Caso práctico: Inductor en filtro pasa bajos para audio

Checklist previa para elaborar y verificar el esquema
– Definir la topología: filtro RL de 1er orden con L en serie y carga de 8 Ω a GND.
– Calcular valores objetivo (fc) y seleccionar componentes realistas (L y carga).
– Distribuir el circuito con GND en la parte inferior y marcar puntos de medida.
– Representar cada componente como rectángulo vertical y etiquetar por fuera.
– Revisar continuidad: sin nodos abiertos ni “islas” flotantes, conexiones limpias.
– Comprobar que el diagrama cabe en ≤ 90 columnas y que las etiquetas no tapan cables.

Objetivo
– Diseñar y probar un filtro pasa bajos pasivo de primer orden (RL) para audio con fc ≈ 1 kHz sobre una carga de 8 Ω, validando su respuesta en frecuencia midiendo Vin y Vout.

Topología (resumen)
– Filtro RL serie: L1 en serie entre la fuente de señal y la carga (altavoz de 8 Ω a GND). La salida (Vout) se mide en la carga.

Mediciones (resumen)
– Medir Vin y Vout con osciloscopio, barrer frecuencia 100 Hz–10 kHz, estimar fc (punto a −3 dB), y calcular la atenuación a 2 kHz, 5 kHz y 10 kHz.

Materiales

• 1× Inductor L1 de 1.2 mH (≥ 0.5–1 A, R_DC baja < 0.3 Ω).
• 1× Altavoz de 8 Ω (5–20 W) o carga resistiva de 8 Ω/10 W para pruebas silenciosas.
• 1× Generador de señales (seno, 100 Hz–10 kHz). Recomendado: salida de baja impedancia o usar un pequeño amplificador de audio como buffer.
• 1× Osciloscopio de 2 canales y 2× sondas x10.
• 1× Multímetro (opcional, para verificar continuidad y valor del inductor si se dispone de LCR).
• Cables y regleta/bornes; opcional: caja o tabla para montaje mecánico seguro.

Nota de diseño rápido
– Para un filtro RL serie, fc ≈ R/(2π·L). Con R = 8 Ω:
– L ≈ 8/(2π·1000) ≈ 1.27 mH → valor comercial: 1.2 mH.

Guía de conexionado

• Conecta el terminal “frío” o negativo del generador a GND (masa común del montaje).
• Conecta el terminal “caliente” o salida del generador al extremo de entrada del inductor L1.
• Conecta el otro extremo de L1 al terminal positivo del altavoz (nodo de salida Vout).
• Conecta el terminal negativo del altavoz a GND.
• Conecta la sonda CH1 del osciloscopio a “Vin” (entre generador y L1) con su masa a GND.
• Conecta la sonda CH2 del osciloscopio a “Vout” (nodo del altavoz) con su masa a GND.
• Ajusta el generador a onda seno, amplitud baja (p. ej., 0.5 Vpp) para no sobrecargar la fuente si no hay amplificador intermedio.
• Si usas un amplificador de audio como buffer, conecta: generador → entrada del amplificador; salida del amplificador → L1 → altavoz; mantén las masas comunes.

Esquemático

              GEN (seno 100 Hz–10 kHz)         L1 1.2 mH                SPK1 8 Ω
            ┌─────────┐                      ┌─────────┐              ┌─────────┐
            │         │──────────●Vin────────│         │─────●Vout────│         │
            │         │                      │         │              │         │
            │         │                      │         │              │         │
            └─────────┘                      └─────────┘              └─────────┘
                 │                                 │                      │
                 │                                 │                      │
─────────────────┴─────────────────────────────────┴──────────────────────┴──────
                                                                           GND

Mediciones y pruebas

• Definiciones (abreviaturas):

  • Vin: tensión de entrada del filtro, medida entre el nodo a la salida del generador y GND. Cómo medir: CH1 del osciloscopio en el punto “●Vin”, pinza de masa a GND.
  • Vout: tensión de salida del filtro, medida entre el nodo del altavoz y GND. Cómo medir: CH2 del osciloscopio en el punto “●Vout”, pinza de masa a GND.

