Bueno como podrn imaginarse esta gua es una ayuda,

para nosotros los estudiantes, de cmo poder trabajar con

los llamados osciladores y filtros.

Como ya sabrn nuestra carrera son utilizadas muchas

frmulas para realizar clculos necesarios que nos

ayudaran en la implementacin de dispositivos elctricos y

electrnicos con el fin de realizar una tarea especfica.

Pero como buenos estudiantes de ingeniera que somos nos

habremos dado cuenta que la teora en algunos casos NO

COINCIDE CON LOS DATOS OBTENIDOS EN LAS

PRCTICAS REALES! Esto porque la formulas son para

componentes ideales hechos con materiales ideales, los

cuales lamentablemente nunca existirn (o por lo menos por

el momento).

Responde un miembro del grupo: Yo opino que hagamos la

maqueta.

Dice otro: Hagamos mejor los circuitos en protoboard

En general hay una cantidad de opiniones pero lo ms

importante en la realizacin de proyectos es la

planificacin previa.

Entonces para comenzar nuestro proyecto debemos de

hacer una planificacin previa de todo.

1. Hacer un cronograma de actividades. Ayudar a

monitorear el avance del proyecto, lo que nos

permitir terminar a tiempo.

2. Realice un cronograma general, nos referimos a otros

proyectos. Es importante programar el avance de las

actividades del proyecto de Circuitos Elctricos 2

pero, como sabemos tambin hay otros proyectos

durante el semestre, y no debemos darles ms o

menos importancia. Entonces ste cronograma de C2 y

otros proyectos nos ayudar a ir avanzando de forma

adecuada y no terminar uno de los proyectos a ltima

hora.

3. Asegrese de que entendi al cien por ciento el

funcionamiento del circuito y que est consciente de

las restricciones. De lo contrario busque asesora.

Esto puede evitarnos horas y horas de retraso,

adems de trabajar en vano por haber trabajado en

algo incorrecto o restringido.

4. Ya que ha comprendido el funcionamiento adecuado.

Haga un diagrama a bloques. Hgalo de forma que se

cubran todos los requerimientos y que las funciones

tengan un orden lgico. Revsenlo muy bien en grupo.

5. Documntese muy bien por cada bloque previo a

proponer diseos de circuitos. Recuerde que hay

estudiantes que ya pasaron por este curso. Socialice

ms!

6. Proponga el diseo de circuitos en base a su

documentacin previa.

7. Realice un listado de materiales, y verifique la

accesibilidad a cada uno de los componentes. Esto se

hace porque muchas veces tenemos un circuito

aparentemente funcional y que cumple con las

caractersticas deseadas, pero al llegar el momento de

realizarlo vemos que no es comercial alguno de sus

componentes o solo lo venden en determinado pas.

8. Tenga cuidado con los equivalentes que le ofrecen en

las tiendas de dispositivos. Verifique usted mismo en

una base de datos la similitud y compatibilidad a su

sistema, ya que algunas veces las tiendas ofrecen con

fines comerciales y algunas veces no venden lo que

realmente dicen. Tenga precaucin y revise usted

mismo antes de probar equivalentes, y puede

asesorarse con su tutor de proyecto.

9. Disee correctamente los espacios para empaquetar

la circuitera de su proyecto. Debe de adecuar y

colocar bien las dimensiones de modo que la

comunicacin y alimentaciones de placas queden de la

forma ms ordenada.

10. Disee antes su maqueta. No lo haga al finalizar

sus placas y como comnmente lo hacemos buscar una

caja en donde meter todo, porque; y si un cable se

desconecta? Ser una tarea pica sacar las placas y

revisar y luego reconectar.

Primero definiremos que es lo que es el trmino de

oscilacin. Oscilar es moverse alternativamente de un lado

para otro un cuerpo que est apoyado en un solo punto, y

Cmo podemos aplicar esto a la electricidad y electrnica?

Podemos decir que un es

aquel circuito capaz de producir una seal elctrica

repetitiva a una determinada frecuencia a pesar de ser

alimentado con corriente continua.

