Filtro electrónico para niños

Un filtro eléctrico o filtro electrónico es un dispositivo que permite el paso de ciertas frecuencias de una señal eléctrica, mientras bloquea o reduce otras. Imagina que es como un "colador" para las señales, dejando pasar solo lo que nos interesa. Puede cambiar la fuerza (amplitud) y el momento (fase) de la señal.

Los filtros electrónicos pueden clasificarse de varias maneras:

• Pueden ser activos o pasivos.
• Pueden trabajar con señales analógicas (como el sonido de un micrófono) o digitales (como la música en un archivo MP3).
• Según las frecuencias que dejan pasar, se dividen en:
  • De paso alto (HPF): Dejan pasar las frecuencias altas.
  • De paso bajo (LPF): Dejan pasar las frecuencias bajas.
  • De paso banda (BPF): Dejan pasar un rango específico de frecuencias.
  • Elimina banda (filtros notch o trampa): Bloquean un rango específico de frecuencias.
  • Pasa-todo: Modifican la fase, pero no la amplitud de las frecuencias.
• También pueden trabajar con tiempos discretos (por "pedacitos" de tiempo) o continuos (todo el tiempo).
• Se clasifican como IIR (Respuesta infinita al impulso) o FIR (Respuesta finita al impulso), que son formas técnicas de describir cómo reaccionan a una señal muy corta.

Los filtros electrónicos más comunes son los que se comportan de manera lineal, es decir, su salida es proporcional a su entrada.

Historia de los filtros electrónicos

Los primeros filtros electrónicos eran sencillos y se construían con resistencias y condensadores, o con resistencias e inductores (bobinas). Estos se llamaban filtros RC y RL. Eran muy básicos y tenían un uso limitado.

Alrededor de 1910, aparecieron los filtros LC, que usaban inductores y condensadores. Estos permitían un control mucho mejor sobre cómo la señal era modificada.

Más tarde, surgieron los filtros híbridos, que combinaban componentes electrónicos con elementos mecánicos o líneas de retardo. También se usaron dispositivos como los CCD para filtros que trabajaban con señales en momentos específicos.

Finalmente, con el avance de la tecnología digital y las computadoras, se desarrollaron los filtros digitales. Hoy en día, estos son muy populares.

¿Qué tipos de filtros existen?

Filtros activos y pasivos

¿Qué son los filtros pasivos?

Los filtros pasivos se construyen usando solo resistencias (R), inductores (L) y condensadores (C). Los inductores y condensadores son los componentes clave que reaccionan a las frecuencias. El número de estos componentes reactivos determina qué tan complejo es el filtro.

Se les llama pasivos porque no necesitan una fuente de energía externa para funcionar y no tienen componentes activos como los transistores. Por esta razón, suelen manejar poca potencia. Se usan para separar frecuencias específicas y son un poco difíciles de ajustar.

Existen varios tipos de filtros pasivos:

• De un solo elemento: Son los más simples, como los filtros RC y RL, que tienen solo un componente reactivo.
• Filtros L: Tienen dos componentes reactivos, uno en serie y otro en paralelo.
• Filtros T y π: Tienen tres componentes reactivos. Su forma (T o π) depende de cómo estén conectados. Pueden ser de paso bajo, alto, de banda o elimina banda.
• Filtros de elementos múltiples: Son más complejos y se usan cuando se necesita mejorar el rendimiento del filtro, especialmente en filtros de banda o elimina banda.

¿Qué son los filtros activos?

Los filtros activos tienen el mismo objetivo que los pasivos, pero pueden amplificar la señal de salida. Para construirlos, se combinan componentes activos (como los amplificadores operacionales) con componentes pasivos.

Gracias a los amplificadores, pueden manejar más potencia y son más fáciles de ajustar que los filtros pasivos. Además, no necesitan bobinas (inductores) para lograr ciertos efectos, lo que los hace más compactos.

Filtros analógicos y digitales

¿Qué son los filtros analógicos?

Son los filtros tradicionales, diseñados para trabajar con señales analógicas. Se construyen con componentes como resistencias, condensadores y amplificadores operacionales.

¿Qué son los filtros digitales?

Funcionamiento de un filtro de respuesta finita con n fases, cada una con un retraso independiente di y una ganancia de amplificación ai.

Estos filtros están diseñados para procesar señales digitales. El procesamiento digital de señales permite crear una gran variedad de filtros de forma económica.

