Caso práctico: Bobina como filtro en alimentación de Arduino

Materiales

• 1 × Arduino Uno (o similar de 5 V).
• 1 × Fuente de 5 V conmutada (cargador USB o similar; ideal si es algo ruidosa).
• 1 × Inductor (bobina) de 100 µH (1 a 470 µH también sirve para experimentar).
• 1 × Condensador electrolítico de 100 µF / 10 V o superior (para el filtro).
• 1 × Condensador cerámico de 100 nF (0,1 µF) (en paralelo con el electrolítico, opcional pero recomendado).
• 1 × Protoboard (placa de pruebas).
• 6–8 × Cables de puente (jumpers).
• 1 × Multímetro digital.
• 1 × Osciloscopio (recomendado; si no tienes, aún puedes hacer el montaje y usar el multímetro).
• 1 × Carga ruidosa opcional: motor DC pequeño o módulo de relé de 5 V.
• 1 × Diodo flyback (por ejemplo 1N4007) si usas motor o relé (protección básica).

Guía de conexionado

Estas conexiones definen exactamente el esquema que verás en la siguiente sección.

• Alimentación primaria (sin filtrar)
• • Conecta el polo positivo de la fuente de 5 V al nodo llamado 5V_IN.
• • Conecta el polo negativo de la fuente de 5 V al nodo GND (masa común del circuito y del Arduino).

• Filtro LC

• • Conecta el inductor [L1] 100 µH entre el nodo 5V_IN y el nodo 5V_FILT (salida filtrada).
• • Conecta el condensador electrolítico [C1] 100 µF entre el nodo 5V_FILT y GND (respeta la polaridad: + a 5V_FILT, − a GND).
• • Conecta el condensador cerámico [C2] 100 nF también entre el nodo 5V_FILT y GND.

• Alimentación del Arduino con tensión filtrada

• • Conecta el pin “5V” del Arduino al nodo 5V_FILT.
• • Conecta un pin “GND” del Arduino al nodo GND.

• Carga ruidosa (opcional, para ver el efecto del filtro)

• • Conecta uno de los terminales del motor o relé al nodo 5V_IN.
• • Conecta el otro terminal del motor o relé al nodo GND.
• • Coloca el diodo [D1] 1N4007 en paralelo con la carga ruidosa: ánodo al nodo de la carga que va a GND, cátodo al nodo de la carga que va a 5V_IN.

• Puntos de medida en el osciloscopio

• • Canal 1 (CH1) del osciloscopio: punta de prueba al nodo 5V_IN, pin de masa (cocodrilo) a GND.
• • Canal 2 (CH2) del osciloscopio: punta de prueba al nodo 5V_FILT, pin de masa a GND.

Esquemático

             +5V fuente
             |
             o 5V_IN
             |
           [L1] 100µH
             |
             o 5V_FILT
             | \
             |  \
          [C1] 100µF
             |    \
             |    [C2] 100nF
             |      |
             |      |
            GND    GND


      Arduino Uno
      -----------
      5V pin  o----o 5V_FILT
      GND pin o----o GND


   Carga ruidosa (motor o relé, opcional)

          5V_IN o----( Motor / Relé )----o GND
                          |           |
                         [D1] 1N4007
                          |           |
                       ánodo       cátodo
                        a GND     a 5V_IN
                            ---

Mediciones y pruebas

• Verificación básica de tensión con multímetro

  • Mide la tensión entre 5V_IN y GND con el multímetro en modo VDC: deberías leer alrededor de 5 V (la tensión real de tu fuente).
  • Mide la tensión entre 5V_FILT y GND: debería ser prácticamente la misma (pérdida muy pequeña en la bobina).
  • Si la caída de tensión entre 5V_IN y 5V_FILT es > 0,2–0,3 V sin carga fuerte, revisa conexiones o si el inductor se está calentando.

• Medida del ruido con osciloscopio en la entrada (V_IN)

  • Configura el osciloscopio en modo AC acoplado (si tu modelo lo permite) en el canal CH1 y conéctalo a 5V_IN (punta) y GND (masa).
  • Ajusta la escala vertical a algo como 20 mV/div o 50 mV/div para ver pequeños rizados.
  • Observa la forma de onda: el ruido/rizado serán pequeñas “ondas” o dientes de sierra superpuestos a la tensión de 5 V.
  • Estima el valor pico a pico del rizado: por ejemplo, 100 mVpp (milivoltios pico a pico). Esta medida de rizado la llamaremos “Vpp_IN”.
  • Vpp_IN significa “tensión pico a pico en la entrada sin filtrar”, es decir, la diferencia entre el valor máximo y mínimo del ruido sobre la línea de 5 V.

