Ultima edición el 16 septiembre, 2021 por JORGE CABRERA BERRÍOS
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¿Qué es un filtro de muesca (filtro de detención de banda)?
Un filtro de muesca (también conocido como filtro de parada de banda o filtro de rechazo) se define como un dispositivo que rechaza o bloquea la transmisión de frecuencias dentro de un rango de frecuencia específico y permite frecuencias fuera de ese rango. Los filtros de muesca eliminan la transmisión de una banda estrecha de frecuencias y permiten la transmisión de todas las frecuencias por encima y por debajo de esta banda. Como elimina frecuencias, también se le llama filtro de eliminación de banda.
Un filtro de muesca es esencialmente un filtro de parada de banda con una banda de parada estrecha y dos bandas de paso. Como en el caso de paso de banda , un filtro de rechazo de banda puede ser de banda ancha o de banda estrecha.
Si el filtro es de banda ancha, se denomina filtro de rechazo de banda y si el filtro es de banda estrecha, se denomina filtro de muesca. Las características de un filtro de parada de banda son exactamente las inversas del filtro de paso de banda. Por lo tanto, el filtro de muesca es un complemento del filtro de paso de banda.
Por ejemplo, si un filtro de muesca tiene una frecuencia de banda cerrada de 100 MHz a 200 MHz, entonces pasará todas las señales de CC a una frecuencia de 100 MHz y por encima de 200 MHz, solo rechazará la frecuencia entre 100 MHz y 200 MHz.
Por lo tanto, la función de un filtro de muesca es pasar todas esas frecuencias desde cero (DC) hasta una frecuencia de corte más baja (f L ) y por encima de una frecuencia de corte más alta (f H ), y rechazar todas aquellas frecuencias que se encuentran en la región de ancho de banda, es decir, BW = f H -f L .
La detección y el filtrado de señales de banda estrecha en presencia de ruido son las aplicaciones importantes de las técnicas de procesamiento de señales . En muchas aplicaciones, es necesario eliminar la señal de banda estrecha sin cambiar la energía de la banda . Esto se puede lograr pasando las señales a través de un filtro de muesca.
Circuito de filtro de muesca
El filtro de muesca es una combinación de filtros de paso bajo y paso alto similar al diseño de filtro de paso de banda, pero la diferencia es que conectamos ambos filtros en conexión en paralelo en lugar de conexión en cascada. El diagrama de circuito del filtro de muesca se muestra en la siguiente figura.
La parte superior del circuito de filtro de muesca es un filtro de paso bajo RC pasivo . Esta porción comprende dos resistencias R 1 , R 2 y el condensador C 1 en forma de una configuración en «T». Este filtro permitirá que las señales tengan frecuencias más bajas que la frecuencia de corte más alta (f H ).
La parte inferior del circuito del filtro de muesca es un filtro de paso alto RC pasivo . Esta parte comprende dos condensadores C 2 , C 3 y la resistencia R 3 también en forma de configuración «T». Este filtro permitirá que las señales tengan frecuencias más altas que la frecuencia de corte más baja (f L ). Esta combinación de ambas configuraciones en ‘T’ se conoce comúnmente como filtro ‘Twin-T’.
La configuración típica y una respuesta de frecuencia de un filtro de muesca se muestran en la siguiente figura.
Tipos de filtro de muesca
Hay muchos tipos de circuitos de filtro de muesca diseñados. Expliquemos en detalle los principales tipos de circuitos de filtro.
Filtro de muesca activo
El filtro de muesca activo es una combinación paralela de filtro de paso bajo y filtro de paso alto con el amplificador operacional como componente de amplificación que se muestra en la siguiente figura.
El diagrama de circuito del filtro de muesca activo se divide en tres partes. La parte superior es un filtro de paso bajo activo (LPF) que está en paralelo a un filtro de paso alto activo (HPF) . La tercera y última parte del circuito es la parte amplificadora en la que se usa el amplificador operacional para amplificación. La etapa final del amplificador operacional es un amplificador sumador o un sumador de amplificador operacional que actúa como un verano. El diagrama de circuito de un filtro de muesca activo se muestra en la siguiente figura.
Aquí, el corte de alta frecuencia del filtro de paso bajo es
mientras que el corte de baja frecuencia del filtro de paso alto es
Filtro de muesca pasivo
El filtro pasivo comprende solo componentes pasivos como resistencias, inductores y condensadores y no utiliza ningún componente activo como amplificador operacional para amplificación. Entonces, la parte de amplificación está ausente en un filtro de muesca pasivo.
