Filtro de paso bajo activo RC aplicado en proyectos con Arduino: 4 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

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El filtro de paso bajo es un excelente circuito electrónico para filtrar las señales parásitas de sus proyectos. Un problema común en proyectos con Arduino y sistemas con sensores que trabajan cerca de los circuitos de energía es la presencia de señales “parásitas”.

Pueden ser causados por vibraciones o campos magnéticos en la misma área que el sensor.

Estas señales, que en su mayoría son de alta frecuencia, provocan perturbaciones en el momento de la lectura y, en consecuencia, se producen lecturas erróneas en el sistema de automatización. Un ejemplo común es el arranque de una máquina que requiere una alta corriente inicial.

Esto provocará la generación de ruido de alta frecuencia en varios elementos que están conectados a la red eléctrica, incluidos los sensores.

Para evitar que estos ruidos afecten al sistema, se utilizan filtros entre el elemento sensor y el sistema que lo lee.

¿Qué son los filtros pasivos y activos?

Suministros

• 2 resistencias;
• 2 condensadores cerámicos
• 2 condensadores electrolíticos;
• Amplificador operacional LM358
• Terminales de alimentación o batería de 9V;

Paso 1: ¿Qué son los filtros pasivos y activos?

Los filtros son circuitos que pueden "limpiar" una señal, separar las señales no deseadas, para evitar leer valores que no coinciden con la realidad.

Los filtros pueden ser de dos tipos: pasivos y activos.

Filtros pasivos Los filtros pueden ser pasivos, que son los más simples, ya que constan solo de resistencias y condensadores.

Filtros activos

Los filtros activos, además de resistencias y condensadores, utilizan amplificadores para mejorar el filtrado y filtros digitales, que se utilizan en procesadores y microcontroladores.

Por lo tanto, en este artículo aprenderá:

Comprender cómo funciona el filtro de paso bajo;

Configure el hardware del filtro de paso bajo con una frecuencia de corte de 100 Hz utilizando un amplificador operacional LM358;

Calcule los valores de los componentes pasivos del circuito;

Montar un filtro de paso bajo NextPCB.

A continuación, presentamos el proceso de desarrollo del filtro paso bajo activo para nuestros circuitos con Arduino.

Paso 2: Desarrollo del circuito RC del filtro de paso bajo activo

En este proyecto se desarrollará un filtro paso bajo activo con NEXTPCB - Printed Circuit Board, es decir, que nos permita pasar bajas frecuencias. El rango de frecuencia a elegir depende del funcionamiento del circuito.

Para este artículo utilizaremos un filtro de paso bajo activo, ya que se utilizan para frecuencias inferiores a 1MHz, y, además, se puede realizar la amplificación de la señal, ya que se utilizará un amplificador operacional en este circuito.

Por lo tanto, en base a este proyecto, el enfoque central estará en el desarrollo del circuito de filtro de paso bajo activo y su circuito de suministro simétrico. La figura 1 ilustra el hardware de este circuito.

Se puede acceder al circuito RC del filtro de paso bajo construido en TinkerCAD en el siguiente enlace:

Como se mencionó, usamos Arduino en este proyecto para adquirir la señal de un sensor. Por lo tanto, el circuito RC del filtro de paso bajo en la figura anterior tenemos 3 partes importantes:

• El generador de señales,
• El filtro activo y;
• Arduino para recopilar datos de sensores.

El generador de señales se encarga de simular el funcionamiento de un sensor y transmitir la señal al Arduino. Esta señal luego se filtra a través del filtro de paso bajo RC y, posteriormente, la señal filtrada es leída y procesada por Arduino.

Así, para realizar el montaje del filtro paso bajo RC necesitaremos los siguientes componentes electrónicos:

• 2 resistencias;
• 2 condensadores cerámicos
• 2 condensadores electrolíticos;
• Amplificador operacional LM358
• Terminales de alimentación o batería de 9V

A continuación, presentamos el cálculo de los valores de las resistencias y condensadores del circuito. El cálculo de estos componentes se basa en la frecuencia de corte del filtro de paso bajo del filtro activo.

Cálculos de resistencias y condensadores

Para el circuito propuesto, usaremos una frecuencia de corte de filtro de paso bajo de 100Hz. De esta forma, el circuito permitirá que las frecuencias pasen por debajo de 100Hz y por encima de 100Hz, la señal disminuirá exponencialmente.

Por tanto, para el cálculo de condensadores tenemos: Inicialmente, basta con definir un valor de C1, en cuyo caso se puede definir un valor comercial de 1 a 100nF.

A continuación, realizamos el cálculo del condensador C2 de acuerdo con la siguiente ecuación.

Luego, use la fórmula siguiente para calcular el valor de R1 y R2. La fórmula se puede utilizar para proyectar el valor de las dos resistencias. A continuación, vea el cálculo realizado.

Donde f * C es la frecuencia de corte del filtro de paso bajo, es decir, por encima de esa frecuencia, la ganancia de esta señal disminuirá. El valor de f * C para este sistema será de 100 Hz.

Por lo tanto, tenemos el siguiente valor de resistencia para R1 y R2.

A partir de los valores obtenidos para las resistencias y el condensador del proyecto, debemos desarrollar el circuito de alimentación del filtro activo. Para este tipo de filtro, necesitamos utilizar fuente de alimentación asimétrica y, a continuación, presentaremos el circuito de alimentación.

Paso 3: la fuente de alimentación

La potencia requerida para este circuito es una fuente de alimentación simétrica. Si no tiene una fuente de alimentación simétrica, monte un circuito con condensadores alimentados por una fuente de alimentación simple.

Sin embargo, el valor de voltaje de la fuente de alimentación debe ser superior a 10 V, ya que el valor de la fuente simétrica se dividirá por 2.

La figura anterior muestra el circuito de la fuente de alimentación.

Este circuito ya está en el diagrama electrónico de la Figura 1, ya que se utiliza una fuente no simétrica común.

Después de diseñar el circuito de filtro activo y su circuito de suministro, desarrollamos un módulo de filtro electrónico para ser utilizado en sus proyectos con Arduino o en otros proyectos que necesiten un filtro para este propósito.

A continuación, presentaremos la estructura del esquema electrónico y el diseño de la placa electrónica desarrollada.

La placa de circuito impreso del filtro de paso bajo activo RC

Paso 4: La placa de circuito impreso del filtro de paso bajo activo RC

Para hacer la placa de circuito impreso electrónico - NEXTPCB, se desarrolló el esquema electrónico del circuito. El esquema electrónico del filtro de paso bajo activo RC se muestra en la Figura 3.

Luego, el esquema se exportó al diseño de PCB del software Altium y se diseñó la siguiente placa, como se muestra en la Figura 4.

Se utilizaron tres pines para suministrar el circuito y la señal de entrada y dos pines en la salida. Los dos pines se utilizan para la salida de la señal filtrada y el GND del circuito.

Después de diseñar el diseño de la PCB, se generó el diseño 3D de la placa de circuito impreso y se presentó en la Figura 5.

Desde el proyecto de PCB, puede usar este módulo y aplicarlo a su proyecto con Arduino. De esta forma, se cancelarán determinadas señales parásitas y su proyecto funcionará sin riesgo de errores en la lectura de la señal.

Conclusión

Este circuito RC de filtro de paso bajo activo puede ser ampliamente utilizado para filtrar la potencia del Arduino, filtrando las señales de comunicación serie, como en la radiofrecuencia, que suele tener muchas señales que suelen provocar interferencias en la comunicación serie, siempre que el valor de se cambia la frecuencia de corte.

Un consejo después de montar este circuito es acercar la conexión al Arduino, ya que buena parte de la interferencia está en la distancia entre el sensor y el microcontrolador, y en la mayoría de los casos, el microcontrolador no puede estar muy cerca, porque la ubicación de el sensor puede ser dañino para el Arduino.

Además, para tener una señal más continua, simplemente cambie la frecuencia de corte del filtro de paso bajo a una frecuencia más baja, esto cambiará los valores de las resistencias y condensadores. También tiene sus ventajas de crear una ganancia en la señal, si la señal es baja.

Información importante

Se puede acceder a todos los archivos en el siguiente enlace: Archivos de la placa de circuito impreso

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