• Medida del ruido con osciloscopio en la salida filtrada (V_FILT)

  • Configura el canal CH2 del osciloscopio y conéctalo igual que antes pero en 5V_FILT y GND.
  • Usa la misma escala vertical que en CH1 para poder comparar directamente.
  • Observa la forma de onda: debería ser notablemente más “plana” que la de 5V_IN.
  • Mide el rizado pico a pico en el nodo filtrado (lo llamamos “Vpp_FILT”).
  • Vpp_FILT significa “tensión pico a pico en la salida filtrada”; compárala con Vpp_IN. Criterio de éxito: Vpp_FILT < 0,5 × Vpp_IN (al menos un 50 % menos de rizado).

• Prueba con carga ruidosa (motor o relé)

  • Con el motor o relé conectados a 5V_IN, enciende/apaga la carga (por ejemplo, con un interruptor sencillo en serie con el motor).
  • Observa en CH1 cómo aparecen picos más grandes al conectar y desconectar la carga.
  • Observa en CH2 cómo esos picos están atenuados gracias al filtro LC.
  • Verifica que el Arduino sigue funcionando (programa de parpadeo en el pin 13, por ejemplo) sin reinicios cuando la carga conmuta.
  • Si tienes un sketch que lea un pin analógico, observa en el monitor serie cómo las lecturas son más estables cuando se alimente por 5V_FILT que si se alimentara por 5V_IN (puedes hacer primero una prueba “sin filtro” y luego con el filtro conectado).

Explicación básica: ¿qué está haciendo la bobina?

• La bobina (inductor) [L1]:
• Se opone a los cambios rápidos de corriente (no le gusta que la corriente cambie bruscamente).
• Cuando el ruido intenta hacer variar la corriente en la línea de 5 V, la bobina “suaviza” ese cambio.
• El condensador [C1] (y [C2]):
• Ofrece un camino fácil a masa para las variaciones rápidas de tensión (ruido de alta frecuencia).
• Para el ruido, el condensador se comporta casi como un cortocircuito hacia GND, “derivando” el ruido.
• Con la bobina en serie y el condensador a masa se forma un filtro pasabajos LC:
• Las variaciones de alta frecuencia (ruido) se atenúan.
• La componente de baja frecuencia (la tensión DC de 5 V) pasa prácticamente sin cambios.

Errores comunes

• Conectar el condensador electrolítico al revés:
• El terminal “−” debe ir a GND y el “+” al nodo 5V_FILT.
• Si se invierte, el condensador puede calentarse o dañarse.
• Usar una bobina con corriente admisible demasiado baja:
• Si alimentas muchos dispositivos desde 5V_FILT, asegúrate de que la bobina soporta esa corriente (consulta su hoja de datos).
• Dejar el GND del Arduino separado del GND de la fuente:
• Debe existir una masa común; de lo contrario, las medidas serán erróneas y el montaje puede no funcionar.
• Medir el rizado con el osciloscopio mal ajustado:
• Si la escala vertical está en 2 V/div no verás los milivoltios de ruido.
• Asegúrate de trabajar con escalas de 10–50 mV/div y acoplamiento AC si tu osciloscopio lo permite.

Posibles mejoras y variantes

• Probar diferentes valores de L y C:
• Bobinas de 47 µH, 220 µH, 470 µH.
• Condensadores de 47 µF, 220 µF.
• Observa cómo cambian Vpp_IN y Vpp_FILT y la respuesta cuando se enciende/apaga la carga.
• Añadir una resistencia serie pequeña (por ejemplo 1–2,2 Ω) junto con L y C para formar un filtro “pi” (RLC) más amortiguado.
• Filtrar solo la parte analógica:
• Usar 5V_FILT únicamente para sensores y AREF.
• Dejar 5V_IN para la lógica y cargas digitales (módulos, relés, etc.).
• Añadir más condensadores cerámicos cerca de los pines de alimentación del Arduino y de los módulos ruidosos:
• Mejora el desacoplo local y reduce aún más el ruido de alta frecuencia.

Con este caso práctico has visto cómo usar una bobina como filtro sencillo de alimentación y cómo comprobar su efecto con mediciones objetivas de ruido.

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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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