Caso práctico: Inductor en filtro pasa altos para RF básica

Materiales

• 1 × Generador de funciones (capaz de llegar al menos a 500 kHz o 1 MHz).
• 1 × Osciloscopio (preferible 2 canales, banda ≥ 20 MHz).
• 1 × Inductor [L1] de 100 µH (o valor cercano entre 47 µH y 220 µH).
• 1 × Capacitor [C1] de 1 nF (cerámico, preferible tipo NP0/C0G para RF básica).
• 1 × Resistencia [R1] de 1 kΩ (¼ W).
• 1 × Protoboard (placa de pruebas).
• 4–6 × Cables de conexión macho-macho.
• 1 × Fuente de alimentación del generador (si no tiene interna).
• 1 × Clip o cable para referencia de GND del osciloscopio.

(Puedes ajustar los valores de L1 y C1; el objetivo es que la frecuencia de corte fc ≈ 1 / (2π·√(L·C)) quede en una zona donde tu generador y osciloscopio trabajen cómodos.)

Guía de conexionado

• Conecta la masa (GND) del generador de funciones a la referencia GND de la protoboard.
• Conecta la pinza/clip de GND del osciloscopio al mismo punto GND de la protoboard.
• Conecta la salida de señal del generador (Vin) a un nodo en la protoboard que llamaremos VIN node.
• Conecta el canal 1 del osciloscopio (CH1) al VIN node para visualizar la señal de entrada.
• Conecta el inductor [L1] entre el VIN node y un nuevo nodo que llamaremos VOUT node.
• Conecta el capacitor [C1] entre el VOUT node y GND.
• Conecta la resistencia [R1] entre el VOUT node y GND (esta será la carga del filtro).
• Conecta el canal 2 del osciloscopio (CH2) al VOUT node para visualizar la señal de salida.
• Verifica que no haya ningún otro componente o cable conectando directamente VIN node a GND o VOUT node a VIN node sin pasar por [L1], ni a GND sin pasar por [C1] o [R1].

Esquemático

                                             Generador de funciones
                      (señal RF)
                         |
                     VIN node
                         o
                         |
                      [L1] 100uH
                         |
                     VOUT node
                         o
                         |
             +-----------+-----------+
             |                       |
           [C1] 1nF                [R1] 1kΩ
             |                       |
             +-----------+-----------+
                         |
                        GND
                         o
                         |
                     GND (osciloscopio)
                         o
                         |
                     GND (generador)

Mediciones y pruebas

• Configuración inicial:

  • Ajusta el generador de funciones a una onda senoidal de amplitud 1 Vpp (de pico a pico) y offset 0 V (centrada en 0).
  • Conecta CH1 del osciloscopio al VIN node y CH2 al VOUT node, ambos referidos a GND.
  • Configura el osciloscopio para ver ambas señales superpuestas (modo dual o XY si quieres comparar fase).

• Medición de amplitud de entrada (Vin):

  • Ajusta la escala de CH1 de modo que la onda senoidal ocupe buena parte de la pantalla.
  • Mide la amplitud de entrada, que llamaremos V_in_pp (tensión pico a pico de entrada): es la diferencia entre el pico máximo y el pico mínimo de la señal en CH1.
  • Verifica que V_in_pp se mantenga aproximadamente constante (por ejemplo, cerca de 1 Vpp) al cambiar la frecuencia en el generador.

• Medición de amplitud de salida (Vout):

  • Observa la señal de CH2 y mide su tensión pico a pico, que llamaremos V_out_pp.
  • Calcula la ganancia en magnitud como |H(f)| = V_out_pp / V_in_pp.
  • Para mayor precisión, usa las funciones de medida automáticas del osciloscopio (medida de Vpp en cada canal).

• Barrido en frecuencia:

  • A baja frecuencia (por ejemplo, 1 kHz):
    • Ajusta el generador a 1 kHz.
    • Mide V_in_pp y V_out_pp. Deberías observar V_out_pp mucho más pequeño que V_in_pp.
  • Cerca de la frecuencia de corte teórica:
    • Calcula la frecuencia de corte aproximada del filtro LC en serie-paralelo:
    • fc ≈ 1 / (2·π·√(L·C)).
    • Con L1 = 100 µH y C1 = 1 nF ⇒ fc ≈ 503 kHz (aprox.).
    • Ajusta el generador a frecuencias alrededor de este valor (por ejemplo, 100 kHz, 300 kHz, 500 kHz, 700 kHz, 1 MHz).
    • En la frecuencia donde V_out_pp ≈ 0,707·V_in_pp, estás aproximadamente en la frecuencia de corte (−3 dB).
  • A alta frecuencia (por ejemplo, > 1 MHz si tu equipo lo permite):
    • Aumenta la frecuencia hasta donde tu generador y osciloscopio trabajen bien (sin demasiada distorsión o pérdida).
    • Mide V_out_pp; debería acercarse a V_in_pp, es decir, |H(f)| ≈ 1.