Estos tienen numerosas aplicaciones como lo es los

generadores de frecuencia de radio, de televisin etc.

GENERADOR DE SEAL

Hay infinidad de tipos de seales las cuales pueden ser

producidas por un oscilador, pero las 3 principales son: La

onda cuadrada, onda sinusoidal y onda de diente de sierra:

Ahora que ya sabemos que hay osciladores electrnicos y

distintos tipos de seal, podemos combinar esto y decir que

hay osciladores electrnicos los cuales producen un tipo de

seal especfica. Y para qu nos sirve saber esto? Porque

para cada tarea es necesaria o resulta ms conveniente el

uso de una seal especfica.

Ahora bien un circuito oscilador no puede estar por si solo

para su funcionamiento, dado a que ellos tienen muy poco

voltaje y corriente para poder mantener la funcin deseada.

Entonces por eso lo que necesitamos nosotros es un

el cual est compuesto por:

El oscilador: Es el cual nos da la seal respectiva a una

determinada frecuencia.

Amplificador: El que nos permite aumentar de

diferencia de potencial y corriente a nuestra seal del

oscilador.

Red de retroalimentacin: Para evitar un sobre

aumento de uso de energa.

Y se puede ver en el siguiente diagrama:

TIPOS DE Osciladores

Este oscilador est compuesto por un circuito LC

paralelo conectado entre colector y base con una parte

del voltaje del circuito sintonizado alimentado al

emisor. Su retroalimentacin es obtenida por medio de

un divisor inductivo. El resistor R modela las prdidas

de los inductores, la resistencia de carga del oscilador

y la resistencia de salida del transistor.

Para obtener la frecuencia de oscilacin de dicho

circuito utilizamos:

=1

2 (1 + 2)

Como podremos apreciar este circuito oscilador es muy

parecido al circuito oscilador de Harley visto anteriormente,

con la diferencia que en donde hay capacitores, hay

inductancias y viceversa; es decir, que ahora se utiliza un

divisor capacitivo en vez del inductivo.

Para obtener la frecuencia de oscilacin de dicho

circuito utilizamos:

=1

2 (12

1 + 2)

Este circuito tiene la peculiaridad de utilizar un amplificador

operacional y un puente RC que los cuales definirn su

frecuencia de oscilacin. Haciendo referencia del diagrama,

las resistencias R1 y R2 y los capacitores C1 y C2 son los cuales

modificaran nuestra frecuencia de salida del oscilador. Por

otra parte las resistencias R3 y R4 forman parte de la

trayectoria de retroalimentacin.

Ahora para calcular la frecuencia de oscilacin se utiliza:

=1

2 1212

Y ahora haciendo que R1=R2 y C1=C2 entonces nuestra

formula de frecuencia es:

=1

2

Y tambin:

3 4

2

Si es mayor que 2 proporcionar una ganancia de lazo para

que el circuito oscile a la frecuencia calculada.

Este multivibrador, como su nombre lo dice, es un oscilador

de onda cuadrada el cual est compuesto por transistores

PNP y un arreglo de capacitores y resistencias.

Ahora bien guindonos del diagrama anterior, la frecuencia

de oscilacin est definida por los capacitores: C1 y C2 y por

las resistencias: R2 y R3.

Ahora su funcionamiento es el siguiente:

Supongamos que el circuito es simtrico. Debido a las

tolerancias y a las diferencias de caractersticas de T1 y T2,

es totalmente imposible que ambas partes del circuito sean

exactamente iguales; esto provoca que alguno de los 2

transistores conduzca ms rpidamente, por ejemplo T2, lo

cual indica que su tensin de colector de T2 sea ligeramente

menor a la tensin en el colector de T1. Si

momentneamente, suponemos que C1 y C2 son

cortocircuitos, una disminucin del voltaje en el colector de

T2 lleva implcita una disminucin de la polarizacin de base

de T1, por lo que aumenta la tensin de colector, que, a su

vez, aumentar la polarizacin de base T2, acelerando an

ms el proceso descrito anteriormente hasta alcanzar la

saturacin de T2 y el corte de T1.

