALCULO FILTROS ACTIVOS. C = 33 K (33 nF) (0,033 μF) en frecuencia comprendidas entre 100 y 950 Hz.

FILTROS PASIVOS Si el circuito del filtro está formado por resistencias, condensadores y/o bobinas (componentes pasivos) el filtro se dirá que es un filtro pasivo.

TIPOS DE FILTROS PASIVOS La frecuencia de corte es el punto donde la respuesta en frecuencia se reduce a una fraccion determinada. Este punto suele ser el punto de -3dB, que en potencia es el punto donde la respuesta se reduce a la mitad. Por la forma de percibir del oido humano, la disminucion de la respuesta a la mitad no se percibe como "la mitad de alto" sino como "un poquito mas bajo". Un filtro puede dejar pasar las frecuencias mayores que la fecuencia de corte, o al contrario, dejar pasar solo las frecuencias menores que la frecuencia de corte. O se pueden dejar pasar solo las frecuencias de una banda (entre dos frecuencias de corte).  Filtros paso alto: dejan pasar las frecuencia mas altas que la fecuencia de corte.  Filtros paso bajo: Dejan pasar las frecuencias menores que la fecuencia de corte.  Filtros paso banda: Dejan pasar las frecuencias entre dos frecuencias de corte. Normalmente son una combinacion en serie de un paso alto y un paso bajo, pero pueden implementarse de otras maneras.  Filtro elimina banda: Al contrario que los paso banda, estos eliminan una banda. En altavoces no tiene mucho sentido. Al igual que los paso banda, pueden implementarse con un paso bajo y un paso alto, pero en paralelo.  Otros: muesca (notch), y otras redes: Red Zobel, L-pad. Los filtros pasivos se basan en la impedancia variable y dependiente de la frecuencia que tienen las bobinas y los condensadores. Condensadores: Cuanto mayor sea f, menor sera su impedancia, por lo que un condensador dejara pasar las frecuencias altas y ofrecera una gran resistencia a las bajas frecuencias, que se veran atenuadas.

Bobinas: Cuanto mayor sea f, mayor sera la impedancia de la bobina, por lo que a traves de una bobina, pasaran sin ningun problema las frecuencias bajas, y las frecuencias altas se veran atenuadas, por atravesar una resistencia mayor.

Ventajas y desventajas: EL filtro pasivo, se compone de elementos pasivos (condensadores, bobinas, resistencias) y tiene la ventaja de ser mas barato y fácil de implementar. Su desventaja es que, al incluir una resistencia, disipan potencia de la red aumentando las perdidas en el sistema y que con el tiempo los componentes se van desgastando y pierde sus propiedades. Por otro lado el filtro activo (de armonicas), es mucho mas caro de construir, pero proporciona mejor filtrado que el pasivo. Se compone de interruptores (IGBT, MOSFet) y requiere de un circuito de control para funcionar. Algunos filtros activos incluso proporcionan energía reactiva al sistema en caso de ser necesarios.

III.- MATERIALES, EQUIPO E INSTRUMENTOS: 

Un generador de funciones: Es un equipo capaz de generar señales variables en el dominio del tiempo para ser aplicadas posteriormente sobre el circuito bajo prueba. Las formas de onda típicas son las triangulares, cuadradas y senoidales. También son muy utilizadas las señales TTL que pueden ser utilizadas como señal de prueba o referencia en circuitos digitales. Otras aplicaciones del generador de funciones pueden ser las de calibración de equipos, rampas de alimentación de osciloscopios, etc.

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Un osciloscopio de doble canal: Es un instrumento de medición electrónico para la representación gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tiempo. Es decir, puedes ver la forma de onda y medir amplitud, frecuencia. Los dos canales se utilizan para ver simultáneamente dos señales dependientes del tiempo, para ver cómo se comporta un circuito determinado, como por ejemplo, la salida respecto de la entrada, la corriente en función de la tensión, etc.

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Un condensador: Es un dispositivo pasivo, utilizado en electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico. Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente en forma de láminas o placas, en situación de influencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra) separadas por un material dieléctrico o por el vacío. Las placas, sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variación de carga total.

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Una resistencia: Tiene un parecido conceptual a la fricción en la física mecánica. La unidad de la resistencia en el Sistema Internacional de Unidadeses el ohmio (Ω). Para su medición en la práctica existen diversos métodos, entre los que se encuentra el uso de un ohmnímetro. Además, su cantidad recíproca es la conductancia, medida enSiemens.

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Una bobina: Un inductor o bobina es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma decampo magnético.

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Un multitester digital: es un instrumento de medida, el cual de capas de Medir tension electrica (voltaje) tanto alterno como directo, y corrienten, la cual de mide tiene como unidad de medida el amper o Amperios y tambien son alternos y directo, y tambien midien resistencia con una unidad de medida conocida como el Ohmio, otros multimetro pueden llegar a provar capasitores, diodos, bibinas.

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Un de pruebas:

IV.- PROCEDIMIENTO:

1.- Armar el circuito de la figura 01.

