Ultima edición el 16 septiembre, 2021 por JORGE CABRERA BERRÍOS
La palabra ‘filtro’ significa que eliminará las cosas no deseadas. El mejor ejemplo de filtro es un filtro de agua. ¿Por qué se usa? Se utiliza para eliminar impurezas del agua. El filtro eléctrico también funciona igual que un filtro de agua.
El filtro eléctrico contiene resistencias , inductores, condensadores y amplificadores . El filtro eléctrico se utiliza para pasar la señal con un cierto nivel de frecuencia y atenuará la señal con una frecuencia más baja o más alta que una determinada frecuencia.
La frecuencia a la que opera el filtro, esa frecuencia se conoce como frecuencia de corte . La frecuencia de corte se establece al diseñar el filtro.
Indice de contenidos
- ¿Qué es un filtro de paso alto?
- Filtros de paso alto vs paso bajo
- Tipos de filtros de paso alto
- Filtro de paso alto pasivo vs activo
- Ecuación de la función de transferencia del filtro de paso alto
- Filtro de paso alto de frecuencia de corte
- Diagrama de Bode de filtro de paso alto o respuesta de frecuencia
- Filtro de paso alto ideal
- Aplicaciones de los filtros de paso alto
¿Qué es un filtro de paso alto?
Un filtro de paso alto (también conocido como filtro de corte de graves o filtro de corte de graves ) es un filtro electrónico que permite señales con una frecuencia superior a una determinada frecuencia de corte y atenúa las señales con frecuencias inferiores a esa frecuencia de corte.
La inversa de un filtro de paso alto es un filtro de paso bajo , que permite señales con frecuencias más bajas que la frecuencia de corte y bloquea todas las frecuencias por encima de esta frecuencia de corte. También hay filtros de paso de banda , que combinan la funcionalidad de los filtros de paso alto y los filtros de paso bajo para permitir solo frecuencias dentro de un rango de frecuencia específico.
Filtros de paso alto vs paso bajo
Las características de un filtro de paso alto son exactamente las características opuestas de un filtro de paso bajo. La diferencia incluye:
| Filtro de paso alto (HPF) | Filtro de paso bajo (LPF) | |
| Definición | HPF es un filtro eléctrico que permite señales con una frecuencia superior a la frecuencia de corte. Se lo conoce como filtro de corte bajo. | LPF es un filtro eléctrico que permite señales con una frecuencia más baja que la frecuencia de corte. Es conocido como filtro de corte alto. |
| Diagrama de circuito | En HPF, el condensador seguido por el resistor. | En LPF, el resistor seguido del condensador. |
| Filtro RC |  |
 |
| Frecuencia de operación | Más alto que la frecuencia de corte | Más bajo que la frecuencia de corte. |
| Importancia | Es importante cancelar el ruido de baja frecuencia de la señal de entrada. | Es importante cancelar el efecto de alias. |
| Aplicaciones | Se utiliza en amplificadores como amplificador de audio, amplificador de bajo ruido. | Se utiliza en circuitos de comunicación como filtro anti-aliasing. |
Tipos de filtros de paso alto
Hay muchos tipos de filtros de paso alto de acuerdo con el diseño del circuito y los componentes utilizados para hacer un filtro. Los diversos tipos de filtros de paso alto incluyen:
Filtro de paso alto pasivo
El filtro pasivo consta únicamente de elementos pasivos como resistor, inductor y condensador. No utilizará ninguna fuente de alimentación externa ni componentes de amplificación.
Un filtro de paso alto pasivo consta de una combinación de resistor y condensador (RC) o resistor e inductor (RL).
Filtro de paso alto activo
El filtro activo es una combinación de un filtro pasivo con un amplificador operacional (OP-AMP) o incluye un amplificador con control de ganancia.
Se realiza conectando un componente inversor o no inversor de OP-AMP con un filtro pasivo.
Filtro de paso alto RC
El filtro RC es un tipo de filtro pasivo porque consiste solo en un capacitor que está en serie con la resistencia.
El diagrama del circuito del filtro de paso alto y de paso bajo es el mismo, solo intercambie el condensador y la resistencia. El diagrama de circuito del filtro de paso alto RC es como se muestra en la siguiente figura.