El filtro de muesca pasivo es una combinación de un filtro de paso bajo pasivo y un filtro de paso alto pasivo. El diagrama de circuito del filtro de muesca pasivo se muestra en la siguiente figura.
La parte superior del circuito de filtro de muesca pasivo es el filtro de paso bajo pasivo en paralelo con el filtro de paso alto pasivo.
Filtro de muesca óptica
Un filtro de muesca son filtros ópticos que rechazan selectivamente una parte del espectro mientras transmiten todas las demás longitudes de onda. Puede diseñarse para varios niveles de rechazo, que normalmente se refieren a la densidad óptica.
En un sistema óptico, las longitudes de onda específicas de la luz se redireccionan selectivamente mediante una rejilla de difracción o un prisma dispersivo. En el caso de las rejillas de transmisión y los prismas, la luz policromática que pasa a través del objeto se redirigirá a la longitud de onda y, a continuación, el filtro de muesca óptico podrá lograr las longitudes de onda deseadas.
En el caso, al utilizar ópticas con materiales reales, la luz se atenuará en varias longitudes de onda y se filtrará por interferencia con el medio por el que pasó la luz. Un filtro de muesca óptica pasa longitudes de onda de una luz que están inalteradas o mínimamente atenuadas.
Los filtros de muesca óptica se utilizan en espectroscopía Raman basada en láser , fluorescencia basada en láser y otras aplicaciones biomédicas y de ciencias de la vida.
Filtro de muesca RLC
Como su nombre indica RLC , este filtro de muesca o filtro de banda contiene elementos pasivos de resistencia, inductor y condensador. Por lo tanto, también se conoce como filtro de muesca pasivo. El diagrama de circuito del filtro de muesca RLC se muestra en la siguiente figura.
El elemento de derivación de un filtro de muesca RLC es una combinación en serie de L y C. La salida se toma a través de esta combinación en serie de inductor y condensador. El circuito equivalente y las características del filtro de muesca RLC se muestran en la siguiente figura.
Aquí, la impedancia equivalente de una combinación en serie de L y C viene dada por,
Ahora, la impedancia neta del circuito está dada por,
Ahora, aplicando KVL (Ley de voltaje de Kirchhoff) en el bucle abcd al circuito equivalente del filtro de muesca RLC, obtenemos,
Ahora, en la condición de resonancia en serie , la frecuencia de resonancia viene dada por
Y el factor Q viene dado por,
Donde, 
= Ancho de banda =
mientras, 
es la frecuencia de corte más baja, y
es la frecuencia de corte más alta. Las características del filtro de muesca se muestran en la siguiente figura.
El filtro de muesca tipo RLC también se puede hacer utilizando el circuito que se muestra en la figura siguiente.
Filtro de muesca RF
Un filtro de muesca estrecha es un filtro de muesca de RF que se puede utilizar para rechazar la frecuencia portadora durante la medición de no linealidades de los amplificadores de potencia.
Se utiliza un filtro de muesca de circuito LC para rechazar una frecuencia de interferencia específica en el dominio de la radiofrecuencia. El circuito de filtro de muesca del circuito LC se utiliza con receptores de radio que están cerca del transmisor que inunda todas las demás señales. La trampa de ondas se utiliza para rechazar la señal del transmisor.
Las señales de transmisión de FM son muy fuertes y pueden evitar que una SDR (radio definida por software) procese señales débiles. Los filtros de muesca FM son muy útiles para aplicaciones SDR. Por lo tanto, las señales de FM primero pasan a través del filtro de muesca y luego se envían al SDR USB.
Filtro de muesca Butterworth
Un filtro de muesca Butterworth es un tipo especial de filtro de procesamiento de señal diseñado para tener una respuesta de frecuencia lo más plana posible como en la banda de parada estrecha.
Un filtro de muesca ideal rechaza un rango de frecuencias sin distorsión y pasa todas las demás frecuencias. Pero en algunas aplicaciones, un filtro de muesca simple no es preciso ni confiable debido a la baja relación señal / ruido. En esos casos, el filtro de muesca de Butterworth se usa para aumentar la precisión y confiabilidad.