• Medición en dB (opcional pero recomendable):

  • La ganancia en decibelios (dB) puede obtenerse con:
  • Ganancia_dB = 20·log10(V_out_pp / V_in_pp).
  • A bajas frecuencias, se esperan valores de ganancia en dB negativos grandes (por ejemplo, −20 dB, −40 dB…), lo que indica fuerte atenuación.
  • Alrededor de la frecuencia de corte, se espera aproximadamente −3 dB.
  • A altas frecuencias, la ganancia debe aproximarse a 0 dB.

Interpretación del funcionamiento del inductor en el filtro

• A bajas frecuencias:
• El inductor [L1] se comporta casi como un corto (su reactancia XL = 2·π·f·L es pequeña).
• La señal ve el camino de entrada a salida a través del inductor, pero se encuentra con C1 y R1 a GND que “derivan” la señal a tierra.

• El resultado es que poca tensión aparece en VOUT node: el filtro atenúa las bajas frecuencias (comportamiento pasa altos).

• A altas frecuencias:

• XL aumenta con la frecuencia, así que el inductor se parece más a una “resistencia grande” (impedancia elevada).
• El capacitor [C1] en alta frecuencia se comporta con baja reactancia (XC = 1/(2·π·f·C) disminuye con la frecuencia) y junto con R1 fija un punto de referencia de salida.

• El nodo de salida VOUT node ve menos derivación a GND relativa a la trayectoria de señal, permitiendo que la tensión de salida sea cercana a la entrada.

• Papel de la resistencia [R1]:

• R1 funciona como carga del filtro y como referencia de DC para el capacitor C1.
• Sin R1, el nodo de salida podría quedar “flotando” en algunas condiciones y sería difícil medir una salida estable.
• El valor de R1 afecta la forma de la respuesta en frecuencia (Q, pendiente); para este caso básico usamos 1 kΩ como valor típico.

Errores comunes

• Conectar mal la referencia de GND:
• Si el GND del generador no está unido al GND del osciloscopio, verás formas de onda extrañas o ruido importante.

• Siempre une todas las masas en un único punto común.

• Invertir las conexiones del circuito:

• Aunque el filtro LC ideal seria reversible en algunos casos, para este caso didáctico respeta estrictamente:
  • Generador → [L1] → VOUT → [C1 y R1] → GND.

• No coloques el capacitor en serie ni el inductor a GND; eso sería otra topología de filtro.

• Uso de inductores inadecuados:

• Un inductor con núcleo de hierro diseñado para 50/60 Hz puede comportarse mal en RF (pérdidas, saturación, resonancias parásitas).

• Prefiere inductores pequeños, tipo bobina de aire o núcleo de ferrita adecuada para RF.

• Uso de cables muy largos:

• A frecuencias de cientos de kHz o más, cables largos introducen inductancias y capacitancias parásitas apreciables.
• Mantén las conexiones lo más cortas y ordenadas posible para no distorsionar el resultado.

Posibles mejoras y variantes

• Cambiar la frecuencia de corte:
• Si quieres una fc más baja, aumenta L1 o C1 (o ambos).
• Si quieres una fc más alta, disminuye L1 o C1.

• Recalcula siempre: fc ≈ 1 / (2·π·√(L·C)).

• Medir fase además de amplitud:

• Usa el modo XY del osciloscopio o mide la diferencia de tiempo entre cruces por cero de Vin y Vout.

• La fase te mostrará cómo se va adelantando o retrasando la salida respecto a la entrada según la frecuencia.

• Añadir más etapas:

• Puedes poner otro filtro pasa altos igual en cascada (salida del primero a la entrada del segundo) para obtener una pendiente de atenuación mayor (2.º orden extra).

• Probar otros tipos de onda:

• Usa onda cuadrada y observa cómo el filtro atenúa la componente de baja frecuencia, modificando la forma de la señal de salida.
• Razona en términos de contenido armónico y cómo el filtro deja pasar más las componentes de frecuencia alta.

Con este montaje habrás realizado un caso práctico sencillo pero muy ilustrativo del uso de un inductor en un filtro pasa altos para RF básica, relacionando teoría (inductancia, reactancia, frecuencia de corte) con medidas reales en el osciloscopio.

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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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