Una vez alcanzada la situacin de T2 en saturacin y T1 en

corte, C1 se empezara a cargar a travs de T2 y R1, y, como

el punto de unin de C1 y R2 est conectado a la base de T2,

llegar un momento en que la tensin en la base de T2 es

insuficiente para que T2 permanezca saturado, con lo que al

conducir menos la tensin de base de colector de T2

aumentar, iniciando el proceso descrito anteriormente pero

en sentido contrario, es decir, llevando a T1 a saturacin y a

T2 en corte .

Mientras C1 adquira carga para provocar tal cambio, C2 se

va descargando.

Tabla de frecuencias aproximadas:

Como nos hemos dado cuenta las cosas, en la electrnica,

tienden a no ser lo que realmente esperamos y en los

osciladores no es la excepcin. La onda de salida del

multivibrador astable se aproxima a una onda de cuadrada

pero tiene una curvatura apreciable al momento de la subida,

y por esta razn se ha realizado el circuito oscilador

multivibrador astable mejorado el cual es el siguiente:

La inclusin de D1, D2, R6, y R5 hace que los efectos citados

no se manifiesten en las salidas, ya que durante la carga de

los condensadores los diodos estn bloqueados y los

condensadores se han de cargar a travs de R1 y R4,

respectivamente, y la forma de onda de salida depende

exclusivamente de R5 y T1 o de R6 y T2, en cada caso; por el

contrario, para la descarga siguen encontrando el mismo

circuito con la inclusin diodo polarizado directamente.

Un circuito que acta como filtro se disea para dejar pasar

seales de un determinado rango de frecuencias y para

rechazar o atenuar seales cuyo espectro de frecuencia

est fuera de dicho rango. Los filtros ms comunes son

filtros paso bajo (pasan las bajas frecuencias y bloquean las

altas), filtros paso alto (pasan las altas frecuencias y

bloquean las bajas), filtros pasa bandas (pasa slo una banda

particular de frecuencias), y filtros de rechazo de bandas

(diseados especficamente para rechazar una banda

determinada de frecuencias y pasar todas las dems).

La teora de los filtros puede obtenerla en los manuales de

laboratorio, o bien de los libros sugeridos para el curso; ya

que nos enfocaremos en cmo realizar los prototipos de

diseo.

El tema de los filtros se convierte en el corazn del

proyecto, ya que generalmente en este bloque es en donde

los proyectos toman ms tiempo. El tema de los osciladores

es un tanto ms manejable; pero debe de tener cuidado

(como se mencion con anterioridad) de hacer acoples de

impedancia para no tener problemas en sta etapa,

principalmente si trabaja con filtros pasivos.

A continuacin se menciona el principio de diseo de los

filtros y omitimos los filtros pasivos porque actualmente en

los proyectos es permitido y con buena razn utilizar filtros

activos, siendo stos mucho ms funcionales y de diseo ms

prctico.

Para ello utilizaremos el software FilterPro que usted puede

descargar de forma gratuita de la pgina de Texas

Instrument.

sta es la pgina inicial del asistente para generar el diseo

del filtro activo.

En ste tipo de filtro nicamente tendremos una ganancia lo

suficientemente necesaria para un espectro de frecuencias

debajo de una fc (frecuencia de corte), se establece una

frecuencia ideal de corte, sin embargo existe una pendiente

que hace al filtro construido no ideal.

Frecuencias menores a fc (rango de frecuencias en donde

tendremos ganancia de por lo menos 70.7% o -3db en

escala logartmica.

Cmo es posible apreciar la curva de los amplificadores no

es ideal, sin embargo veremos que se puede ir disminuyendo

la pendiente (idealizar los filtros) dependiendo del nmero

de polos, quiere decir colocar ms etapas a cada filtro y esto

puede reflejarse en los costos de fabricacin y si en su

diseo no hay traslapes entre las bandas de atenuacin (Si

sus frecuencias estn lo suficientemente lejos) quiz no

necesite un filtro tan preciso.