Por ejemplo, en el ECG (electrocardiograma), los ruidos que suelen perturbar son la interferencia de la línea eléctrica, el ruido de la instrumentación, la interferencia del campo magnético externo , el ruido debido a movimientos corporales aleatorios y los movimientos respiratorios. Estos ruidos se pueden caracterizar en función de su contenido de frecuencia.
El ancho de banda del ruido se superpone al de las señales deseadas de modo que la técnica de filtrado ordinaria no puede mejorar suficientemente la relación señal / ruido. Por lo tanto, es necesario reducir estos ruidos en la señal de ECG para mejorar la precisión y confiabilidad. Los filtros de muesca Butterworth de 4º orden con banda de parada de 3 dB se utilizan para reducir la interferencia de ruido de la línea eléctrica de 50 Hz de las señales de ECG.
Ejemplo de diseño de filtro de muesca
Un filtro de muesca tipo RLC funciona con frecuencias de corte de 23 kHz y 25 kHz. Suponga que la inductancia L = 45 mH, diseñe el filtro de muesca tipo RLC.
Datos dados: f L = 23 kHz, f H = 25 kHz, L = 45 mH = 0.045 H
- Ancho de banda (BW) =
- Frecuencia de resonancia
- Ahora, en la condición de resonancia, la frecuencia resonante viene dada por,
- Factor de calidad (Q) =
- Ahora,
Por lo tanto, las configuraciones del filtro Notch son
R = 565,2 ohmios, L = 45 mH, C = 977 pF
Por lo tanto, el diseño del filtro de muesca de las configuraciones anteriores se muestra en la siguiente figura.
Función de transferencia de filtro de muesca
La función de transferencia del filtro Notch viene dada por
Donde, 
es la frecuencia circular cero
es la frecuencia circular de polos
Q es el factor de calidad. Es la selectividad del filtro.
donde, BW es el ancho de banda del filtro.
Hay tres casos en las características del filtro de muesca. es decir, una muesca estándar, una muesca de paso bajo y una muesca de paso alto. La relación entre la frecuencia circular cero y la frecuencia circular polar determina las características del filtro de muesca.
- Si la frecuencia circular de polos es igual a la frecuencia circular cero, es decir , entonces el filtro es del tipo de muesca estándar.
- Si la frecuencia circular de polos es menor que la frecuencia circular cero, es decir, < , entonces el filtro es del tipo de muesca de paso bajo.
- Si la frecuencia circular de polos es mayor que la frecuencia circular cero, es decir, > , entonces el filtro es del tipo de muesca de paso alto.
, entonces el filtro es del tipo de muesca estándar.Aplicaciones de filtro de muesca
Algunas de las aplicaciones del filtro Notch incluyen:
- Un filtro Notch se usa generalmente en sistemas de comunicación, instrumentación y sistemas de control, y en el campo biomédico para eliminar la interferencia de la línea eléctrica de 50/60 Hz.
- El filtro de muesca o filtro de parada de banda se usa ampliamente en circuitos electrónicos y de comunicaciones para rechazar una banda de frecuencias no deseadas y permitir la transmisión de otras frecuencias con una pérdida mínima.
- El tipo de conmutación de variadores , convertidores e inversores de motores de CA y CC provocan perturbaciones sinusoidales en ciertos armónicos de la frecuencia de línea. El uso de un filtro de muesca elimina estas perturbaciones no deseadas y permite mediciones precisas.
- Es muy preferido en el procesamiento de imágenes y señales rechazar frecuencias no deseadas, es decir, ruido.
- Se utiliza en el procesamiento de señales de audio, para eliminar un rango específico de frecuencias no deseadas, es decir, ruido o zumbidos.
- Se utiliza en tecnología telefónica, DSL y otros servicios de Internet como reductor de ruido de línea para reducir las interferencias no deseadas. Tenga en cuenta que DSL es la línea de abonado digital que se utiliza para transmitir información digital a través de líneas telefónicas.
- Se utiliza en amplificadores de guitarra, amplificadores de instrumentos, guitarra acústica, mandolina, amplificador de bajo y sistemas de megafonía para reducir un zumbido específico que puede producirse después de enchufar los instrumentos. Tenga en cuenta que los sistemas de megafonía (megafonía) son un sistema electrónico que consta de micrófonos, amplificadores, altavoces y otros equipos musicales.
- Se utiliza en aplicaciones de campo médico, es decir, en mediciones de ECG (electrocardiograma), para eliminar el componente de CC.
