Diseño y construcción de un filtro pasa bajos.

Diseñar y construir un filtro de audio pasa bajos, activo, de tercer orden, para subwoofer.

El espectro audible varía según cada persona y se altera con la edad por eso es muy importante cuidarlo y no exponerlo a sonidos o ruidos muy fuertes que pueden dañarlo irremediablemente.

El espectro audible podemos subdividirlo en función de los tonos:

1.- Tonos graves (frecuencias bajas, correspondientes a las 4 primeras octavas, esto es, desde los 16 Hz a los 256 Hz).

2.- Tonos medios (frecuencias medias, correspondientes a las octavas quinta, sexta y séptima, esto es, de 256 Hz a 2 kHz).

3.- Tonos agudos (frecuencias altas, correspondientes a las tres últimas octavas, esto es, de 2 kHz hasta poco más de 16 kHz).

Un filtro activo es un filtro electrónico analógico distinguido por el uso de uno o más componentes activos (que proporcionan una cierta forma de amplificación de energía), que lo diferencian de los filtros pasivos que solamente usan componentes pasivos. Típicamente este elemento activo puede ser un tubo de vacío, un transistor o un amplificador operacional.

Un filtro activo puede presentar ganancia en toda o parte de la señal de salida respecto a la señal de entrada. En su implementación se combinan elementos activos y pasivos, siendo frecuente el uso de amplificadores operacionales, que permite obtener resonancia y un elevado factor selectividad sin el empleo de bobinas.

Se pueden implementar, entre otros: filtros pasa bajas, pasa altas, pasa banda y la combinación de estos (rechaza banda). En este caso se diseñará un filtro pasa-bajos activo de 3er orden.

Para determinar las frecuencias de corte de los diferentes filtros que componen nuestro diseño, se utiliza la herramienta de software Cool Edit 2000. Este programa cuenta con la capacidad de realizar una análisis de espectro de frecuencias. PARA DESCARGAR EL PROGRAMA COOL EDIT 2000 DA CLICK AQUI.

1.- Se abre una canción que tenga bajos y se selecciona la herramienta "Frecuency Analysis", la cual se encuentra en el menú "Analyze" (1).

2.- En la ventana del analizador puede observarse el espectro de frecuencias de la canción (para este caso se recomienda utilizar la vista logarítmica (2) y una resolución FFT de 2048 (4)).

3.- Observando el espectro se selecciona la frecuencia de corte del filtro pasa-bajas (Moviendo el cursor podemos saber la frecuencia de un punto en especifico (3)).

En este caso se seleccionaron 6 canciones diferentes, las cuales se observaron para determinar la frecuencia de corte a a que se escuchaban los bajos, con dos resoluciones cada canción se determinaron las siguientes frecuencias:

Al obtener el promedio de las frecuencias que fueron determinadas por observación propia, se obtiene un valor de 210 Hz para la frecuencia de corte de nuestro filtro. Como es de observarse no difiere mucho del valor  de 256 Hz que se define como la frecuencia de los tonos bajos en acústica.

Una vez obtenido el valor de la frecuencia de corte de nuestro filtro, se procede a realizar los cálculos necesarios para obtener los valores de las resistencias y capacitores que serán necesarios para nuestro circuito.

Para calcular el circuito pasa-bajas, utilizaremos la siguiente configuración. (existen varias configuraciones, las cuales ya se encuentran pre-establecidas y cada una cuenta con su formula específica. Se les denomina filtros de Sallen-Key y puedes leer más sobre ellos dando CLICK EN ESTE LINK.).

La configuración anterior es para un filtro activo pasa-bajos, de 3er orden, y su formula especifica es la siguiente:

Por comodidad, se propone la utilización de capacitores de 100nF (puede utilizarse otro valor, siempre y cuando las resistencias de los Amplificadores operacionales no resulten ser menores a 1000 ohm, para evitar distorsión dentro de lo posible). A continuación se realizan los cálculos para determinar R, 2R, y C/2. 

Como puede observarse, el valor calculado de R es 7578 ohm, sin embargo se busca el valor comercial mas cercano, en este caso R es similar a 8.2 KOhms. Lo mismo ocurre con los siguientes valores, se busca el valor comercial mas cercano.

Una vez obtenidos todos los valores de resistencias y capacitores de nuestro diseño, se procedió a realizar el circuito en OrCAD, para poder simularlo y observar su comportamiento. A contnución se observa el diagrama de nuestro diseño:

Posteriormente, utilizando la herramienta PSpice (del programa OrCAD), se realizó la simulación del circuito, para poder observar los diagramas de BODE de nuestro diseño. Los resultados pueden ser observados en la siguiente gráfica.

Como puede observarse, la curva en color verde es la salida de nuestro circuito, la cual corresponde con nuestra frecuencia de corte que fué utilizada para realizar los cálculos.

Una vez que hemos determinado que nuestro circuito no tiene errores hasta el momento, se procede a ensamblarlo en protoboard para probarlo de forma real.

Se adquirieron todos los componentes en las tiendas de electrónica y se realizó la conexión en el proto-board como se muestra en la siguiente imagen:

Una vez ensamblado, se probó de forma real, siendo alimentado con +12 VCD, el siguiente video muestra la respuesta de frecuencias del filtro pasa-bajas que hemos diseñado (Tome en cuenta que el video es demostrativo, ya que se utilizó un bocina de medios y poca potencia de salida, sin embargo se ha probado con amplificador de 100W RMS obteniéndose resultados satisfactorios):

Posteriormente subiré el PCB listo para armarse.