Caso práctico: Filtro paso bajo RL simple

Nivel: Básico – Observa cómo un inductor filtra las altas frecuencias en un circuito RL serie.

Objetivo y caso de uso

En este ejercicio práctico, construirás un filtro paso bajo RL pasivo utilizando un inductor en serie y una resistencia en derivación. Este circuito demuestra la propiedad de la reactancia inductiva, donde la impedancia aumenta con la frecuencia, bloqueando eficazmente las señales de alta frecuencia mientras permite que las señales de baja frecuencia pasen a la salida.

Por qué es útil:
* Electrónica de audio: Se utiliza en redes de cruce (crossover) para dirigir las bajas frecuencias (graves) a los woofers mientras se bloquean los agudos.
* Fuentes de alimentación: Esencial para suavizar las corrientes de salida y reducir el rizado en convertidores DC/DC.
* Supresión de ruido: Filtra la interferencia de alta frecuencia (EMI) en las líneas de señal.
* Acondicionamiento de señal: Elimina el ruido de alta frecuencia de los datos de los sensores antes del procesamiento.

Resultado esperado:
* Entrada de baja frecuencia (< Corte): La amplitud de salida (VOUT) es aproximadamente igual a la amplitud de entrada (VIN).
* Frecuencia de corte (fc): La amplitud de salida cae aproximadamente al 70.7% de la amplitud de entrada (punto de -3dB).
* Entrada de alta frecuencia (> Corte): La amplitud de salida se atenúa (reduce) significativamente.
* Público objetivo: Estudiantes de electrónica básica y aficionados que exploran la teoría de circuitos de CA.

Materiales

• V1: Generador de funciones (fuente de onda senoidal), función: inyección de señal de CA
• L1: Inductor de 10 mH, función: elemento reactivo en serie (la impedancia aumenta con la frecuencia)
• R1: Resistencia de 100 Ω, función: resistencia de carga/derivación (la salida se toma aquí)
• Scope: Osciloscopio de doble canal, función: comparación visual de Entrada vs. Salida

Guía de conexionado

Construye el circuito utilizando las siguientes conexiones de nodos. El voltaje de salida se mide a través de la resistencia.

• V1 (Fuente de señal): Se conecta entre el nodo VIN (Positivo) y el nodo 0 (GND).
• L1: Se conecta entre el nodo VIN y el nodo VOUT.
• R1: Se conecta entre el nodo VOUT y el nodo 0 (GND).
• Osciloscopio Canal 1: Conecta la punta de la sonda a VIN y el clip de tierra a 0.
• Osciloscopio Canal 2: Conecta la punta de la sonda a VOUT y el clip de tierra a 0.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ V1: Func Gen ] --(Node VIN)--> [ L1: 10mH ] --(Node VOUT)--> [ R1: 100 Ω ] --> GND (0)
       |                        (Series Inductor)      |          (Load)
       |                                               |
       +--------(Probe)-------> [ Scope CH1 ]          +--------(Probe)-------> [ Scope CH2 ]

Mediciones y pruebas

Sigue estos pasos para validar la respuesta en frecuencia del filtro.

1. Configuración: Configura el Generador de funciones (V1) para emitir una Onda senoidal con una amplitud de 5 Vpp.
2. Prueba de baja frecuencia (Banda pasante):
   • Establece la frecuencia de V1 a 100 Hz.
   • Observa el Canal 1 (Entrada) y el Canal 2 (Salida) en el osciloscopio.
   • Resultado: La onda de salida (VOUT) debe ser casi idéntica en amplitud a la entrada (VIN).
3. Prueba de frecuencia de corte (fc):
   • Calcula el corte teórico: fc = (R / (2\pi L)) ≈ (100 / (2\pi × 0.01)) ≈ 1.59 kHz.
   • Establece la frecuencia de V1 a 1.6 kHz.
   • Resultado: VOUT debe ser de aproximadamente 3.5 Vpp (aproximadamente 0.707 × 5 Vpp). También notarás un desfase de -45°.
4. Prueba de alta frecuencia (Banda de parada):
   • Establece la frecuencia de V1 a 50 kHz.
   • Resultado: La onda de salida (VOUT) debe ser muy pequeña (altamente atenuada) en comparación con la entrada.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Practical case: Simple RL Low-Pass Filter
.width out=256

* --- Component Definitions ---

* V1: Function Generator (Sine wave source)
* Wiring: Connects between node VIN (Positive) and node 0 (GND)
* Configuration: Sine wave, 0V offset, 5V amplitude, 2kHz frequency
* (Note: Cutoff frequency fc = R/(2*pi*L) approx 1.6kHz. 2kHz chosen to show attenuation)
V1 VIN 0 SIN(0 5 2k)

* L1: 10 mH inductor
* Wiring: Connects between node VIN and node VOUT
L1 VIN VOUT 10m

* R1: 100 Ohm resistor
* Wiring: Connects between node VOUT and node 0 (GND)
R1 VOUT 0 100

* --- Analysis Commands ---
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Simple RL Low-Pass Filter
.width out=256

* --- Component Definitions ---

* V1: Function Generator (Sine wave source)
* Wiring: Connects between node VIN (Positive) and node 0 (GND)
* Configuration: Sine wave, 0V offset, 5V amplitude, 2kHz frequency
* (Note: Cutoff frequency fc = R/(2*pi*L) approx 1.6kHz. 2kHz chosen to show attenuation)
V1 VIN 0 SIN(0 5 2k)

