Contenido
- ¿Qué es un filtro de paso alto?
- Filtros de paso alto vs. filtros de paso bajo
- Tipos de filtros de paso alto
- Filtro pasivo de paso alto
- Filtro de paso alto activo
- Filtro de paso alto RC
- Filtro de paso alto de primer orden
- Filtro de paso alto de segundo orden
- Filtro de paso alto Butterworth
- Filtro de paso alto de Chebyshev
- Filtro Bessel
- 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
- Filtro de paso alto Bode Plot o respuesta de frecuencia
- Parcela de Magnitud
- Diagrama de fases
- Filtro de paso alto ideal
- Aplicaciones de los filtros de paso alto
La palabra filtro, significa que eliminará las cosas no deseadas. El mejor ejemplo de un filtro es un filtro de agua. ¿Por qué se usa? Se utiliza para eliminar las impurezas del agua. El filtro eléctrico también funciona igual que un filtro de agua.
El filtro eléctrico contiene resistencias…inductores, condensadoresy amplificadores. El filtro eléctrico se utiliza para pasar la señal con un cierto nivel de frecuencia y atenuará la señal con más o menos una cierta frecuencia.
La frecuencia a la que opera el filtro, esa frecuencia se conoce como frecuencia de corte. La frecuencia de corte se establece mientras se diseña el filtro.
Si el filtro permite una señal con frecuencias inferiores a la frecuencia de corte, se conoce como filtro de paso bajo.
¿Qué es un filtro de paso alto?
A filtro de paso alto (también conocido como filtro de corte de bajos o filtro de corte bajo) 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.
Filtros de paso alto vs. filtros de paso bajo
Las características de un filtro de paso alto son exactamente las características opuestas a las de un filtro de paso bajo. La diferencia incluye:
| Filtro de paso alto (HPF) | Filtro de paso bajo (LPF) | |
| Definición | El HPF es un filtro eléctrico que permite señales de mayor frecuencia que la frecuencia de corte. Se conoce como el filtro de corte de graves. | El LPF es un filtro eléctrico que permite señales con una frecuencia inferior a la frecuencia de corte. Se conoce como el filtro de corte de agudos. |
| Diagrama de circuito | En HPF, el condensador seguido por la resistencia. | En el LPF, la resistencia seguida por el 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 aliasing. |
| Aplicaciones | Se utiliza en los amplificadores como un amplificador de audio, un amplificador de bajo ruido. | Se utiliza en los circuitos de comunicación como un filtro anti-aliasing. |
Tipos de filtros de paso alto
Hay muchos tipos de filtros de paso alto según el diseño del circuito y los componentes utilizados para hacer un filtro. Los diversos tipos de filtros pasa altos incluyen:
Filtro pasivo de paso alto
El filtro pasivo consiste sólo en elementos pasivos como la resistencia, el inductor y el condensador. No utilizará ninguna fuente de alimentación externa ni componentes de amplificación.
Un filtro pasivo de paso alto consiste en una combinación de resistencia y condensador (RC) o resistencia 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 hace 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 sólo en un condensador que está en serie con la resistencia.
El diagrama de circuito del filtro de paso alto y paso bajo es el mismo, sólo hay que intercambiar el condensador y la resistencia. El diagrama de circuito del filtro pasaaltos 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 baja reactancia 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 consiste en un solo condensador o inductor. Este tipo de filtro tiene un función de transferencia de primer orden.
Significa que si derivas una ecuación en el dominio s, la potencia máxima de s es uno. Esto sólo es posible si se utiliza un solo elemento de almacenamiento de energía como el inductor y el condensador.
El filtro de primer orden puede ser activo o pasivo, dependiendo del uso de los elementos. Si sólo utiliza 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 puede derivar al poner en cascada dos filtros de paso alto de primer orden. Por lo tanto, consta de dos componentes reactivos y hace un circuito de segundo orden.
La principal diferencia entre el filtro de primer orden y el de segundo orden es la pendiente de la banda de parada. La pendiente del filtro de segundo orden es el doble que la del filtro de primer orden.
Por ejemplo, si consideramos un filtro Butterworth de primer orden, la pendiente es de +20 db/década y para el filtro Butterworth de segundo orden, la pendiente es de +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. Por lo tanto, en la banda de paso, no hay ondulación en la respuesta de frecuencia. La siguiente figura muestra el diagrama de circuito del filtro de paso alto de Butterworth de primer y segundo orden con la respuesta de frecuencia.
