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31 2.6.1 Frecuencia central, ancho de banda y factor de mérito. Se define como frecuencia central o frecuencia de resonancia de un filtro pasabanda a aquella frecuencia para la cual la función transferencia es máxima. En el caso de que la salida del circuito se mida sobre la resistencia, veremos que la función transferencia calculada a frecuencia de resonancia de amplitud es real. El nombre “frecuencia de resonancia” lo utilizamos cuando estudiamos la respuesta natural de un circuito de segundo orden (frecuencia natural de oscilación, o frecuencia de resonancia). El segundo parámetro de interés es el ancho de banda, o ancho de la banda de paso del filtro, comprendido entre los puntos de potencia mitad. El último parámetro es el factor de mérito, el cual se define como la relación entre la frecuencia central y el ancho de banda. 2.6.2 El circuito RLC serie con salida sobre el capacitor Ahora analizaremos el circuito de la figura 17: R

L +

+

Vs

C

Vo

-

Fig. 17

Donde, aplicando divisor de tensión, podemos escribir la función transferencia:  V H ( j ) = o = s V =

1 1- 

2LC+

jR C



1 jC R + jL +

|H ( j)|=

1 jC

=

1 ( 1 - 2 L C )2 + (  R C )2

correspondiendo un argumento: arg H ( j  ) = - arctan

R C 1 - 2 L C

Un análisis cualitativo del circuito nos permite ver que:  a  = 0, el capacitor se comporta como un circuito abierto, y la inductancia como un cortocircuito, por lo que la función transferencia vale 1, dado que no circula corriente por la resistencia.

32 

a  = , el capacitor actúa como un cortocircuito y la bobina como un circuito abierto, por lo que nuevamente no circula corriente por la resistencia y la función transferencia vale 0.

La fig. 18 muestra las características de amplitud y fase para R = 0,1 , L = 1  H y C = 1  F.

Fig. 18

La característica más pronunciada es el pico que ocurre en la curva de amplitud, y al cual llamamos pico de resonancia. El valor de  al cual se produce dicho pico lo llamamos frecuencia de resonancia de máxima respuesta (o amplitud) mr. La expresión de dicha frecuencia la obtenemos derivando H(j) respecto a  e igualando a cero: m r =

1  R  -2  LC  2L

2

33 que, para los valores numéricos del ejemplo considerado nos da: 3 m r = 997,5x 10 r/s = 0,9975M r/s

siendo: | H | = 10,01 y arg [H] = - 87 , 1

Vemos así que un uso práctico de este circuito es la posibilidad de amplificar las tensiones senoidales cuyas frecuencias son próximas a la de resonancia (en este caso 997,5 x 103 r/s), en relación a otras frecuencias. Ejercicios de aplicación

2  j es la función transferencia de un filtro pasa banda y ( j )  0,4  j  4 y AB. Hallar la frecuencia para la cual H(j) es una función real. Graficar

1) Mostrar que H ( j )  obtener 0, C1, C2 H(S). Respuesta:

2

0 = 2r/s

C1 = 1,81r/s

C2 = 2,21r/s

AB = 0,4r/s

2) Para el circuito de la figura mostrado, determinar los valores del coeficiente de amortiguamiento y de la frecuencia natural amortiguada.

VS(t)

3) Siendo H ( j ) 

Vo(t)

100 F

 =100 n/s

Respuesta:

10 mHy

2

+

d = 994,98 r/s

V2 ( j ) , hallar R y C de modo que el pico de amplitud se produzca para V1 ( j )

 = 10r/s y que H( j6)  0,707 .

+ V1

Respuesta:

R = 10,66 

1 Hy

C R

_ C = 0,01 F

2.7 Justificación del fenómeno de resonancia de amplitud a) Matemática

+ V2 _

34 El denominador de la función transferencia es: D ( j  ) = j  C R + ( j  )2 L C + 1 = L C [( j  )2 +

con raíces:

R 1 j+ ] L LC

s1    j  d s 2    j  d

siendo:  = r/2 L = 4 x 104 coeficiente de amortiguamiento d = 1/LC - (r / 2L)2 = 0,9987 M r/s frecuencia natural amortiguada Conocidos s1,2 podemos reescribir D( j ): D( j ) = LC ( j - s1) ( j -s2) de donde