El condensador ofrece una reactancia muy alta para la señal con una frecuencia inferior a la frecuencia de corte. En este caso, el condensador actúa como un interruptor abierto.
El condensador ofrece una reactancia baja para la señal con una frecuencia superior a la frecuencia de corte. En este caso, el condensador actúa como un interruptor de cierre.
Filtro de paso alto de primer orden
El filtro de paso alto de primer orden consta de un solo condensador o inductor. Este tipo de filtro tiene una función de transferencia de primer orden.
Significa que si deriva una ecuación en el dominio s, la potencia máxima de ‘s’ es uno. Esto solo es posible si usa solo un elemento de almacenamiento de energía como inductor y capacitor.
El filtro de primer orden puede ser activo o pasivo, dependiendo del uso de elementos. Si usa solo elementos activos, puede ser un filtro de primer orden. El filtro de paso alto RC es un filtro de paso alto pasivo de primer orden.
Filtro de paso alto de segundo orden
El filtro de paso alto de segundo orden se puede derivar conectando en cascada dos filtros de paso alto de primer orden. Por lo tanto, consta de dos componentes reactivos y forma un circuito de segundo orden.
La principal diferencia en la pendiente del filtro de primer orden y de segundo orden en la banda de parada. La pendiente del filtro de segundo orden es el doble del filtro de primer orden.
Por ejemplo, si consideramos un filtro Butterworth de primer orden, la pendiente es +20 db / década y para el filtro Butterworth de segundo orden, la pendiente es +40 db / década.
Filtro de paso alto Butterworth
El filtro Butterworth está diseñado para tener una respuesta de frecuencia plana en la banda de paso. Entonces, en la banda de paso, no hay rizado en la respuesta de frecuencia. La siguiente figura muestra el diagrama de circuito del filtro de paso alto Butterworth de primer y segundo orden con respuesta de frecuencia.
Filtro de paso alto Chebyshev
En todos los rangos de filtros, el filtro Chebyshev minimiza el error entre el filtro real y el filtro ideal. Hay dos tipos de filtros; tipo I y tipo II. El filtro tipo I se conoce como «Filtro Chebyshev» y el filtro tipo II se conoce como «Filtro Chebyshev inverso».
Esta respuesta de filtro es el comercio óptimo entre ondulación y pendiente. Si la ondulación se establece en 0%, la respuesta del filtro es la misma que la del filtro Butterworth. Pero una ondulación del 0,5% es una buena opción para los filtros digitales que producen una pendiente pronunciada. La siguiente figura muestra la diferencia en la respuesta de frecuencia para los filtros Butterworth y Chebyshev.
Si la ondulación está presente en la banda de paso, el filtro se conoce como filtro Chebyshev de tipo I y si la ondulación está presente en la banda de parada, el filtro se conoce como filtro Chebyshev inverso de tipo II.
Hay una transición muy rápida entre la banda de paso y la banda de parada. Pero para esta condición, la ondulación se presentará en banda de paso y banda de parada. Este tipo de filtro se conoce como filtro elíptico.
Filtro Bessel
El filtro Butterworth tiene un buen comportamiento transitorio y de amplitud. El filtro Chebyshev tiene una buena respuesta de amplitud que el filtro Butterworth a expensas del comportamiento transitorio.
El filtro de Bessel tiene una buena respuesta transitoria. Pero el comportamiento de la amplitud es pobre. El filtro Bessel está diseñado para obtener un retardo de grupo constante en la banda de paso.
Filtro de paso alto pasivo vs activo
Según los componentes utilizados en el circuito, los filtros se clasifican en dos tipos; Filtro activo y filtro pasivo.
| Filtro activo | Filtro pasivo | |
| Elementos del circuito | Active Filter utiliza elementos activos como OP-AMP y Transistor . | El filtro pasivo utiliza elementos pasivos como condensador e inductor. |
| Fuente de alimentación adicional | Requiere una fuente de alimentación adicional. | Funciona en la entrada de señal y no necesita una fuente de alimentación adicional. |
| Limitación de frecuencia | Tiene limitaciones de frecuencia. | No tiene limitaciones de frecuencia. |
| Costo | Elevado | Más barato en costo. |
| Estabilidad | Estabilidad inferior | Mejor estabilidad |
| Peso | Bajo | Alto (porque el peso del inductor es muy alto) |
| Sensibilidad | Más sensible | Menos sensitivo |
| Factor Q | Elevado | Muy bajo |
| Diseño | Necesita un sistema de control complejo. Entonces, el diseño de este filtro es complejo. | Es fácil de diseñar. |
| Eficiencia | Elevado | Bajo |
| Característica de respuesta de frecuencia | La característica de respuesta de frecuencia es nítida | La característica de respuesta de frecuencia no es nítida |
Ecuación de la función de transferencia del filtro de paso alto
La función de transferencia proporciona una representación matemática de los filtros. Esta expresión matemática da el comportamiento de entrada a salida del filtro.
