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5/20/2018 Trabajo - FILTROS.pdf

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REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAINSTITUTO UNIVERSITARIO POLITCNICO

SANTIAGO MARIOESCUELA DE INGENIERA ELECTRNICA

EXTENSIN MATURN

FILTRO DE RUMBLE CON GANANCIAUNITARIA

Profesor: Realizado por:

Ing. Nstor Machado Br. Alexis Rojas.

Materia: C.I. 10.941.781

Electrnica II Semestre: VI

Lapso:2014-I Seccin: Virtual

Maturn, Julio 2014


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NDICEP.p

INTRODUCCIN....................................................................................................... 1

DESARROLLO TERICO ....................................................................................... 2

Teoras ................................................................................................................ 2

Formulas y Clculos .......................................................................................... 4

DESARROLLO PRCTICO .................................................................................... 5

Descripcin del Funcionamiento del Circuito ................................................ 5

Clculos ............................................................................................................... 8

Diseo del Circuito ............................................................................................ 9

Simulaciones de los Circuitos ........................................................................... 9

Pruebas de Funcionamiento ........................................................................... 17

CONCLUSIONES ..................................................................................................... 18

RECOMENDACIONES ........................................................................................... 19

REFERENCIA BIBLIOGRFICA ........................................................................ 20

ANEXOS .................................................................................................................... 21


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INTRODUCCIN

Antiguamente en los sistemas musicales, las imperfecciones en los discos de

acetato o desajustes en los componentes del reproductor traan como consecuencia la

generacin de ondas de sonido con frecuencias por el orden de lo subsnico. Si estas

frecuencias no son eliminadas, entonces se corre el riesgo de sobresaturar el

amplificador que intenta reproducirlas o simplemente resultan molestas debido al

ruido que se sienten en el odo.

Se desea disear entonces un filtro que sea capaz de eliminar estas frecuencias.

A dicho circuito se le denomina filtro paso alto, debido a que suprime las frecuencias

que estn por debajo de la frecuencia de corte. Adems de esto, tiene por

caractersticas, una atenuacin de 18dB o ms por octava, y la frecuencia de corte es

variable, pudiendo estar alrededor de los 300Hz hacia abajo.


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DESARROLLO TERICO

Teoras

Filtro de Rumble

Este tipo de filtros se encargan de eliminar el efecto rumble (de ah su

nombre). Se trata de un filtro paso alto que elimina las bajas frecuencias producidas

por el desajuste de los elementos mecanicos en los giradiscos y magnetofonos,

encargados de producir el movimiento. Estas vibraciones producen sonidos molestos

y de baja frecuencia en la reproduccion o grabacion del audio, con lo que deben ser

eliminados.

Resistor

Se denomina resistor o bien resistencia al componente electronico diseado

para introducir una resistencia electrica determinada entre dos puntos de un circuito

electrico. Es un componente formado por carbon y otros elementos resistivos para

disminuir la corriente que pasa. Se oponen al paso de la corriente y la corriente

maxima en un resistor viene condicionada por la maxima potencia que pueda disipar

su cuerpo.

Se utilizan en los circuitos para limitar el valor de la corriente o para fijar el

valor de la tension. A diferencia de otros componentes, los resistores no tienen

polaridad definida.


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En los filtros son utilizados para controlar el tiempo de carga y descarga del

capacitor al que acompaan en el circuito, pudiendo variar asi, la frecuencia de corte

del filtro.

Capacitores

Un condensador (en ingls, capacitor,1 2 nombre por el cual se le conoce

frecuentemente en el mbito de la electrnica y otras ramas de la fsica aplicada), es

un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrnica, capaz de almacenar

energa sustentando un campo elctrico. Est formado por un par de superficies

conductoras, generalmente en forma de lminas o placas, en situacin de influenciatotal (esto es, que todas las lneas de campo elctrico que parten de una van a parar a

la otra) separadas por un material dielctrico o por el vaco. Las placas, sometidas a

una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga elctrica, positiva en

una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variacin de carga total.

Aunque desde el punto de vista fsico un condensador no almacena carga ni

corriente elctrica, sino simplemente energa mecnica latente; al ser introducido en

un circuito se comporta en la prctica como un elemento "capaz" de almacenar la

energa elctrica que recibe durante el periodo de carga, la misma energa que cede

despus durante el periodo de descarga.