Una señal analógica se convierte primero en una señal digital (una serie de números) usando un conversor analógico-digital. Luego, un programa informático en una computadora o un chip especial (como un DSP) calcula los números de salida. Finalmente, esta salida digital puede convertirse de nuevo en una señal analógica. A veces, este proceso puede generar un poco de "ruido", pero se puede controlar. Es importante que la señal de entrada no tenga frecuencias demasiado altas para evitar un efecto llamado aliasing.

Hoy en día, la mayoría de los filtros son digitales porque ofrecen muchas ventajas sobre los analógicos, como ser más precisos, estables, fáciles de programar y más pequeños.

Filtros según la respuesta de frecuencia

Los filtros se caracterizan por cómo cambian la amplitud y la fase de una señal para cada frecuencia.

Los inductores (bobinas) tienden a bloquear las señales de alta frecuencia y dejar pasar las de baja frecuencia. Los condensadores hacen lo contrario: bloquean las bajas frecuencias y dejan pasar las altas.

• Si la señal pasa a través de un inductor o si un condensador desvía la corriente a tierra, el filtro dejará pasar mejor las frecuencias bajas que las altas. Este es un filtro de paso bajo.
• Si la señal pasa a través de un condensador o si un inductor desvía la corriente a tierra, el filtro dejará pasar mejor las frecuencias altas que las bajas. Este es un filtro de paso alto.

Las resistencias por sí solas no seleccionan frecuencias, pero se combinan con inductores y condensadores para controlar cómo el circuito responde a diferentes frecuencias.

Filtro de paso bajo (LPF)

Filtro de paso bajo π

Este filtro permite que pasen las frecuencias más bajas y reduce o bloquea las frecuencias más altas. Imagina que tienes una caja con dos entradas y dos salidas. Si metes todas las frecuencias por la entrada, por la salida solo saldrán las frecuencias bajas que el filtro permite.

Filtro electrónico de paso bajo de un circuito RC.

Filtro de paso alto (HPF)

Filtro de paso alto T

Este filtro, a menudo hecho con una resistencia y un condensador en serie, solo permite el paso de las frecuencias que están por encima de un punto específico, llamado frecuencia de corte (Fc). Las frecuencias por debajo de este punto son reducidas.

Una aplicación común es en sistemas de audio, donde se usa para eliminar sonidos no deseados por debajo de los 40-70 Hz. Esto protege los altavoces y evita que el amplificador gaste energía en sonidos que no podemos escuchar.

Filtro de paso banda (BPF)

Este filtro permite el paso de las frecuencias que se encuentran dentro de un rango específico, es decir, entre una frecuencia de corte inferior (F_L) y una superior (F_H).

Se usa en los ecualizadores de audio para hacer que ciertas frecuencias de la música suenen más fuertes que otras. También sirve para eliminar sonidos que aparecen cerca de una señal que queremos escuchar. Fuera de la electrónica, se usan en meteorología para analizar datos dentro de ciertos rangos de tiempo.

Filtro de banda eliminada

Funciona de manera opuesta al filtro de paso banda. Este filtro bloquea o dificulta el paso de las frecuencias que están dentro de un rango específico.

Son muy útiles para eliminar interferencias de frecuencias conocidas, como el ruido que pueden generar las redes eléctricas (que suele ser de 50 Hz o 60 Hz) en otros equipos.

Filtro multibanda

Este tipo de filtro tiene diferentes rangos de frecuencias para los cuales se comporta de distintas maneras, permitiendo o bloqueando varias bandas.

Filtro variable

Un filtro variable puede cambiar sus rangos de frecuencia según lo que se necesite en un momento dado.

Para frecuencias muy altas (por encima de los 100 MHz), los inductores a veces se construyen como bucles o tiras de metal, y algunos condensadores son simplemente tiras de metal muy cercanas.

Función de transferencia de un filtro

La forma en que un filtro se comporta se describe con algo llamado su función de transferencia. Esta función nos dice cómo la señal cambia en fuerza (amplitud) y en tiempo (fase) para cada frecuencia al pasar por el filtro. La función de transferencia es como la "huella digital" del filtro. Algunos filtros comunes son:

• Filtro de Butterworth: Tiene una banda de paso muy suave y un corte rápido.
• Filtro de Chebyshev: Tiene un corte muy rápido, pero la banda de paso puede tener pequeñas ondulaciones.
• Filtros elípticos o de Cauer: Logran un cambio muy abrupto entre las frecuencias que pasan y las que no, pero a costa de tener ondulaciones en todas sus bandas.
• Filtro de Bessel: Asegura que la fase de la señal cambie de manera constante.

Matemáticamente, la función de transferencia se puede escribir como una fracción. Los valores que hacen que la parte de arriba de la fracción sea cero se llaman "ceros", y los que hacen que la parte de abajo sea cero se llaman "polos".

