Filtros y transformadores.

Los filtros eléctricos tienen la misión de manejar grupos de frecuencias que se identifican como bandas, bien para permitir su paso o para suprimirlo. Los filtros eléctricos están integrados por distintas combinaciones de circuitos resonantes serie y paralelo. Tienen muchas aplicaciones en electrónica y radiofrecuencia. Sin los filtros, no funcionarían nada bien la mayoría de los equipos electrónicos como verás más adelante.

Clases de filtros.

Se clasifican en:

Filtro pasa bajo:

Significa que permite el paso de las frecuencias desde cero a un determinado valor, es decir un espectro de frecuencias bajas.

Filtro pasa altos:

Permiten el paso de la señal a partir de una frecuencia de corte, hacia arriba.

Filtro supresor de banda:

Dentro de un amplio rango de frecuencias, permiten permite el paso de todas ellas, menos de una determinada banda.

Filtro pasa banda:

Lo contrario a lo anterior. Impide el paso del extenso espectro de frecuencias, salvo una banda seleccionada.

El cambio de un estado a otro no se produce en forma bien definida, sino gradualmente. Si es necesaria una acción más enérgica, a una determinada frecuencia, se colocan filtros en serie.

Otro punto a tener en cuenta es la transferencia de señal. Uno de los teoremas de la electricidad dice que:
la máxima transferencia de potencia de un circuito a otro se logra cuando la impedancia del circuito emisor de la potencia, es igual a la impedancia del circuito receptor de potencia.
Por tanto es conveniente que la carga conectada al filtro sea del mismo orden que la impedancia de entrada al filtro. Estudiemos esto último comentado:

filtros

En el circuito A, ves un circuito con 3 generadores, uno de alta frecuencia, otro de baja frecuencia y otro de continua, conectados en serie con una resistencia y la carga.
Como ya sabes por R pasarán las 3 señales de frecuencias de las fuentes (la continua tiene una frecuencia cero), produciendo efecto sobre R, por lo que sobre la carga estarán presentes los efectos de los 3 generadores sin discriminación alguna. Pero en B, en vez de una resistencia hay un condensador, ya la corriente continua, no pasa, y respecto a las frecuencias bajas, el condensador tiene una reactancia alta frente a las frecuencias altas cuya impedancia es baja.

En C, se sustituye el condensador por una inductancia cuya oposición al paso de la corriente continua va a ser baja, así como a las frecuencias bajas que ofrece poca reactancia inductiva. A frecuencias elevadas la reactancia es grande.

¿A qué nos lleva todo esto? a que, según el tipo de elemento y la frecuencia de trabajo, se obtendrán en la carga unos resultados u otros, ya que permitirán en la carga el paso de una frecuencia u otra distinta. Este es el principio de funcionamiento de los filtros electrónicos.

Filtro pasa bajos.

El nombre ya dice que es un circuito que permite el paso por la carga de frecuencias bajas. En la figura se te muestra un filtro de este tipo.

filtro pasabajo

Como ves, el condensador está en paralelo con la carga. Dicho condensador se ocupa de las frecuencias altas a las que tiene mínima impedancia, con lo cual, estas frecuencias altas son absorbidas por el condensador y las bajas frecuencias pasan por la bobina debido a la baja impedancia que presenta esta a estas frecuencias. Así pues, el condensador absorbe las frecuencias altas que hayan podido atravesar L, para así no afectar al funcionamiento de la carga.

Para calcular los valores de frecuencia a los que actuar este filtro se tiene que calcular sus componentes, y sus valores se calculan aplicando la siguiente fórmula:

calculo del filtro pasabajos

Estando L, en Henrios y C, en Faradios. Fc representa la frecuencia de corte; Z la carga o impedancia.

Filtro supresor de banda.

