DISEÑO DE FILTROS ELIMINA BANDA WIEN-ROBINSON

Diego Guillermo Manchay Chasipanta.dmanchay@est.ups.edu.ec Curso 5° G1

22 Febrero, 2015. Universidad Politécnica Salesiana.

Abstract— This document details the concept and testing for active notch filter in Wein-Robinson configuration which uses operational amplifiers, and applied in many fields of electrical engineering especially in signal conditioning low as 60Hz mains frequency and to limit noise and higher harmonics.

KEYS WORDS: Active Filter, Operational Amplifier, Wein-Robinson.

RESUMEN: El presente documento detalla el concepto y el

ensayo para realizar un filtro activo elimina banda en confi-guración Wein-Robinson el cual utiliza amplificadores ope-racionales, y se aplica en muchos campos de la ingeniería eléctrica especialmente en acondicionamiento de señales de baja frecuencia de red como 60Hz y para limitar ruido y armónicos de orden superior.

PALABRA CLAVE: Filtro Activo, Amplificador Operacional, , Wein-Robinson.

I. INTRODUCCIÓN.

Un filtro es un dispositivo que pasa señales eléctricas a

ciertas frecuencias o los rangos de frecuencia, mientras que

impide el paso de otras.

Circuitos de filtro se utilizan en una amplia variedad de apli-

caciones., en el campo de las telecomunicaciones, filtros de

paso de banda se utilizan en la gama de frecuencias de au-

dio (0 kHz a 20 kHz) para los módems y el procesamiento

del habla. Filtros de paso de banda de alta frecuencia (va-

rios cientos de MHz) son utilizados para la selección de ca-

nales en las oficinas centrales telefónicas. Sistemas de ad-

quisición de datos por lo general requieren filtros de ruido

de paso bajo en su señal anterior etapas acondicionado.

Rendimiento de las instalaciones suministros suelen utilizar

filtros de banda de rechazo para suprimir la frecuencia de lí-

nea de 60 Hz y los transitorios de alta frecuencia.

Además, existen filtros que no filtran las frecuencias de una

señal de entrada compleja, pero sólo tiene que añadir un

desplazamiento de fase lineal para cada componente de

frecuencia, contribuyendo así a un constante retardo de

tiempo. Estos son los llamados filtros pasa-todo.

A altas frecuencias (> 1 MHz), todos estos filtros usualmen-

te consisten de componentes pasivos tales como inductores

(L), las resistencias (R), y condensadores (C). A continua-

ción, se llaman filtros LRC.

En el rango de frecuencia más baja (1 Hz a 1 MHz), sin em-

bargo, el valor del inductor se vuelve muy grande y el propio

inductor pone bastante voluminoso, lo que dificulta la pro-

ducción económica.

En estos casos, los filtros activos se vuelven importantes.

Filtros activos son circuitos que utilizan un operativa amplifi-

cador (op amp) como el dispositivo activo en combinación

con algunas resistencias y condensadores para proporcio-

nar un rendimiento del filtro LRC.

II. MARCO TEÓRICO.

2.1 FILTROS BANDA ELlMlNADA[1]

Hay muchas formas 'de implementación para l0s filtros ban-

da eliminada.

Estos utilizan de uno a cuatro amplificadores operacionales

en cada etapa de segundo orden. En muchas aplicaciones,

un filtro banda eliminada solo necesita bloquear una fre-

cuencia aislada. Por ejemplo, las líneas de tensión pueden

inducir un <<murmullo> de 50 Hz (60 Hz en Estados Uni-

dos) en circuitos sensibles; esto puede interferir con una se-

ñal deseada. En este caso se puede utilizar un filtro banda

eliminada para atenuar la señal no deseada.

Cuales son la ganancia de tensión, frecuencia central y Q

para el filtro banda eliminada mostrado en la Figura1 si R=

22 k, C=120nF, R,=13k yR2=10kR ?

Figura N 1 filtro activo[1]

La Figura 2a representa la respuesta. Nótese lo abrupta

que es la ranura para un filtro de segundo orden.

Incrementando el orden del filtro, se puede ampliar la ranu-

ra.

Por ejemplo, la Figura 2b muestra la respuesta en frecuen-

cia para un fiItro.de ranura con n = 20. La ranura más am-

plia reduce la sensibilidad de 10s componentes y garantiza

que la señal de 60 Hz se atenuara enormemente.

