Las aplicaciones que involucran sensores en circuitos de bajas frecuencias, como las aplicaciones médicas, circuitos de audio, sensores industriales y telecomunicaciones, pueden requerir en ciertos momentos el uso de filtros pasa bajas. La mejor manera de implementar filtros activos paso-bajos es la que hace uso de amplificadores operacionales. En este artículo reunimos una colección de circuitos de filtros paso-bajos sugeridos por diversos fabricantes de componentes como Texas Instruments, National Semiconductor y Philips.
Un filtro pasa bajas deja pasar sólo las señales que tienen frecuencia por debajo de cierto valor, denominado frecuencia central o de corte del filtro, como muestra la figura 1.
A partir de esa frecuencia (fo) la ganancia del circuito cae, obteniéndose así una atenuación más o menos acentuada de la señal. En la figura tenemos atenuaciones más suaves de 6 dB y atenuaciones más fuertes, de 18 dB. El valor de esta atenuación dependerá de la configuración o el orden del filtro.
A continuación, damos una selección de filtros de este tipo usando amplificadores operativos. Las características pueden variar sensiblemente según el tipo de amplificador usado. Con base en los valores de los componentes mostrados, el lector puede modificar el filtro para operar con otras frecuencias.
1. Filtro Pasa-Bajas Básico
El circuito mostrado en la figura 2 es sugerido por National Semiconductor y hace uso de un amplificador operacional que puede ser el LM102.
Los valores de los componentes se calculan mediante la fórmula junto al diagrama. La resistencia R2 tiene el mismo orden de valor que R1. La relación entre R3 y R1 determina la eficiencia del filtro, es decir, el modo como ocurre la atenuación de la señal a partir de la frecuencia de corte.
Para este filtro de primer orden la atenuación es de 6 dB por octava.
En la figura 3 tenemos un gráfico que muestra la atenuación para una relación de valores entre R3 y R1 de 10.
Se observa que, cuanto mayor sea la ganancia en la banda pasante del filtro, menor debe ser la frecuencia de corte, pues la ganancia es función del rango pasante en ese tipo de componente.
2. Filtro con LM102
En la figura 4 tenemos otro circuito sugerido por National Semiconductor, haciendo uso de un amplificador operacional LM102.
La frecuencia de corte de este filtro es de 10 kHz y C1 debe mantener la relación indicada con C2.
Los valores de los componentes se pueden cambiar para que se modifique la frecuencia de corte de este filtro.
3. Filtro de segunda orden (12 dB / octava)
El circuito mostrado en la figura 5 tiene una acción más eficiente, con una atenuación de 12 dB por octava a partir de la frecuencia de corte, calculada por la fórmula junto al diagrama. Observe que C3 debe mantener la relación de la mitad del valor de C1 y C2.
El amplificador operacional utilizado es del tipo con transistores de efecto de campo en la entrada como los de la serie TLC o aún el CA3140. La fuente de alimentación debe ser simétrica y la impedancia de entrada es muy alta.
4. Filtro de Quinta Orden (30 dB / Octava)
El filtro mostrado en la figura 6 utiliza dos amplificadores operativos con JFET en la entrada para proporcionar una acción de corte de 30 dB por octava.
Los valores de C1 y C2 se calculan según la frecuencia, según las fórmulas dadas junto al diagrama.
Observe que es necesario tener una ganancia elevada y una alta impedancia de entrada para los operativos para compensar la atenuación de las redes RC de ese filtro.
También es necesario tener en cuenta los límites de frecuencia de los amplificadores operativos usados. En realidad, estos circuitos se adaptan bien a la operación en frecuencias que no superen algunas decenas de kilohercios,
Las fuentes de alimentación usadas para los amplificadores deben ser simétricas. Operacionales con JFET como los de la serie TLC y CA son los más indicados para esos circuitos.
5. Filtro de segundo orden con 741
El filtro mostrado en la figura 7 se puede implementar con amplificadores de uso general como el 741.
