OBJETIVO
Comprobar y comprender la teoría de filtros activos, usándolos para la selección de un rango de ondas; mediante un filtra pasa banda.
MARCO TEÓRICO
La teoría de los filtros es una de las áreas mas importantes y mas usada en Electrónica desde los orígenes, esto se debe a la necesidad de poder controlar y limitar las señales eléctricas en el dominio de la frecuencia, para que un sistema responda de diferente manera para señales de una frecuencia o de otra. Los filtros electrónicos se utilizan en muchos dispositivos que trabajan con señales (generalmente de voltaje y que pueden ser análogas o digitales), ya que estas pueden tener diferentes valores de frecuencias, que pueden ser o no deseables en la aplicación a implementar. Con ellos se puede eliminar señales no deseadas que estén a determinadas frecuencias (armónicos, ruido, portadoras, etc), permitiendo manejar las señales que interesan.
Debido a las características de los op-amp, estos se utilizan mucho en el diseño de filtros activos. Actualmente una de las áreas de investigación mas importante es la de el diseño de filtros activos que características muy especiales para un gran número de aplicaciones, de aquí la importancia de empezar a introducirse en esta área.
Los filtros activos se diferencian de los filtros comunes, en que estos últimos son sólo combinación de resistencias, capacitores e inductores.En un filtro común, la salida es de menor magnitud que la entrada. En cambio los filtros activos se componen de resistores, capacitores y dispositivos activos como Amplificadores Operacionales o transistores. En un filtro activo la salida puede ser de igual o de mayor magnitud que la entrada. Existen básicamente cuatro tipos de filtros, que son: filtros pasa-bajas, pasa-altas, pasa-banda y filtros supresores de frecuencias o rechaza-banda. Los filtros pasa-bajas son aquellos que permiten el paso de las frecuencias bajas; los pasa-altas, por el contrario, sólo permiten el paso de frecuencias altas a través de ellos; a continuación están los filtros pasa-banda que solamente permiten el paso de un determinado rango de frecuencias.
Un filtro pasa-bajas sólo permite el paso de señales con frecuencias menores a f1.
Un filtro pasa-altas sólo permite el paso de señales con frecuencias mayores a f1.
En un filtro rechaza banda, las señales con frecuencias comprendidas entre f1 y f2 son las únicas que pasan
El rango de los filtros pasa-banda evidentemente dependerá de los elementos utilizados en su construcción y por tanto se podrán seleccionar según sea más conveniente. Por último los filtros supresores de frecuencias (rechaza banda), como su nombre indica, son capaces de atenuar o incluso eliminar frecuencias concretas.
En un filtro rechaza-banda, las señales con frecuencias comprendidas entre f1 y f2 son las únicas que no pasan.
DESARROLLO
El ecualizador es un dispositivo que procesa señales de audio. Modifica el contenido en frecuencias de la señal que procesa. Para ello, cambia las amplitudes de sus coeficientes de Fourier, lo que se traduce en diferentes volúmenes para cada frecuencia. Con esto se puede variar de forma independiente la intensidad de los tonos básicos. Ciertos modelos de ecualizadores gráficos actúan sobre la fase de las señales que procesan, en lugar de actuar sobre la amplitud. El ecualizador gráficos nos permite dividir la señal en diferentes bandas de frecuencia, pudiendo alterar la ganancia de cada banda de forma independiente. Su nombre viene dado por la disposición de los potenciómetros deslizables, colocados de forma que permite visualizar la compensación realizada. Normalmente es utilizado en audio profesional, para adaptar el sistema de altavoces respecto a la respuesta en frecuencia deseada en cada aplicación. En nuestra aplicación se usa como modo gráfico de representar el sonido entrante, lo que se tiene como salida es el conjunto de frecuencias de entrada mostrada por dispositivos emisores de luz. En los ecualizadores gráficos profesionales se usan diferentes filtros pasa banda con ganancia y ancho de banda para variar la salida gráfica de este; mientras en el nuestro la ganancia y las frecuencias son fijas.
En un primer encuentro se hizo el calculo para filtros activos pasa-banda, pasa-alta y pasa-baja donde se muestra un generador de funciones como simulación de jack 3.5 mm que tiene un voltaje pico de 500mV y una potencia de 60mW a frecuencias de entre 20 y 20kHz. Sabiendo esto se pueden usar 4 diferentes filtros para simular 4 bandas. Se usaron un filtro pasa-alta para la primera serie de frecuencias (0-200Hz), posteriormente dos pasa-bandas (5kHz-10kHz, 10kHz-15kHz) y al último un pasa bajas de 20kHz. Se armo el circuito y se hicieron los cálculos donde la única fórmula utilizada es:
mientras que en un pasa-baja es
Posteriormente se armó un circuito donde se usaron solamente filtros activos pasa-alta, donde se dividieron en 200Hz-8.2kΩ, 2kHz-820Ω, 5kHz-330Ω, 10kHz-150Ω, 15kHz-100Ω, 18kHz-82Ω, 20kHz-68Ω; con su respectivo valor resistivo al usar capacitores de 100nF. Se muestra la configuración usada.
A la derecha se muestra una imagen de frecuencias y decibelios del primer circuito armado. Donde la zona rosa esta dada por un pasa-baja, la azul de la derecha por un pasa-alta y la zona media por filtros activos pasa-banda. Cambiando esta configuración por pasa-alta de diferentes frecuencias se tiene la siguiente gráfica, donde se muestra que tienen intervalos más pequeños y se usa este efecto para simular el efecto que tienen los visualizadores gráficos, donde las frecuencias bajas son las que iluminan los LED inferiores, y así consecutivamente. Se colocan los LED indicando conforme as frecuencias que estos admiten yendo de menor a mayor frecuencia. Ahora se muestra una tabla del valor resistivo de cada filtro tomando en cuenta que se usan condensadores de 100nF para todos estos.
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