Filtro pasa alto

Un filtro paso alto (HPF) es un tipo de filtro electrnico en cuya respuesta en

frecuencia se atenan las componentes de baja frecuencia pero no las de alta

frecuencia, stas incluso pueden amplificarse en los filtros activos.

Amplificadores Operacionales


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Se trata de un dispositivo electrnico (normalmente se presenta como circuito

integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos

entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia):

Vout = G(V+ V)el ms conocido y comnmente aplicado es el UA741 o

LM741.

El primer amplificador operacional monoltico, que data de los aos 1960, fue

el Fairchild A702 (1964), diseado por Bob Widlar. Le sigui el Fairchild A709

(1965), tambin de Widlar, y que constituy un gran xito comercial. Ms tarde sera

sustituido por el popular Fairchild A741 (1968), de David Fullagar, y fabricado por

numerosas empresas, basado en tecnologa bipolar.

Originalmente los A.O. se empleaban para operaciones matemticas (suma,resta, multiplicacin, divisin, integracin, derivacin, etc.) en calculadoras

analgicas. De ah su nombre.

El A.O. ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un

ancho de banda tambin infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de

respuesta nulo y ningn ruido. Como la impedancia de entrada es infinita tambin se

dice que las corrientes de entrada son cero.

Formulas y Clculos


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Descripcin del Funcionamiento del Circuito

El funcionamiento del filtro de rumble esta basado en el comportamiento de los

capacitores a alta y baja frecuencia. Como este es un filtro pasa altos entonces se

explicara el funcionamiento de un filtro pasa altos RC como pequea introduccin.

Figura 1. Filtro RC pasa alto bsico

En la figura 1 observamos el filtro pasa altos RC bsico. Consta de un capacitor

y una resistencia, la cual se le inyecta una seal sinusoidal. Se sabe que el capacitor

se comporta como un circuito abierto a baja frecuencia, y como un cable a alta

frecuencia, entonces cuando la frecuencia que se le inyecta al circuito es baja, el

capacitor presenta alta impedancia, y el voltaje de salida es bajo. A medida que la

frecuencia aumenta, entonces, el capacitor baja su impedancia, y de este modo, la

tensin cae de acuerdo a la resistencia que coloquemos en el circuito. Estos filtros no

ofrecen ganancia, sino que solo ofrecen atenuacin a la seal de entrada.

Si al circuito le agregamos un componente activo como un amplificador

operacional, entonces, la seal de entrada podr ser amplificada, y en este tipo de

circuitos es que esta basado el filtro de rumble.


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Figura 2. Filtro Activo bsico de primer orden

En la figura dos, tenemos un filtro activo bsico, que consta de un amplificador

operacional, una resistencia y un capacitor. La ecuacin bsica para hallar la

frecuencia de corte es:

El comportamiento es el mismo que el de el filtro RC solo que la seal de

entrada es amplificada por el amplificador operacional.

Figura 3. Circuito del filtro de rumble.

Partiendo de la explicacin anterior, en la figura 3 podemos observar el filtro de

rumble que fue diseado en el proyecto. Consta de dos capacitores, dos resistencias


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para la frecuencia de corte y una fuente de entrada simtrica a base de amplificador

operacional.

Su funcionamiento es muy sencillo. El amplificador operacional U1B trabaja en

este caso como una fuente de voltaje simtrica con la que ser alimentado el circuito.

El voltaje es dividido en dos exactamente, al utilizar dos resistencias en serie del

mismo valor. Se recomienda de valores altos alrededor de los 10K para que la

energa de la alimentacin (que puede ser una batera de 9V) no se acabe sin usar el

dispositivo. La entrada positiva del operacional UB1 es conectado entre las dos

resistencias para que sea el punto de referencia, ya que luego, en los otros extremos

de las resistencias, habr una tensin de , uno positivo y otro negativo. Esta

tcnica de dividir el voltaje, es el que utilizaremos para alimentar al amplificador

operacional.

Como parte del circuito principal tenemos conectado a la entrada un generador

de seales, dos capacitores y dos resistencias.

La seal de entrada al circuito proviene del generador de seales, que esta

conectado a un capacitor (C1) de acople para evitar seales parasitas. Luego las

resistencias (R3 y R4) junto al capacitor (C2) son los encargados de determinar la

frecuencia de corte del filtro. La resistencia (R3) en este caso es de realimentacin delcircuito por ser un filtro de segundo orden. Y la salida del circuito la obtenemos en el

punto comn entre la patilla 1 del amplificador operacional (U1A) y la resistencia

(R3).