Se observan los mismos parmetros nicamente que ahora

vemos que las frecuencias mayores a fc son las que tienen

una ganancia de por lo menos el 70.7% del voltaje de entrada

o -3db en escala logartmica

Ahora definimos algunos otros parmetros:

Frecuencia de corte superior fH: indica la frecuencia

mxima a la que tendremos la ganancia de voltaje

adecuada.

Frecuencia de corte inferior fL: indica la frecuencia

mnima a la que tendremos la ganancia de voltaje

adecuada.

Ancho de Banda (Bandwidth): se refiere a el rango de

frecuencias con la ganancia adecuada y se define como

fH - fL

Gain (A0): especifica la ganancia mxima que

necesitamos del sistema, puede seleccionar entre

ganancia 0/ o escala logartmica 0/ , por

ejemplo si tenemos una ganancia de 1 (v/v) significa que

el mayor voltaje de salida ser el voltaje de entrada. Si

necesitamos que el voltaje de salida sea 2 veces el

voltaje de entrada, debe de seleccionar 2 (v/v).

Passband Frequency (fc): ste parmetro indica el

valor de la frecuencia de corte en Hz.

Allowable Passband Ripple: indica el valor de rizado

permisible (amplitud del rizado en dB). (Para el diseo

de filtros de ste curso no es de mayor relevancia este

parmetro).

Stopband Frequency: indica el valor de frecuencia en

Hz en donde la ganancia de voltaje ser

aproximadamente 0 (v/v).

Stopband Attenuation: Esto indica el valor de

separacin entre los valores de ganancia mxima y la

ganancia mnima o valores de la StopBand, (medido en

dB).

La opcin de Set Fixed, es para determinar desde el

principio el orden del filtro, recuerde que el orden del filtro

determina que tan idealizada ser la curva del filtro. En

algunos casos la aplicacin del circuito no requiere una

pendiente de atenuacin muy grande (entre mayor es la

pendiente de atenuacin, ms ideal es la curva del filtro) as

que podemos colocar pocas etapas si as lo deseamos.

Luego de ingresar los parmetros, contina el asistente con

la siguiente ventana. En sta ventana se muestra las curvas

de respuesta en ganancia o fase de varias configuraciones

de filtros a seleccionar

En sta ventana por configuracin de fbrica se muestra la

ganancia del filtro en escala logartmica, pero se puede

modificar a:

El orden del filtro tiene que ver con el nmero de polos de

la funcin de transferencia o con el nmero de redes

presentes en la estructura. Mientras mayor sea el orden

del filtro ms aproximada ser su respuesta a la respuesta

ideal del filtro.

Cada color representa la curva caracterstica para cada

filtro, entre los que estn:

Chebyshev (Equal Ripple Magnitude)

ste filtro se modela matemticamente mediante los

polinomios de Chebyshev. Presenta una cada de la respuesta

en frecuencia ms pronunciada en frecuencias bajas, debido

a que permite ms rizado que otros filtros en alguna de sus

bandas.

Para frecuencias cercanas a la frecuencia de corte los

filtros Chebyshev poseen mejor respuesta pero presentan

un rizado en la banda pasante. En donde n es el orden del

filtro. Vea como se mejora la respuesta a fc pero existen

ms componentes en el rizado, aunque con amplitud

constante.

Filtro con respuesta Butterworth

Se considera por su respuesta ms plana en la banda de paso,

a diferencia del Chebyshev, pero una cada leve en la

frecuencia de corte a razn de 20n (dB/dec) donde n es el

orden del filtro. Vea la grfica de respuesta y comprela con

la respuesta Chebyshev.

Bessel (Maximally Flat Time Delay)

A los filtros Bessel se les llaman filtros de fase lineal o de

retraso lineal en el tiempo. El retraso de fase de una seal,

de la entrada a la salida, aumenta linealmente con la

frecuencia. Por tanto, los filtros Bessel casi no tienen

exceso con una entrada de respuesta en escaln. Esta

caracterstica hace que sean los mejores para filtrar ondas

rectangulares sin alterar la forma de la onda.