Filtro de paso alto de Chebyshev
En todas las gamas 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 de tipo I se conoce como Filtro Chebyshev y el filtro de tipo II se conoce como Filtro Chebyshev Inverso.
Esta respuesta del filtro es un comercio óptimo entre la ondulación y la pendiente. Si la ondulación se ajusta a 0%, la respuesta del filtro es la misma que la del filtro Butterworth. Pero una ondulación de 0,5% es una buena elección para los filtros digitales que hacen una pendiente pronunciada. La siguiente figura muestra la diferencia en la respuesta de frecuencia para el filtro de Butterworth y Chebyshev.
Si la ondulación presente en la banda de paso, el filtro se conoce como Filtro Chebyshev de tipo I y si la ondulación 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 en esta condición, la onda se presentará en la banda de paso y en la 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 de Chebyshev tiene una buena respuesta de amplitud que el filtro de Butterworth con el gasto de comportamiento transitorio.
El filtro de Bessel tiene una buena respuesta transitoria. Pero el comportamiento de la amplitud es pobre. El filtro de 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 | El Filtro Activo utiliza elementos activos como OP-AMP y Transistor. | El filtro pasivo utiliza elementos pasivos como el condensador y el inductor. |
| Suministro de energía extra | Requiere una fuente de energía extra. | Funciona con la entrada de la señal y no necesita una fuente de alimentación adicional. |
| Limitación de frecuencia | Tiene limitaciones de frecuencia. | No tiene limitaciones de frecuencia. |
| Costo | Alto | Más barato en el costo. |
| Estabilidad | Estabilidad inferior | Mejor estabilidad |
| Peso | Bajo | Alto (Porque el peso del inductor es muy alto) |
| Sensibilidad | Más sensible | Menos sensible |
| Factor Q | Alto | Muy bajo |
| Diseño | Necesita un complejo sistema de control. Por lo tanto, el diseño de este filtro es complejo. | Es fácil de diseñar. |
| Eficiencia | Alto | Bajo |
| Características de la respuesta en frecuencia | La característica de respuesta de frecuencia es aguda | La característica de respuesta de frecuencia no es aguda |
Ecuación de la función de transferencia del filtro de paso alto
La función de transferencia da 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 deduce 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 la función de transferencia es como:
Dónde:
De acuerdo con esta función de transferencia para una frecuencia más alta
Y para la frecuencia más baja
Por lo tanto, muestra una magnitud cero para la frecuencia más baja y una magnitud máxima para la 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, entonces permitirá pasar la señal. Y si la frecuencia de la señal es menor que la frecuencia de corte, entonces atenuará la señal.
La frecuencia de corte es definida por 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 tanto para un filtro pasa altos como para un filtro pasa bajos.
La frecuencia de corte del filtro RC de paso alto de segundo orden está determinada por las resistencias y los condensadores. Y se expresa como;
A partir de la ecuación anterior, si el valor de R1 y R2 es igual y el valor de C1 y C2 es igual, la ecuación se expresa como
Filtro de paso alto Bode Plot o respuesta de frecuencia
La respuesta de frecuencia o trama de bode del filtro de paso alto es totalmente opuesta a 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 gráfico de bode para el filtro de paso alto es como se muestra en la siguiente figura.
La curva de magnitud puede ser obtenida por la magnitud de la función de transferencia.
La curva de fase puede obtenerse mediante la ecuación de fase de la función de transferencia.
Parcela 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 cruce la frecuencia de corte, permitirá que la señal pase. 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 del 70,7% del voltaje de entrada.
Diagrama de fases
En la frecuencia de corte, el ángulo de fase de la señal de salida es de +45 grados. En el 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 al infinito.
Mediante la adecuada selección de los 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 inferiores a 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 la amplitud original para las señales que tienen una frecuencia más alta que la frecuencia de corte. Y la amplitud será completamente cero para las señales que tienen 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:
Las características de respuesta en frecuencia de un filtro de paso alto ideal son las que se muestran en la siguiente figura.
Este tipo de característica ideal de un filtro de paso alto no es posible para los filtros prácticos. Pero la característica del filtro de Butterworth está muy cerca del filtro ideal.
Aplicaciones de los filtros de paso alto
Las aplicaciones de los filtros de paso alto incluyen:
- Se utiliza en amplificadores, ecualizadores y altavoces para reducir el ruido de baja frecuencia.
- Para afinar la imagen, se utilizan filtros de paso alto en el procesamiento de la imagen.
- Se utiliza en varios sistemas de control.