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Clculos

Partiendo de la ecuacin para determinar la frecuencia de corte tenemos y

sabiendo que un filtro de rumble se encarga de suprimir frecuencias de 150Hz hacia

abajo entonces tenemos:

Teniendo un margen de tolerancia del 5% para el circuito entonces:

La ganancia debe ser unitaria por lo que al simular el circuito a una frecuencia

media de trabajo y calculando con la ecuacin de ganancia obtenemos:


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Diseo del Circuito

Tomando en consideracin los datos tericos, entonces se procede a la

adquisicin de los materiales, entre ellos, dos capacitores de 10nF y una resistencia de

100Kpara el filtro de rumble, una resistencia de 10Kpara la realimentacin, dos

resistencias de 10K para la fuente simtrica y siguiendo lineamientos para un

circuito de filtros pasa alto de segundo orden y los clculos tericos, se obtiene

entonces, un circuito que suprime o atena las frecuencias de 150Hz para abajo y dejapasar las superiores.

Simulaciones de los Circuitos

Figura 4. Diagrama de Bode con frecuencia de corte inferior


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Figura 5. Diagrama de Bode con frecuencia de corte superior

Figura 6. Onda de salida Vs Onda de entrada a 80Hz se observa atenuacin completa


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Figura 7. Onda de salida Vs Onda de entrada a 150Hz se observa atenuacin


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Figura 8. Onda de salida Vs Onda de entrada a 250Hz se observa un poco de atenuacin y desfaseentre la entrada y la salida.


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Figura 9. Onda de salida Vs Onda de entrada a 300Hz ya no se observa atenuacion pero hay desfaseentre la entrada y la salida.


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Figura 10. Onda de salida Vs Onda de entrada a 1KHz se observa un leve desfase.


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Figura 11. Onda de salida Vs Onda de entrada a 100KHz no hay ganancia ni desfase con lo que seconfirma que es un filtro de ganancia 1.


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Figura 12. Onda de salida Vs Onda de entrada a 1,2MHz se observa atenuacin de la onda ya que sesuper la frecuencia de corte superior, con lo que la seal de salida se comienza a atenuar.


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Figura 13. Circuito del filtro de rumble simulado en Multisim.

Tablas de Funcionamiento

Tabla 1. Datos recolectados de la Prueba

Variable 80Hz 150hZ 250Hz 1KHz 1.2Mhz

V (in) 200mV 200mV 200mV 200mV 200mV

V (out) 7.29mV 26,98mV 140.52mV 347.58mV 31.648mV

Atenuacin Completa Casi completa Media Ninguna Casi completa

Ganancia 0.03645 0.1349 0.7026 1,7379 0.15824


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CONCLUSIONES

Si queremos eliminar de un circuito el paso de ciertas frecuencias, entonces lo

ideal seria utilizar un filtro. En este caso, se quiere eliminar las frecuencias por

debajo de los 150Hz, por lo tanto se utiliza un filtro pasa alto, el cual solo deja pasar

las frecuencias por encima de la frecuencia de corte. Para conseguir la frecuencia

deseada, la eleccion de resistencias y capacitores adecuados, es la clave para el xito.

Cabe sealar, que al ser diseado un filtro activo para este trabajo, se utiliz un

amplificador operacional, el cual debe ser alimentado con un voltaje positivo y otro

negativo de igual magnitud de tension.

Ademas, se utiliz tambien una fuente simetrica con amplificadores

operacionales por si existe la posibilidad de que no podamos acceder a dos fuentes de

alimentacion distintas.


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RECOMENDACIONES

Debido a que el comportamiento del filtro de rumble es logaritmico, entonces

es recomendable aumentar un poco la frecuencia de corte, para que los dB de

atenuacion al llegar a los 150Hz para abajo sean notables y las frecuencias sean

suprimidas con mayor efectividad.


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REFERENCIA BIBLIOGRFICA

http://es.wikipedia.org/wiki/Condensador_el%C3%A9ctrico

http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_operacional

http://es.wikipedia.org/wiki/Filtro_de_paso_alto

Electrnica: teora de circuitos y dispositivos electrnicos. Autores. Robert L.

Boylestad, Louis Nashelsky.


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ANEXOS


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