• Preparación:

  • Ajusta el generador a onda seno, 0.5 Vpp, 1 kHz, offset 0 V.
  • Verifica continuidad: masa común entre generador, osciloscopio y circuito.
  • Si el generador no puede con cargas bajas, usa un pequeño amplificador como buffer (misma topología de conexión).

• Barrido de frecuencia:

  • Barre frecuencias: 100 Hz, 200 Hz, 500 Hz, 1 kHz, 2 kHz, 5 kHz, 10 kHz.
  • En cada punto anota amplitudes de Vin y Vout. Calcula |Vout/Vin|.
  • Ganancia en dB = 20·log10(|Vout/Vin|). Espera ≈ −3 dB cerca de fc y pendiente ≈ −20 dB/década por encima de fc.

• Estimación de la frecuencia de corte (fc):

  • Ajusta la frecuencia hasta que |Vout| ≈ 0.707·|Vin| (−3 dB).
  • Compara con el cálculo teórico fc ≈ R/(2π·L) y explica diferencias (R_DC de L, impedancia real del altavoz, impedancia de salida del generador/amplificador).

• Observación de forma de onda:

  • A frecuencias bajas (≪ fc), Vout ≈ Vin (baja atenuación).
  • A frecuencias altas (≫ fc), Vout disminuye y la fase del altavoz retrasa respecto a Vin.

• Prueba auditiva (opcional, con amplificador):

  • Reproduce ruido rosa o música y conmuta el filtro (bypass vs. con L1). Debes notar menos agudos con el filtro.

Explicación rápida del funcionamiento

• El inductor L1 se opone a cambios rápidos de corriente. A bajas frecuencias su reactancia XL = 2πfL es pequeña y la señal pasa al altavoz; a altas frecuencias, XL crece y atenúa los agudos en la carga.
• Con carga de 8 Ω y L ≈ 1.2 mH, fc se sitúa alrededor de 1 kHz, adecuado como filtro grueso para graves (p. ej., crossover pasivo de primer orden).

Errores comunes

• Conectar el altavoz sin GND común: Vout “flota” y la medición es inconsistente.
• Usar un generador con alta impedancia de salida (p. ej., 50 Ω) sin considerar su efecto: la fc efectiva baja y la atenuación cambia. Solución: usar un amplificador/buffer de baja impedancia o mantener amplitud muy baja y tenerlo en cuenta en el análisis.
• Inductor con R_DC alta: reduce Vout incluso en bajas frecuencias (pérdidas). Elige L con R_DC baja.
• Saturar el inductor con corrientes grandes: distorsión. Mantén niveles moderados.

Seguridad y buenas prácticas

• No acerques el altavoz al oído a alto volumen. Empieza con baja amplitud.
• Vigila la temperatura del resistor de carga (si lo usas) y del inductor en pruebas prolongadas.
• Asegura conexiones firmes; evita falsos contactos que puedan generar picos.

Mejoras y extensiones

• Zobel (red RC en paralelo con el altavoz): estabiliza la impedancia a altas frecuencias, haciendo más predecible la fc. Ejemplo: 8.2 Ω en serie con 4.7 µF en paralelo con el altavoz.
• Filtro de 2º orden (LR o LC): añade un condensador en paralelo con la carga para aumentar la pendiente a −12 dB/década.
• Medición de fase: usa la función de medición de fase del osciloscopio entre Vin y Vout para completar la “Bode” casera.

Verificación final

1. Analiza el esquema: cada componente es un rectángulo vertical, las etiquetas están fuera, y los puntos de medida “●Vin” y “●Vout” están sobre el conductor.
2. GND está en la parte inferior como referencia común; no hay nodos flotantes ni extremos abiertos.
3. Las conexiones entre GEN → L1 → SPK1 son continuas; el diagrama cabe en ≤ 90 columnas.
4. Imagina que todo son cables reales: si alguien cablea exactamente como está dibujado, el circuito funciona. Si detectas cualquier inconsistencia, corrige el diagrama y repite la verificación.

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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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