En la siguiente figura se observa como el condensador impide el paso de la corriente continua y va a ofrecer un valor importante de reactancia capacitiva a las bajas frecuencias. El inductor L, en paralelo con la carga, ofrece un valor de reactancia a las bajas frecuencias menor que el de la carga, es decir que las bajas frecuencias, atraviesan L y las altas frecuencias la carga.

filtro pasa altos

Filtro supresor de banda.

Este filtro es más complejo que los anteriores; se recurre a 2 circuitos sintonizados.

filtro supresor de banda

En el camino, la señal se encuentra un circuito anti resonante formado por los elementos L2 y C2. Dicho circuito se opone al paso de las frecuencias que se quieren suprimir. En paralelo con la carga hay un circuito resonante, que a esas frecuencias, ofrece una baja impedancia, menor que la de la carga. De la combinación de ambos circuitos resonantes se obtiene la eliminación de un rango de frecuencias. De f1 a f2, la señal se atenúa y este es el rango de frecuencias que se quedan suprimidas.

Puedes observar las formulas que utilizan sus componentes para calcular la banda a suprimir.

Filtro pasa banda.

Este tipo de filtro tiene un comportamiento opuesto al anterior. en lugar de impedir el paso de una banda, facilita su paso. Los conceptos son muy similares al caso anterior salvo en la distribución de los circuitos resonantes que están cambiados de posición.

filtro pasa banda

Clasificación de los filtros.

Existe en la actualidad una clasificación de los filtros electrónicos dependiendo de su uso, el trabajo de frecuencias o su función. A continuación te muestro la clasificación de los mismos en función de sus características:

Segun la ganancia

Filtros pasivos:
Su circuito esta formado por componentes pasivos como condensadores, bobinas y resistencias, los que atenuarán la señal en mayor o menor grado.

Filtros activos:
Su circuito contiene amplificadores operacionales. Pueden presentar ganancia en toda o parte de la señal de salida respecto a la de entrada. En caso de frecuencias muy altas puede contener bobinas.

Según la frecuencia

Filtro paso bajo:
pasarán las frecuencias por debajo de la frecuencia de corte Es aquel que permite el paso de frecuencias por debajo de la frecuencia de corte.

Filtro paso alto:
Es el que permite el paso de frecuencias desde una frecuencia de corte determinada hacia arriba, sin que exista un límite superior especificado.

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:
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 paso todo o ecualizador de fase:
Idealmente no presenta atenuación, sino que influye sólo sobre la fase.

Filtro multibanda:
Es que presenta varios rangos de frecuencias en los cuales hay un comportamiento diferente.

Filtro variable:
Es aquel que puede cambiar sus márgenes de frecuencia.

Segun su diseño

Filtro de Butterworth
Filtro de Bessel
Filtro de Chebyshov I
y Filtro de Chebyshov II
Filtro de Cauer (elíptico).

Según su aplicación

Filtro de red:
Este tipo de circuito impide la entrada de ruido externo, además impide que el sistema contamine la red, de tal forma que se pueden utilizar fuentes analógicas y digitales o fuentes PWM que afecten negativamente el resto del equipo. También es posible corregir el factor de potencia ya que el circuito reduce significativamente los picos de corriente generados por el condensador al cargarse. El circuito consiste básicamente en un filtro paso bajo en donde la primera bobina elimina ruido en general (frecuencias altas), junto con los condensadores. El transformador elimina el ruido sobrante, que los condensadores no eliminan. Al transformador se le denomina choque de modo común. Son los utilizados para garantizar la calidad de la señal de alimentación, éstos tienen como objetivo eliminar ruidos tanto en modo común como en modo diferencial.