D(j) = L C (j  - s1) ( (j - s2)

y la función trasferencia será: H ( j  )=

1 1 = 1 -  L C + j  R C L C ( j  - s1 ) (j  - s 2 ) 2

Ahora podemos dibujar (j - s1) y (j - s2) como vectores en el plano complejo, tal como se muestra en la figura 19: j  - s1 = j  +  - j d =  + j (  - d ) j  - s2 = j  +  + j d =  + j (  + d )

Fig. 19

35 La característica de amplitud está determinada por la inversa del producto de las longitudes de estos dos vectores: 1 LC |H ( j)|= | j  - s1 | | j  - s2 |

La figura 19 da una interpretación geométrica de la influencia combinada de  y s1,2. La razón matemática para el pico de módulo de la función transferencia y el cambio de fase de la misma está relacionada con el comportamiento del vector j - s1. En efecto, la magnitud j - s1 es mínima cuando  = d y por lo tanto el máximo de la función transferencia ocurre aproximadamente a esa frecuencia. Entonces: La proximidad de la frecuencia de alimentación (representada por el punto j en la figura X) a la raíz s1 de la ecuación característica (indicada por el punto s1) es lo que provoca el pico de resonancia en la característica de amplitud.

b) Física: Recordemos que la respuesta natural de un circuito estaba determinada por las raíces de la ecuación característica del mismo. Siendo las raíces com plejas, la respuesta natural será: voh ( t ) = e-  t ( A cos d t + B sen d t )

donde A y B dependen de las condiciones iniciales, y cuya forma es una oscilación senoidal amortiguada de frecuencia angular d. Hemos visto que el pico máximo en la función transferencia ocurre cuando el circuito se alimenta con una fuente senoidal de frecuencia  d , por lo que concluimos que el pico de resonancia de la figura 8 se debe a un refuerzo periódico que ocurre cuando el circuito se alimenta a una frecuencia aproximadamente igual a la frecuencia natural amortiguada. Ejemplos de la vida diaria son una hamaca, que se impulsa en los intervalos que mejor refuerzan las oscilaciones naturales, la emisión de una nota que hace vibrar una copa de cristal , o la amplificación de las vibraciones producidas por un temblor de tierra en una estructura mal diseñada. 2.8 El circuito RLC serie con salida sobre la resistencia Analizaremos ahora el caso de tomar la salida en bornes de la resistencia, tal como se muestra en la figura siguiente.

36 L

Vi

C

R

AC

Vo

Fig. 20 La función transferencia correspondiente es:

H R ( j ) =

R VR = V S R + j L +

1

=

j R/L = R 1 2 j  + j + L LC

j C j R/L = ( j - s1 ) ( j - s 2 )

la cual , en función de j nos queda: H( j) 

jR / L R  1   2   j  L  LC 

correspondiendo un argumento arg H ( j  ) =

 R / L - arctan 1 2  2 LC

Un análisis cualitativo del circuito nos permite ver que:  

a  = 0, el capacitor se comporta como un circuito abierto, y la inductancia como un cortocircuito, por lo que la función transferencia vale 0, dado que no circula corriente por la resistencia. a  = , el capacitor como un cortocircuito y la bobina se comporta como un circuito abierto, por lo que nuevamente no circula corriente por la resistencia y la función transferencia vale 0. L

C

L

R

AC

Vo

Vi

=0

AC

C

R

Vo

 Fig. 21

Cabe preguntarse qué ocurrirá en el circuito para valores de frecuencia intermedias entre 0 e infinito. Para analizar ese comportamiento, volvemos a la expresión de los polos de la función

37 transferencia:

s1 =   - j d s 2 =   + j d

donde: 

R 2L

o 

1 LC

d  2 o  2

El diagrama de polos y ceros se ve en la figura siguiente:

Fig. 22

Cuando  varía de 0 a o con o constante, los polos se acercan uno al otro en la trayectoria circular definida por la expresión (*) que se muestra en la figura 22 (a). Cuando  = 0, los polos yacen en el eje j en ± jo y en el eje  cuando  = - o. Cuando los polos están en la trayectoria circular, la relación de amortiguación  = /o cae en el rango 0 < 1, lo que significa que el circuito está subamortiguado. Cuando los polos se encuentran en el eje real , la relación de amortiguación es 1, y el amortiguamiento es crítico. Si  aumenta mas allá de o, las frecuencias naturales se separan, s1  0 y s2  - . Si >1, el circuito es sobreamortiguado para >o. El circuito serie RLC subamortiguado tiene aplicación como filtro pasabanda. Esta conclusión la obtenemos a partir de la figura 23. En ella se muestran las características de amplitud, y fase

38 para 0  