Figura 2a) Filtro de ranura de segundo orden a 60 Hz;

b) filtro de ranura con n = 20.[2]

2.2. FILTRO ACTIVO ELIMINA BANDA WIEN-ROBIN-

SON[2]

El puente de Wien-Robinson en la figura 1 es un filtro de re-

chazo de banda pasiva con diferencial de salida. La tensión

de salida es la diferencia entre el potencial de un divisor de

tención continua y de la salida de un filtro de paso de ban-

da. Su factor Q está cerca de la del circuito de doble T.

Para lograr mayores valores de Q, el filtro está conectada

en el bucle de realimentación de un amplificador.

Figure1. PassiveWien-RobinsonBridge[2]

Figure 2. Active Wien-Robinson Filter[2]

El filtro activo Wien-Robinson en la figura2 tiene la función

de transferencia.

EC: 1[2]

La comparación de las variables de la ecuación 1 propor-

ciona las ecuaciones que determinan los parámetros de fil-

tro:

EC:2[2]

Para calcular los valores de los componentes individuales,

establecer el procedimiento siguiente diseño:

EC:3[2]

En comparación con el circuito de doble T, el filtro de Wien-

Robinson permite la modificación de la ganancia de la ban-

da de paso, AO, sin afectar el factor de calidad, Q.

Si fm no se suprime completamente, debido a tolerancias

de los componentes de R y C, un ajuste finode la resisten-

cia 2R2 se requiere.

Figura 3 muestra una comparación entre la respuesta del fil-

tro de una banda de rechazo pasiva filtrada con Q = 0,25, y

un filtro de segundo orden activo con Q = 1, y Q = 10.

Figura 3. Comparativa de Q Entre pasiva y activa de Filtros

de rechazo de banda [2]

2.2.1. VALORES DE COMPONENTES[2]

Los valores de resistencia deben permanecer dentro del

rango de 1 a 100 k ~ k ~. El límite inferior evita excesivo

consumo de corriente de la salida del amplificador operacio-

nal, que es particularmente importante para single supply

Amplificadores operacionales en aplicaciones sensibles al

poder. Estos amplificadores tienen corrientes de salida típi-

cos de entre 1 mA y 5 mA. En una tensión de alimentación

de 5 V, esta corriente se traduce a una mínimo de 1 k.Q.

El límite superior de 100 k ~ es para evitar el ruido resisten-

cia excesiva.

Los valores del condensador pueden variar desde 1 nF a

varios I ~ F. El límite inferior Evita acercarse demasiado cer-

ca de capacitancias parásitas. Si la capacidad de entrada

de modo común del amplificador operacional, se debe con-

siderar para una respuesta de filtro exacta. La topología

MFB, en comparación, no requiere entrada- compensación

de capacitancia.

2.2.2. SELECCIÓN AMPLIFICADOR OPERACIONAL[2]

El más importante parámetro amplificador operacional para

la funcionalidad de filtro adecuado es el ancho de banda de

ganancia unitaria.

En general, la ganancia de bucle abierto (AOL) debe ser

100 veces (40 dB por encima) del pico de Ganancia (Q) de

una sección de filtro para permitir que un error de ganancia

máxima de 1%.

Figura 4. Open-Loop Gain , and Filter Response

Tabla 1. Guía de selección de Amp Op Single-Supply (TA =

25 ~ Vcc = 5 V))

III. CONCLUSIONES

En la ingeniería e industria en general existen muchas apli-

caciones de los filtros activos con RLC así como muchas

configuraciones para su utilización para orden de diferente

rango dado el caso.

En los filtros activos de orden superior como de tercer de

cuarto y quinto orden la configuración de Wien-Robinson

para un filtro activo es una opción necesaria para obtener

una respuesta de frecuencia de corte de acuerdo al diseño.

Al igual que ocurre con los filtros doble T estos filtros acti-

vos tienen un factor de calidad de tan solo 0,25 lo que limita

su banda.

Los filtros elimina banda de configuración Wein-Robinson

se pueden mejorar utilizando una red activa.

IV.REFERENCIAS

[1] Albert Paul Malvino “CAP-21 Filtros Activos”Principios de

Electrónica, Sexta Edición, pp 861-865.-2007

[2] Thomas Kugelstadt ” CAP-16 Active Filter Design Tech-

niques” Op Amps for Everyones, Second Edition, Texas In-

struments.pp 261-275,279.-2003