Otros tipos

Filtros piezoeléctricos:
Este filtro aprovecha las propiedades resonantes de determinados materiales como el cuarzo. Este cristal de cuarzo se utiliza como componente de control de la frecuencia de circuitos osciladores convirtiendo las vibraciones mecánicas en voltajes eléctricos a una frecuencia específica. Esto ocurre debido al efecto piezoeléctrico. En un material piezoeléctrico, al aplicar una presión mecánica sobre un eje, dará como consecuencia la creación de una carga eléctrica. En algunos materiales, se encuentra que aplicando un campo eléctrico según un eje, produce una deformación mecánica según otro eje ubicado a un ángulo recto respecto al primero. Por las propiedades mecánicas, eléctricas, y químicas, el cuarzo es el material más apropiado para fabricar dispositivos con frecuencia bien controlada.

Transformadores.

El transformador se utiliza principalmente con 2 fines: para cambiar el valor de la tensión o corriente alterna (aumentándola o disminuyéndola) o adaptando impedancias, acoplando circuitos y obtener un mayor rendimiento.

Transformador como variador de tensión

Se trata de una máquina estática compuesta por un bobinado llamado primario y otro secundario, unido a través de un flujo magnético.

transformador

Al primario (A), se le aplica una tensión cuyo valor se quiere modificar. Esa tensión desarrolla un campo electromagnético que induce una tensión en el secundario (B). Para que el transformador pueda funcionar, al primario se le alimenta con corriente alterna, pero a veces se le aplica una corriente continua con pulsos. Mientras la frecuencia de esos pulsos sea menor, mas se calentará el transformador, pudiendo llegar a destruirse por el calor generado (efecto Joule).

En electrónica se suelen utilizar transformadores elevadores o reductores de tensión con pulsos o señales de baja frecuencia, como los que se conectan a la red eléctrica o con señales utilizadas para amplificadores de audiofrecuencia. Si de lo que te hablo te suena a chino, repasa el tema 6, por favor.

En el dibujo se observa un transformador con 2 bobinas unidas a un armazón de hierro dulce o cualquier otra aleación ferro magnético. El armazón está formado por decenas de láminas puestas unas sobre otras, para así facilitar la refrigeración y la histéresis magnética.

La energía del primario al secundario será tanto eficaz cuanto mayor sea el acoplamiento de los bobinados, de manera que los mayores números de fuerzas magnéticas del primario, corten al secundario.

El principio de la conservación de la energía nos indica que la energía no se destruye, sino que se transforma. Por lo tanto si a un dispositivo se le aplica energía, este dispositivo la tiene que entregar. Pero, ¿entrega el mismo valor del que recibió? Indudablemente que no. Los dispositivos que manejan energía producen trabajo, y el trabajo es parte de energía transformada. El trabajo se puede medir en calor, o en vatios. Si se ha trasferido del primario al secundario una energía eléctrica, una parte de esa energía del primario, se ha perdido en forma de calor generado por el transformador, y otra parte se ha perdido por perdidas en el transformador como puede ser autoinducción. Este gasto de energía hay que restársela al la energía que llega al primario para saber que perdidas tiene el transformador. Esta relación de energía recibida y energía entregada se llama rendimiento. El transformador aún así tiene un rendimiento mayor que cualquier otra máquina, ya que alcanza el 98% de su rendimiento.

Funcionamiento en vacio.

Vamos a considerar un transformador cuyo primario tiene 500 vueltas y un secundario de 10000 vueltas trabajando en vacío, sin conectarlo a ninguna carga. Se le aplica una tensión al primario de 500 voltios eficaces. Esta tensión se equilibra por la caída de tensión del primario, debido a su pequeña resistencia óhmica, y a la fuerza de autoinducción también llamada fuerza contra electromotriz. Haciendo caso omiso de la perdida por la resistencia óhmica del primario, se puede decir que la tensión auto inducida en el primario es de 500 voltios, igual que la entrada de tensión.

Por tanto, la tensión auto inducida en cada espira del primario es de 1 voltio. Suponiendo que el rendimiento del transformador es del 100%, todo el campo electromagnético que desarrolla el primario, también lo corta el secundario, por lo que en este se va a inducir por cada espira una tensión de 1 voltio. Como el secundario tiene 10000 espiras, la tensión total en los terminales del secundario será de 10000 voltios.