* L1: 10 mH inductor
* Wiring: Connects between node VIN and node VOUT
L1 VIN VOUT 10m

* R1: 100 Ohm resistor
* Wiring: Connects between node VOUT and node 0 (GND)
R1 VOUT 0 100

* --- Analysis Commands ---

* Transient Analysis
* Step size: 1us
* Stop time: 2ms (sufficient to capture several cycles at 2kHz)
.tran 1u 2m

* Operating Point Analysis (DC check)
.op

* --- Output Directives ---

* Print Input (VIN) and Output (VOUT) voltages for simulation logging
* Scope Channel 1: VIN
* Scope Channel 2: VOUT
.print tran V(VIN) V(VOUT) I(L1)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation shows a sinusoidal input (VIN) and a sinusoidal output (VOUT). At 2kHz, the output amplitude (approx 3V peak) is attenuated relative to the input (5V peak) and phase-shifted, consistent with RL low-pass filter behavior near its cutoff frequency.

Show raw data table (2012 rows)

Index   time            v(vin)          v(vout)         l1#branch
0	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00
1	1.000000e-08	6.283185e-04	6.282557e-08	6.282557e-10
2	1.084006e-08	6.811008e-04	6.854662e-08	6.854662e-10
3	1.252017e-08	7.866654e-04	8.087543e-08	8.087543e-10
4	1.588039e-08	9.977945e-04	1.108531e-07	1.108531e-09
5	2.260084e-08	1.420053e-03	1.920880e-07	1.920880e-09
6	3.604174e-08	2.264569e-03	4.396687e-07	4.396687e-09
7	6.292353e-08	3.953601e-03	1.275216e-06	1.275216e-08
8	1.166871e-07	7.331665e-03	4.307397e-06	4.307397e-08
9	2.242143e-07	1.408778e-02	1.581244e-05	1.581244e-07
10	4.392686e-07	2.759992e-02	6.055593e-05	6.055593e-07
11	8.693773e-07	5.462350e-02	2.367416e-04	2.367416e-06
12	1.729595e-06	1.086651e-01	9.340244e-04	9.340244e-06
13	2.729595e-06	1.714719e-01	2.318447e-03	2.318447e-05
14	3.729595e-06	2.342516e-01	4.313902e-03	4.313902e-05
15	4.729595e-06	2.969943e-01	6.913992e-03	6.913992e-05
16	5.729595e-06	3.596901e-01	1.011228e-02	1.011228e-04
17	6.729595e-06	4.223291e-01	1.390231e-02	1.390231e-04
18	7.729595e-06	4.849014e-01	1.827756e-02	1.827756e-04
19	8.729595e-06	5.473972e-01	2.323151e-02	2.323151e-04
20	9.729595e-06	6.098065e-01	2.875758e-02	2.875758e-04
21	1.072959e-05	6.721195e-01	3.484918e-02	3.484918e-04
22	1.172959e-05	7.343264e-01	4.149966e-02	4.149966e-04
23	1.272959e-05	7.964173e-01	4.870237e-02	4.870237e-04
... (1988 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Medir a través del inductor: Si mides el voltaje a través de L1 en lugar de R1, creas un filtro paso alto (que deja pasar las frecuencias altas). Solución: Asegúrate de que la sonda del osciloscopio monitoree el nodo entre L1 y R1 con respecto a Tierra.
2. Usar entrada de CC: Un inductor actúa como un cortocircuito en CC (después del transitorio). Solución: Asegúrate de que el generador de funciones esté configurado en CA (Onda senoidal) para observar los efectos de la reactancia.
3. Saturación del inductor: El uso de un núcleo de inductor muy pequeño con alta corriente puede saturar el campo magnético, distorsionando la forma de onda. Solución: Usa un inductor apropiado o mantén la corriente de la señal dentro de la clasificación del componente.

Solución de problemas

• Síntoma: VOUT es cero en todas las frecuencias.
  • Causa: Circuito abierto en el cableado o cable del inductor roto.
  • Solución: Verifica la continuidad de L1 y las conexiones en VIN y VOUT.
• Síntoma: VOUT es igual a VIN en todas las frecuencias.
  • Causa: El inductor L1 está en cortocircuito o R1 está desconectada (abierta).
  • Solución: Mide la resistencia de L1 (debe ser distinta de cero pero baja) y asegúrate de que R1 esté correctamente conectada a tierra.
• Síntoma: No se observa atenuación a 50 kHz.
  • Causa: El valor del inductor es demasiado pequeño o el valor de la resistencia es demasiado grande (la frecuencia de corte es demasiado alta).
  • Solución: Verifica los valores de los componentes. Intenta aumentar L1 o disminuir R1 para reducir la frecuencia de corte.

Posibles mejoras y extensiones

1. Diagrama de Bode: Registra manualmente la amplitud de VOUT en 10 frecuencias diferentes de 100 Hz a 100 kHz y traza los resultados en papel semilogarítmico para visualizar la caída de -20dB/década.
2. Filtro de segundo orden: Agrega un condensador en paralelo con R1 para crear un filtro paso bajo RLC, creando una caída más pronunciada (-40dB/década) y potencialmente introduciendo resonancia.

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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