Los filtros Bessel tienen una variacin de atenuacin en la

regin de transicin de un poco menos de 6 dB/ octava/ polo.

La frecuencia de corte del Bessel se define como la

frecuencia a la cual el retraso de fase del filtro es la mitad

del retraso de fase mximo.

Note que existen dos columnas en donde nos indica el

nmero de etapas y el orden del filtro; esto conforme a las

especificaciones colocadas por el usuario.

Ahora debemos de seleccionar la topologa del filtro, cada

una con su descripcin.

Seleccionemos Multiple-Feedback y finalizamos

Ahora visualizamos el diseo de nuestro filtro pero an

podemos realizar algunos ajustes:

Como se observa los valores que se proponen, no son en

algunos casos comerciales o necesitara de arreglos para

poder conseguir los valores propuestos, sin embargo usted

puede dar margen de tolerancia y hacer aproximaciones a

valores de capacitores y resistencias, dependiendo de las

exigencias de su circuito. Puede verificar como varan las

curvas de respuesta.

Vamos a dar 5% de error en las aproximaciones en

capacitores y resistencias.

Para efectos de comparacin podemos utilizar la tabla

generada por el programa en la opcin Data

Se puede observar una aproximacin a la frecuencia de

corte para 0.707 de ganancia o -3Db

Los valores se pueden exportar si lo necesitara a una hoja

de clculo

Y ahora el diseo ya est listo.

Recomendacin

Para finalizar es importante mencionar que los

amplificadores a utilizar deben de ser previamente

revisados en su datasheet porque algunos tienen anchos de

banda de trabajo limitados. Algunos no responden a bajas o

altas frecuencias, entonces debe de revisar; esto lo hemos

comprobado experimentalmente. Por ejemplo se haba

construido el circuito diseado por Filterpro pero no

responda a la passband configurada por lo que cambiamos

de nmero de amplificador operacional, y se obtuvo una

respuesta aceptable del filtro.

Luego de seleccionar la opcin Passband en el asistente

veremos la siguiente ventana:

Algunos parmetros los explicamos con anterioridad pero

ahora tenemos algunos trminos nuevos como:

Center frequency:

Determina la frecuencia central de nuestro pasa-bandas.

Alowable Passband Riple:

Indica el valor de rizado permisible en el filtro, amplitud en

dB

Passband Bandwith

Este valor indica el ancho de banda que tendremos para

ganancias por arriba del 0.707 v/v, o -3 dB con referencia a

la frecuencia central.

Por ejemplo si la frecuencia central es 1000 Hz, y el ancho

de banda permisible es 100 Hz; significa que las frecuencias

de corte inferior y superior sern: en f

(PassBand Bandwith/2), 950 Hz y 1050 Hz respectivamente.

StopBand Bandwith

Este valor indica el ancho de banda en el que tendremos una

ganancia de aproximadamente 0 v/v. Siempre con referencia

a la frecuencia central.

Por ejemplo si la StopBand es 1000 Hz, y la frecuencia

central de 1000 Hz; significa que tendremos

aproximadamente 0 v/v de ganancia en f

(StopBand Bandwith/2), a 500 Hz y 1500 Hz

StopBand Attenuation

Indica nicamente la distancia en dB de la ganancia mxima

(frecuencia central) hasta la ganancia mnima (valores de la

stopband)

La opcin set fixed se explic en el ejemplo del FPL.

Luego de esto veremos las curvas de respuesta a los

diferentes tipos de filtros:

Seleccionaremos nuevamente el filtro de Bessel con 3 etapas.

Vemos la curva de respuesta en ganancia v/v

Y ahora nuestro diseo con 5% de error en los componentes

Podemos ver la tabulacin en la opcin data

La Primera frecuencia de Stopband

La segunda frecuencia de Stopband

La primera frecuencia del passband

Y la segunda frecuencia de corte del passband

Es importante recalcar que las incertezas son aditivas y

modificarn la respuesta del filtro as que es necesario

realizar varias pruebas para conseguir los resultados

deseados.