Por tanto, la tensión del primario es a la del secundario, como el número de vueltas del primario al número de vueltas del secundario:

relación de transformación

Siendo E, el voltaje; N, el número de espiras o vueltas; p, primario; s, secundario; y n la llamada relación de transformación.

Si esta relación es superior a la unidad (1), significa que el primario hay mas espiras que en el secundario, por lo que este transformador es reductor de tensión. Si es inferior a la unidad, existen más espiras secundarias que primarias, por lo tanto es un elevador de tensión.

La potencia que absorbe el transformador cuando no tiene carga conectada es muy pequeña, pues el primario se comporta como una bobina con muy poca resistencia óhmica y una gran inductancia que opone fuerte reactancia al paso de la corriente Ip que resulta muy pequeña, aunque suficiente para crear campo magnético para mantener el valor de la fuerza contra electromotriz. La potencia en vacío del primario no debería de superar el 3% de la potencia normal.

Funcionamiento del transformador con carga

En estas condiciones el secundario está conectado a una carga a la que suministra corriente. Imagina el ejemplo anterior pero con la diferencia de que el secundario está conectado a una resistencia pura, no introduciendo desfase entre la tensión y la intensidad. En un momento dado, la corriente por la bobina del primario comienza a crecer; la corriente del secundario está desfasada 180º respecto a la del primario (debido a la inducción) a su vez este secundario creará un campo magnético de sentido opuesto al campo original del primario.

Estos fenómenos se producen en todos los instantes. Como el flujo magnético del secundario se opone al primario, este flujo se considera desmagnetizante, por lo que disminuye la imantación del núcleo y con ello la autoinducción del primario, con lo que se reduce la reactancia Xl del mismo; y como está conectado a los 500 voltios, para mantener el equilibrio y contrarrestar la acción del flujo magnético del secundario, circula más corriente por el primario para aumentar el flujo magnético primario y aumentar al flujo magnético del secundario.

Con el ejemplo lo vas a entender:

Supongamos que el primario tiene 500 vueltas y el secundario 50 vueltas y se conectan al secundario 20 lámparas cuyo consumo es de 1 amperio por lámpara; por tanto el consumo en el secundario será de 20 amperios. Como el secundario tiene 50 vueltas, los amperios - vueltas serán de 20A * 50 vueltas = 1000 Av. Este amperaje vuelta, va a reducir el campo magnético del primario, (ya que el consumo es muy grande y se considera desmagnetizante) lo que va a hacer que aumente la intensidad en el primario, de manera que los nuevos amperios - vueltas compensen los amperios - vueltas del secundario. Como el primario tiene 500 vueltas, requerirá de la línea de alimentación un número de amperios - vueltas supletorio igual a 1000 Av ÷ 500 vueltas = 2Amperios.

Por tanto has visto como se adapta el transformador al consumo del secundario, por tanto la potencia en el primario va a variar de acuerdo a la carga del secundario. Si aumenta la carga del secundario, el primario cogerá mas carga de la fuente.

Relación entre corrientes del primario y secundario

Ya se han señalado que el transformador es una máquina estática con un rendimiento muy elevado. Suponiendo que sea n = 1, podemos aceptar que la potencia absorbida por el secundario es igual a la que toma del primario (recuerda el factor n). Imagina el ejemplo:

Np = 500 vueltas;
Ns = 10000 vueltas
Ep = 500 voltios
Es = 10000 voltios

Supongamos que Ip = 100 amperios. Según la ley de Ohm:

Relación de Ohm

Agrupando términos:
Es ÷ Ep = Ip ÷ Is

Pero como Ep ÷ Es = Np ÷ Ns
Tenemos Ip ÷ Is = Ns ÷ N = Es ÷ Ep

Siendo P, potencia; E, tensión; N, número de vueltas; I, intensidad; p, primario y s, secundario.