El número de polos y ceros nos indica el "orden" del filtro y sus valores determinan cómo se comporta el filtro, incluyendo su respuesta a las frecuencias y su estabilidad.

Orden de un filtro

El orden de un filtro nos dice qué tan bien acepta o rechaza las frecuencias por encima o por debajo de su frecuencia de corte.

Un filtro de primer orden, por ejemplo, reduce la señal en 6 dB cada vez que la frecuencia se duplica (cada octava). Así, en la primera octava (el doble de la frecuencia de corte), la señal se reduce 6 dB; en la segunda octava (cuatro veces la frecuencia de corte), se reduce 12 dB, y así sucesivamente. Si hablamos en términos de décadas (cuando la frecuencia se multiplica por 10), un filtro de primer orden reduce la señal en 20 dB por década. Un filtro de segundo orden la reduce en 40 dB por década, y así sucesivamente.

Para hacer filtros analógicos de órdenes más altos, se suelen conectar varios filtros más simples (de primer o segundo orden) en serie, porque los filtros de orden muy alto pueden ser muy complejos. Sin embargo, en los filtros digitales, es común tener órdenes muy altos, incluso superiores a 100.

Otros tipos de filtros especiales

Filtro de cuarzo o filtro piezoeléctrico

Filtro piezoeléctrico con una frecuencia de 45 MHz y amplitud de banda B_3dB de kHz

Este filtro aprovecha las propiedades de resonancia de materiales como el cuarzo. En la década de 1930, los ingenieros descubrieron que pequeños sistemas mecánicos hechos de materiales rígidos como el cuarzo podían resonar a ciertas frecuencias de radio. El cuarzo es un material piezoeléctrico, lo que significa que puede convertir su movimiento mecánico directamente en señales eléctricas. Además, el cuarzo es muy estable a diferentes temperaturas, lo que permite frecuencias muy precisas. Los filtros de cuarzo son de muy alta calidad.

Filtros SAW

Los filtros SAW (Surface Acoustic Wave, u Onda Acústica Superficial) son dispositivos que se usan mucho en aplicaciones de radiofrecuencia. Convierten las señales eléctricas en ondas mecánicas que viajan por la superficie de un cristal piezoeléctrico. Esta onda se retrasa mientras viaja y luego se convierte de nuevo en una señal eléctrica. Son como una versión analógica de un filtro de respuesta finita. Su rango de frecuencias está limitado a unos 3 GHz.

Filtros BAW

Los filtros BAW (Bulk Acoustic Wave, u Onda Acústica Volumétrica) también son dispositivos electromecánicos. Trabajan con frecuencias más altas, entre 2 y 16 GHz, y son más pequeños y delgados que los filtros SAW. Una variante de estos son los filtros FBAR.

Filtros Garnet o YIFG

Estos filtros trabajan con frecuencias de microondas, desde 800 MHz hasta 5 GHz. Consisten en una pequeña esfera de cristal sintético hecha de una combinación de itrio y hierro. Esta esfera se coloca sobre una tira de metal conectada a un transistor y una pequeña antena. Usando un electroimán, se puede cambiar la frecuencia que la esfera dejará pasar. Su gran ventaja es que pueden trabajar con una amplia gama de frecuencias al cambiar la fuerza del campo magnético.

Filtros atómicos

Para frecuencias muy altas y para lograr una precisión extrema, se utilizan las vibraciones de los átomos. Por ejemplo, los relojes atómicos usan dispositivos llamados máseres de cesio como filtros de ultra alta frecuencia para estabilizar sus oscilaciones principales. Los máseres de rubidio se usan para frecuencias altas y fijas, especialmente con señales de radio muy débiles.

La ferrita es un material que se usa como filtro en muchos tipos de cables, como los de las pantallas de computadora. Tiene la propiedad de presentar una resistencia diferente a las altas y bajas frecuencias, lo que ayuda a evitar interferencias no deseadas.

Factor de calidad o factor Q

El factor de calidad de un filtro, también conocido como factor Q, nos dice qué tan "selectivo" es el filtro, es decir, qué tan bien separa las frecuencias. Se calcula con la siguiente fórmula:

• fo = frecuencia de resonancia (la frecuencia central que el filtro deja pasar mejor).
• AB = ancho de banda (el rango de frecuencias que el filtro deja pasar).

Galería de imágenes

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  Distribuidor de señal de televisión hecho mediante un filtro de paso alto (izquierda) y un filtro de paso bajo (derecha). La antena está conectada a las terminaciones de los tornillos en la parte izquierda del centro.