Practica CIA

Introducción:

Filtros activos.

Como ya sabemos, entre las características que pueden determinar a una señal eléctrica está la frecuencia.  En muchos casos, en la práctica, a través de un circuito, puede pasar más de una señal eléctrica, es decir, pueden pasar señales eléctricas con distinta frecuencia; sin embargo, se puede dar el caso de que en determinadas circunstancias solo interesa única y exclusivamente una de las señales que pueden circular por el circuito.  Esta "selección" de una señal eléctrica según la frecuencia que tenga es lo que hacen los filtros.

En sus primeros años los filtros estaban hechos únicamente por elementos pasivos, es decir, resistencias, condensadores e inductancias.  Sin embargo después se introdujo el término de filtros activos, con la aparición del amplificador operacional se consiguió una mejora notable en la fabricación de los filtros, ya que se ha podido prescindir de las inductancias.  La mejora conseguida con el cambio de inductancias por amplificadores operacionales es apreciable en lo que se refiere a respuesta, aprovechamiento de la energía (menor disipación), tamaño y peso, ya que las inductancias no se pueden integrar en un circuito y, por tanto, son elementos discretos con un tamaño considerable. Como desventajas de estos filtros (filtros activos RC) frente a los filtros fabricados con elementos pasivos (filtros RLC) están las limitaciones en los niveles de tensión y corriente y los efectos parásitos inducidos por los elementos activos, como por ejemplo la tensión de desplazamiento en corriente continua a la salida, la corriente de polarización en la entrada, etc, ruido, etc.  Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones que se dan a los filtros, las ventajas de los filtros activos RC sobre los pasivos RLC son más numerosas; de ahí que estén tomando una importancia cada vez mayor en el campo de la ingeniería.  Los filtros activos son circuitos compuestos por resistencias, condensadores y amplificadores operacionales, cuya finalidad es dejar pasar a través de ellos las frecuencias para las que han sido diseñados, eliminando por tanto el resto de las frecuencias que no interesan.  Esto se consigue atenuando o incluso llegando a anular aquellas cuya frecuencia no está en el margen de frecuencias admisible.

Como se vio en clase, existen cuatro tipos de filtros, que son: filtros pasa-bajas, pasa-altas, pasa-banda y filtros supresores 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, como se ve en la siguiente imagen va de 0 a fc (frecuencia de corte) , en un filtro rechaza banda,  las señales con frecuencias comprendidas entre fc1 y fc2 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, como su nombre indica, son capaces de atenuar o incluso eliminar frecuencias concretas, en un filtro rechaza-banda,  las señales con frecuencias comprendidas entre fc1 y fc2 son las únicas que no pasan

[pic 1]

Esta imagen muestra los cuatro filtros; pasa baja, pasa alta, pasa banda y supresor de banda.

¿Qué es y en qué consiste un ecualizador?

Un ecualizador es un dispositivo que modifica el nivel del contenido en frecuencias de la señal que procesa. Para ello modifica las amplitudes de sus coeficientes de Fourier, lo que se traduce en diferentes niveles para cada frecuencia.

La frecuencia de una señal se mide en Hertz (Hz), y cuanto más alta sea, más aguda la oímos. Por ejemplo, un “La”  es una nota cantada a 440 Hz, mientras que un “Si” de su misma octava tiene unos 490 Hz, Por otra parte, la amplitud de la señal se mide en Decibelios (dB), e indican lo fuerte que oímos la señal de audio.

Con estos términos claros, podemos definir mejor el ecualizador de audio: es un instrumento que nos permite cambiar la amplitud (dB) de determinados rangos de frecuencia (Hz). Con esto podemos conseguir, por ejemplo, que los graves se oigan más fuertes que en la canción original, o que los tonos medios se escuchen más tenues.

[pic 2]

La imagen anterior muestra el espectro de frecuencias en el rango de 20 Hz a 20 kHz, el cual es el captado normalmente por el oído humano.

Objetivo:

Diseñar y simular el comportamiento de un circuito ecualizador para señales de audio (20 Hz a 20kHz), de 5 canales y con base en amplificadores operacionales (OPAM). La señal de entrada puede provenir de una fuente de sonido (celular 1, computadora, IPOD, celular 2, etcétera...). La etapa de salida deberá poder manejar una bocina de 10 Watts, considere un amplificador clase AB y aproveche la característica del OPAM para polarizarlo. Diseñar las fuentes de polarización requeridas.

Desarrollo:

DISEÑO DEL ECUALIZADOR.

El ecualizador de audio que se propone para este proyecto estará construido a partir de 5 etapas de filtrado basado en estructuras de  Sallen-Key.

Para la primera etapa se propone un filtro activo pasa-bajos de segundo orden diseñado para una frecuencia de corte de 250 Hz. Para la segunda etapa la señal de audio se hace pasar a través de un filtro paso alto configurado para permitir el paso de frecuencias superiores a 4 kHz.En la tercera etapa un filtro pasa banda con un límite inferior situado en 500 Hz y superior en 2 kHz. La cuarta etapa se propone con un filtro paso-banda con un límite inferior de 10 kHz y un límite superior en 17 kHz. Finalmente para la quinta etapa se propone un supresor de bandas para frecuencias de entre 17 kHz y 20 kHz.

Proponemos que antes de que la señal ingrese a la etapa de filtrado, se utilizan seguidores de voltaje que nos servirán como  como acopladores de impedancia, esto es meramente  con el objetivo de reducir al mínimo cualquier riesgo de sobre tensión a la fuente (que para estos casos serán la salida de una computadora, celular, Etc.) y con esto garantizar una impedancia de salida baja hacia la etapa de los filtros.

Las salidas de los 5 filtros van a ingresar a un sumador (mezclador) donde podemos ajustar el valor de ganancia de la banda de paso para cada filtro. Finalmente la señal es amplificada en tensión por medio de un amplificador operacional en su configuración inversora. Finalmente, la capacidad de suministro de corriente del circuito es incrementada a través de un circuito amplificador de potencia clase AB tal y como se pide en el objetivo de este proyecto, este se encuentra en simetría y estará acoplado por diodos, además nos permitirá  ingresar la señal ecualizada a un parlante de 8 Ω, 10 W.

...