Los capacitores determinan la frecuencia de corte, que en este caso está alrededor de 500 Hz. Estos valores pueden ser alterados para obtener un corte en otras frecuencias, siempre que no supere los 100 kHz, a partir de lo que el propio amplificador deja de ser lineal en la banda pasante.
No se recomienda cambiar los valores de los resistores, sino solamente los capacitores para operación en otras frecuencias.
La fuente de alimentación debe ser simétrica y la impedancia de entrada es alta. Los amplificadores como el LM1558 o LM1548 se pueden utilizar en este filtro.
6. Filtro de 1 Hz
En la figura 8 tenemos un filtro de segundo orden de altísima impedancia de entrada, usando un amplificador operacional con transistores de efecto de campo de unión en la entrada.
La frecuencia de corte es dada por los capacitores junto con los resistores. Si el lector desea cambiar la frecuencia de corte debe cambiar los valores sólo de los capacitores.
La fuente de alimentación utilizada en este circuito debe ser simétrica y como la impedancia de entrada es altísima, las precauciones redobladas deben tomarse con los cables de entrada de señales.
7. Filtro de 1 500 Hz
El filtro de segundo orden mostrado en la figura 9 es sugerido por Texas Instruments, basándose en el amplificador operacional TL081 (LinMOS), con una ganancia de 1,586 o 4 dB.
A partir de la frecuencia de corte, la atenuación es de 12 dB por octava.
La ganancia del circuito puede ser alterada, pues es dada por la alteración de RB y de RA, sin embargo, esas resistencias deben tener valores que mantengan la relación indicada en el circuito.
La fuente de alimentación para este circuito también debe ser simétrica y los amplificadores operativos de la misma familia se pueden utilizar sin problemas.
8. Filtro de 1 kHz com o TL271
Se trata de una versión similar a las anteriores pero con componentes calculados para una frecuencia de 1 kHz. El circuito mostrado en la figura 10 es sugerido por Texas Instruments en su Linear Circuits Application.
La impedancia de entrada es de 10 k ohms y la fuente de alimentación debe ser simétrica. Como en los demás circuitos, se pueden alterar los valores de los capacitores, manteniendo sus relaciones para obtener otras frecuencias de corte.
Recordamos que el amplificador operacional utilizado es del tipo que utiliza transistores de efecto de campo y por lo que presenta una resistencia de entrada extremadamente alta.
9. Filtro Ajustable de 2 a 20 kHz
El filtro mostrado en la figura 11 puede tener su frecuencia de corte ajustada entre 2 kHz y 20 kHz aproximadamente.
La frecuencia central de la pista es determinada por los capacitores, los cuales pueden tener sus valores alterados.
Observe que se utiliza un potenciómetro doble que debe ser conectado de modo que las resistencias de sus secciones varíen de la misma forma.
El amplificador operacional utilizado es el 741 pero equivalentes se pueden emplear. La fuente debe ser simétrica de 6 + 6 V para el 741 u otras tensiones según los amplificadores operacionais usados.
La resistencia de entrada es del orden de 100 k ohmios y la ganancia en la banda pasante es unitaria.
10. Filtro de tres secciones de 5ª Orden
Nuestro último circuito es sugerido por Texas Instruments y con los valores de los componentes tenemos una frecuencia de corte de aproximadamente 1 kHz. El circuito mostrado en la figura 12 utiliza tres amplificadores operacionales con transistores de efecto de campo en la entrada, como los de la serie TL.
La fuente de alimentación debe ser simétrica y la resistencia de entrada es muy alta.
Conclusión
Los filtros que se muestran en este artículo admite muchos cambios en los valores de los componentes, según la aplicación y el propio amplificador utilizado.
Vale para el lector la idea básica de cada circuito que se puede utilizar en la forma original o modificado según las necesidades. En nuevos artículos en este sitio, continuaremos con más filtros, dando una selección de filtros paso - altos que son igualmente de gran utilidad para todos los proyectistas.