La función de transferencia de un filtro de paso alto de primer orden se deriva en las siguientes ecuaciones.
La impedancia de salida es igual a:
La impedancia de entrada es igual a:
La función de transferencia se define como la relación entre el voltaje de salida y el voltaje de entrada.
La forma estándar de función de transferencia es la siguiente:
Dónde:
De acuerdo con esta función de transferencia para una frecuencia más alta
Y para una frecuencia más baja
Por lo tanto, muestra una magnitud cero para una frecuencia más baja y una magnitud máxima para una frecuencia más alta.
Filtro de paso alto de frecuencia de corte
La frecuencia de corte se define como una frecuencia que crea un límite entre la banda de paso y la banda de parada.
Para un filtro de paso alto, si la frecuencia de la señal es mayor que la frecuencia de corte, permitirá pasar la señal. Y si la frecuencia de la señal es menor que la frecuencia de corte, atenuará la señal.
La frecuencia de corte la define el usuario en el momento de diseñar un filtro. Para el filtro de paso alto RC de primer orden, se expresa como la siguiente ecuación. Esta ecuación es la misma para un filtro de paso alto y un filtro de paso bajo.
La frecuencia de corte para el filtro RC de paso alto de segundo orden está determinada por las resistencias y los condensadores. Y se expresa como;
De la ecuación anterior, si el valor de R1 y R2 es igual y el valor de C1 y C2 es igual que la ecuación se expresa como;
Diagrama de Bode de filtro de paso alto o respuesta de frecuencia
La respuesta de frecuencia o gráfico de Bode del filtro de paso alto es totalmente opuesta en comparación con la respuesta de frecuencia del filtro de paso bajo.
Usando la función de transferencia, podemos trazar una respuesta de frecuencia del circuito de filtro. La curva de magnitud y la curva de fase del diagrama de Bode para el filtro de paso alto es como se muestra en la siguiente figura.
La curva de magnitud se puede obtener mediante la magnitud de la función de transferencia.
La curva de fase se puede obtener mediante la ecuación de fase de la función de transferencia.
Gráfica de magnitud
Como se muestra en la curva de magnitud, atenuará la baja frecuencia en la pendiente de +20 db / década. La región desde un punto inicial hasta la frecuencia de corte se conoce como banda de parada.
Cuando cruza la frecuencia de corte, permitirá que pase la señal. Y la región por encima del punto de frecuencia de corte se conoce como banda de paso.
En el punto de frecuencia de corte, la amplitud del voltaje de salida es el 70,7% del voltaje de entrada.
Gráfico de fase
A la frecuencia de corte, el ángulo de fase de la señal de salida es de +45 grados. A partir del diagrama de fase, la respuesta de salida del filtro muestra que puede pasar a una frecuencia infinita. Pero en la práctica, la respuesta de salida no se extiende hasta el infinito.
Mediante la selección adecuada de componentes, el rango de frecuencia del filtro es limitado.
Filtro de paso alto ideal
El filtro de paso alto ideal bloquea toda la señal que tiene frecuencias más bajas que la frecuencia de corte. Se necesitará una transición inmediata entre la banda de paso y la banda de parada.
La respuesta de magnitud del filtro de paso alto ideal es como se muestra en la siguiente figura. La amplitud permanecerá como amplitud original para las señales que tienen una frecuencia más alta que la frecuencia de corte. Y la amplitud será completamente cero para señales que tengan una frecuencia más baja que la frecuencia de corte. Por lo tanto, un filtro de paso alto ideal tiene una característica de magnitud plana.
La función de transferencia del filtro de paso alto ideal es como se muestra en la siguiente ecuación:
