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Bogotá, 27 de junio de 2017

 

 

FILTROS PASA BANDA

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El desarrollo en torno a la emisión de sonido amplificado no se ha detenido desde sus inicios a finales del siglo XIX. Son muchas las personas, tanto aficionadas como profesionales, que día a día se preocupan por lograr un sonido de potencia y a la vez de calidad.
Estos desarrollos han llevado a la creación de los sonidos Line array. Este tipo de sonido consiste en distribuir una serie de parlantes de manera vertical, con el fin de lograr una mayor cobertura, mejor distribución y sonido más uniforme.
Uno de los grandes descubrimientos que mejoraron significativamente la fidelidad del sonido en altas potencias, fue dividir las frecuencias para cada parlante específico. Para entender esto mejor, debemos tener en cuenta que las frecuencias tienen polarizaciones diferentes de acuerdo a su amplitud, es decir: que cuando el parlante empuja hacia afuera para reproducir una frecuencia baja, en ese mismo momento puede haber una frecuencia media o alta que obliga al parlante a ir hacia adentro, generando movimientos encontrados que no permiten que ninguna de las dos frecuencias se emita perfectamente.
Por eso aparece el crossover o divisor de frecuencias que como su nombre lo indica, divide las frecuencias para luego ser reproducidas por cada parlante (woofer, medio y tweeter), respectivamente.
Para el caso anterior se usa un Amplificador que le entrega al divisor de frecuencias una señal de rango completo, para ser dividida en dos, tres o 4 frecuencias que el crossover reparte en parlantes diseñados exclusivamente para reproducir frecuencias específicas. Este sistema ha sido el más usado popularmente por muchos años.

filtros pasa banda

La necesidad de mejorar la potencia y calidad del sonido, llevó a pensar en dividir las frecuencias antes de ser amplificadas y usar un amplificador para cada frecuencia. Es en ese momento que se comienzan a usar los filtros pasa bandas.
Un filtro pasa banda es un circuito electrónico que permite el paso de un determinado rango de frecuencias de una señal y atenúa el resto de frecuencias.
Los sonidos profesionales Line array son de 3, 4 y 5 vías. Tienen un Divisor de frecuencias activo que está formado por varios filtros pasa bandas. Para un sonido de tres vías se utiliza un filtro pasa altos, un filtro pasa medios y un filtro pasa bajos. Estos tres tipos de filtros son los que presentaremos a continuación.

Filtro pasa altos

 

El filtro pasa altos (HPF) es un circuito electrónico que recibe a su entrada el rango de frecuencias completo y entrega únicamente las frecuencias altas. En el proceso son atenuadas las frecuencias bajas y medias dejando pasar las frecuencias altas. Cuando hablamos de frecuencias altas, es un término relativo que depende del diseño y de la aplicación del circuito. Para este caso tenemos un filtro que entrega su realce más alto de frecuencias altas en un rango comprendido desde los 2 KHz, hasta los 16 KHz.

El filtro pasa altos se conecta a un amplificador y el amplificador se conecta a parlantes especializados en frecuencias altas, llamados tweeters.

 

La manera como llegamos a este circuito al igual que los otros dos filtros, fue tomando como punto de partida el preamplificador con tonos y fuente incluida. Este preamplificador tiene gran realce de frecuencias y lo que hicimos fue estudiar, no sólo la teoría de los filtros pasa bandas, si no la manera como este preamplificador hace los realces, para luego aislar cada filtro por separado, manteniendo la fuente regulada y algunas características de diseño.

 

Vista del filtro pasa altos en el analizador de espectro

 

El gráfico que observamos a continuación es una imagen tomada del analizador de espectro del paquete de plugins ''waves''. Lo que se hizo fue colocar el filtro pasa altos a la entrada de un amplificador. Luego colocamos a reproducir ruido blanco generado con el programa sound forge. Recordemos que para saber si un amplificador es plano, debemos reproducir ruido blanco y captar el sonido para observar las frecuencias en un analizador de espectro. Cuando la señal es plana, se ve una línea horizontal. Pero como en este caso lo que hicimos fue realzar las frecuencias altas y atenuar las frecuencias medias y bajas, lo que captamos fue un realce hacia las frecuencias altas.

Se observa que el punto más alto de frecuencias se encuentra desde los 2KHz, hasta casi los 14KHz, y su punto más alto se encuentra en los 8KHz.
Para lograr un realce de frecuencias altas agradable al oído, hicimos los ajustes en protoboard, antes de hacer el diagrama e íbamos escuchando hasta quedar satisfechos. Luego lo grabamos al computador y observamos la onda.

El circuito integrado que utilizamos es el TL072, ya que su respuesta no es tan baja como el TL082. Otra opción es el TL062 que tiene un sonido más delgado.
El TL072 es un amplificador operacional doble de tecnología FET. Es ideal para circuitos de audio de bajo ruido, como preamplificadores o como en este caso, para nuestro filtro pasa altos.
Los dos operacionales que se encuentran en su interior son utilizados en dos etapas; el primer operacional recibe la señal por medio de un condensador de 0.01 uF que restringe el paso de frecuencias bajas y medias. Este primer operacional preamplifica la señal para luego ser recibida por el segundo operacional. La segunda etapa realza las frecuencias altas y vuelve a atenuar las frecuencias medias y bajas, para lograr una señal de sólo frecuencias altas.

Otra de las grandes ventajas y comodidades de usar este circuito es que ya trae la fuente incluida en la misma tarjeta. Como se puede observar, detrás del conector de entrada de voltaje AC, se aprecia el puente de diodos que se encarga de separar los semiciclos positivos de los semiciclos negativos. Luego son rectificados por los dos condensadores. Hasta ahí tenemos una fuente simétrica. Seguido vemos un par de resistencias de 220 ohmios que son nada menos que las resistencias limitadoras de los diodos zener (RZ), obteniendo así un voltaje regulado.
El circuito se debe alimentar con un voltaje simétrico de 12+12 voltios AC y una corriente de no menos de 200 miliamperios. Si por alguna razón tiene un transformador de un voltaje más alto, deberá subir las resistencias de 220 ohmios, por unas de 330 o más, según el voltaje que utilice.

Como todo circuito de audio, ya sea preamplificador, amplificador o ecualizador, todos tienen una ganancia, que no es más que la cantidad de veces que amplifican o la sensibilidad con que captan la señal de audio entrante.
La resistencia de 15K que se encuentra en serie a la entrada, divide la resistencia de 100k que va entre los terminales 1 y 2 del TL072. Entonces tenemos que: 100/15 = 6.66 de ganancia. Si al trabajar este filtro con un amplificador tiene un exceso de brillos o frecuencias altas estridentes, deberá subir la resistencia de 15K, cambiándola por una de 20K o 22K. Pero si por el contrario hace falta volumen, podemos cambiarla por una de 10K o menos. Sea prudente al hacer estos cambios y no exagere.

 

Filtro pasa Medios

 

El filtro pasa medio (MPF) es circuito electrónico que recibe a su entrada el rango de frecuencias completo y entrega únicamente las frecuencias medias. En el transcurso son atenuadas las frecuencias bajas y altas dejando pasar las frecuencias medias. Este filtro entrega su punto de realce más alto de frecuencias medias, en un rango comprendido, desde los 500 Hz, hasta los 4 KHz, estando el punto más alto entre 1Khz y 2KHz.
NOTA: un filtro pasa banda se debe colocar a la entrada de un amplificador de respuesta plana y el amplificador debe tener parlantes que reproduzcan las frecuencias respectivas. Es decir: si vamos a usar el filtro pasa altos, debemos colocar solo tweeters en la salida del amplificador. Si vamos a usar el filtro pasa medios, debemos usar parlantes medios y si es el filtro pasa bajos, por lógica debemos usar un woofer.

El filtro pasa medio se conecta a un amplificador y el amplificador se conecta a parlantes especializados en frecuencias medias, llamados drivers y parlantes medios.

 

Vista del filtro pasa medios en el analizador de espectro

 

Al igual que con nuestro filtro pasa altos, hicimos una grabación de ruido blanco que fue reproducido por un amplificador que tenía a la entrada nuestro filtro pasa medios. Luego observamos en el analizador de espectro y obtuvimos este gráfico.

La línea roja muestra el pico de volumen máximo donde llaga la onda y la línea amarilla es la medición en tiempo real.

Para obtener una buena respuesta de medios hemos utilizado el amplificador operacional JRC4558. Este circuito integrado es muy famoso en los amplificadores de guitarra eléctrica por su excelente respuesta de banda media y gran limpieza de sonido.
El circuito integrado JRC4558 es el amplificador operacional más utilizado en preamplificadores de audio.
Cada operacional trabaja en una etapa del circuito: la primera restringe las frecuencias bajas, mediante dos condensadores de 0.1 uF que se encuentran; uno a la entrada del operacional y el otro a la salida del mismo. Esta etapa también preamplifica un poco la señal de medios y altos. Luego la segunda etapa hace un realce de frecuencias medias y restringe las frecuencias altas mediante el condensador de 470 pF y el de 200 pF.
Como el JRC4558 es bastante escaso, hemos usado uno de otra marca. Por eso vemos en la foto el  C4558, de la marca NEC. (Nippon Electronics Company). De no conseguirlo puede reemplazarlo el NE5532.

De igual manera que en el filtro anterior. Este circuito también tiene sus resistencias que fijan la ganancia.
La resistencia de 5.1K que se encuentra en serie a la entrada, divide la resistencia de 100k que va entre los terminales 1 y 2 del C4558. Entonces tenemos que: 100/5.1 = 19.6 de ganancia. Algunos se preguntaran porque este circuito tiene más ganancia. Pues las frecuencias medias permiten un poco mas de ganancia antes de llegar a distorsión y además por la configuración de condensadores que atenúan las frecuencias. Si desea bajar la ganancia, puede subir la resistencia de 5.1K, cambiándola por una de 10K o 15K. Pero si por el contrario desea subir la ganancia, puede cambiarla por una de 3.3K o menos. Recuerde no excederse en estos cambios.
A continuación veremos el filtro pasa bajos.

 

 

 

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