Fig. 01 2.- Determinar la frecuencia de corte “f0” . Resistencia:

R = 2500 Ω

Conndensador:

C = 35 nF

Tal que la frecuencia de corte (f) es igual a :

f =______1_______

= 1818.91 Hz

2(π)(2500)(35)(10-9) 3.- Energizar el circuito con una tensión de V = 2.4 voltios; siendo recomendado mantener constante dicha tensión cuando se varía la frecuencia.

4.- Tomando como referencia la frecuencia de corte “f0”, variar la frecuencia del generador arriba y debajo de la frecuencia de corte “f0”; medir al mismo tiempo Vc y Vr, anótelos en la tabla 01.

V(V) 2.4 2.4 Mediciones 2.4 hacia 2.4 abajo 2.4 2.4 2.4 2.4 Mediciones 2.4 hacia 2.4 arriba 2.4 2.4

F(Hz) VR(V) 270 0.34 360 2.2 570 3.2 880 1.0 1260 1.3 1630 1.5 2100 1.8 3100 4.0 5200 2.2 7500 2.2 9700 2.3 11700 2.3

VC(V) 2.2 0.44 2.3 2.4 2.0 1.8 1.6 1.4 0.9 0.6 0.44 0.38

5.- Cambiar el condensador por una bobina y repetir los pasos 2 al 4 (tabla 02).

La frecuencia de corte en circuito con bobina es: f0 

R 2 .L

6.- Energizar el circuito con una tensión de V = 2.4 voltios; siendo recomendado mantener constante dicha tensión cuando se varía la frecuencia.

7.- Tomando como referencia la frecuencia de corte “f0”, variar la frecuencia del generador arriba y debajo de la frecuencia de corte “f0”; medir al mismo tiempo Vc y Vr, anótelos en la tabla 02. V(V) 2.4 2.4 Mediciones 2.4 hacia 2.4 abajo 2.4 2.4 2.4 2.4 Mediciones 2.4 hacia 2.4 arriba 2.4 2.4

F(Hz) 270 360 570 880 1260 1630 2100 3100 5200 7500 9700 11700

VR(V) 0.51 2.8 4.1 1.76 1.59 1.9 2.3 5.8 2.84 3.3 3.5 3.1

VL(V) 3.2 1.23 3.74 2.68 2.78 2.6 1.9 2.1 1.6 1.8 1.22 1.02

V.- CUESTIONARIO:

1.- A que llamamos frecuencia de corte? En un Filtro, la frecuencia de corte es el punto en el cual el filtro empieza a recortar frecuencias, esto tiene diferentes implicaciones dependiendo el tipo de filtro. Por ejemplo, supongamos una frecuencia de corte situada en 5 KHz. Si el filtro es Paso Alto, todas las frecuencias por debajo de 5 Khz serán atenuadas, y por encima de 5 Khz pasarán intactas:

Si el filtro es Paso Bajo, sucede lo contrario, todas las frecuencias por debajo de 5 Khz pasan intactas, y por encima de 5 Khz serán atenuadas:

Siendo técnicamente formales, la frecuencia de corte es el punto donde la señal ha sido atenuada 3 dB por el filtro. Esto está perfectamente ilustrado en la siguiente gráfica:

Es claro por la definición y la gráfica que el filtro empieza a actuar un poco antes de la frecuencia de corte.

2.- Presentar en forma tabulada las relaciones: Vc/V ; Vr/V, para cada frecuencia. V(V) 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4

F(Hz) 270 360 570 880 1260 1630 2100 3100 5200 7500 9700 11700

VR/V 0.1416 0.9167 1.3333 0.4167 0.5416 0.6250 0.7500 1.6667 0.9167 0.9167 0.9583 0.9583

VC/V 0.9167 0.1833 0.9583 1.0000 0.8333 0.7500 0.6667 0.5833 0.3750 0.2500 0.1833 0.1583

3.- Presentar las gráficas en papel semilogaritmicos, explique cada grafico. 4.- Indique la frecuencia de corte, obtenida gráficamente en el RC. 5.- Presentar en forma tabulada las relaciones: VL/V ; VR/V, para cada frecuencia

V(V) 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4

F(Hz) 270 360 570 880 1260 1630 2100 3100 5200 7500 9700 11700

VR/V 0.2125 1.1666 1.7083 0.7333 0.6625 0.7916 0.9583 2.4166 1.1833 1.3750 1.4583 1.2916

VL/V 1.3333 0.5125 1.5583 1.1166 1.1583 1.0833 0.7916 0.8750 0.6666 0.7500 0.5083 0.4250

6.- Presentar las gráficas en papel semilogaritmicos, explique cada grafico.

7.- Indique la frecuencia de corte, obtenida gráficamente en el circuito RL.

CONCLUSIONES. Se ha aprendido como es el funcionamiento de un circuito RC y con un voltaje determinado pero con diferente frecuencia. Dando así a conocer la variación de voltaje capacitivo.

BIBLIOGRAFÍA Circuitos eléctricos --------- Dorf Van Valkenburgh. Electricidad Básica --------- Nooger – Neville, Inc.