Filtro mecánico

Todos los componentes de un filtro mecánico son directamente análogos a los distintos elementos encontrados en los circuitos eléctricos.

La buena selectividad, factor esencial en los receptores de radio, le dio un gran atractivo a dichos filtros.

Los investigadores contemporáneos se encuentran trabajando en filtros microelectromecánicos, los cuales son dispositivos mecánicos correspondientes a los circuitos electrónicos integrados.

Las contrapartes mecánicas de estas propiedades son, respectivamente, la masa, la rigidez y el amortiguamiento.

[5]​ Además de su aplicación a los sistemas electromecánicos, estas analogías son ampliamente usadas para apoyar el análisis en la acústica.

Esta situación no iba a durar por mucho tiempo: la resonancia eléctrica había sido conocida por la ciencia desde cierto tiempo atrás, y no pasó mucho antes de que los ingenieros comenzaran a producir diseños completamente eléctricos para los filtros.

El manipulador de cada operador activaba una lengüeta, la cual convertía esta vibración en una señal eléctrica.

[8]​[9]​ Distintas versiones de la telegrafía armónica fueron desarrolladas por Elisha Gray, Alexander Graham Bell, Ernest Mercadier[n 1]​ y otros.

[10]​ La admitancia mecánica y la analogía asociada de la movilidad aparecieron mucho después, gracias a la Firestone en 1932.

Una vez que estas ideas fueron adoptadas, los ingenieros pudieron extender la teoría eléctrica hacia el dominio mecánico y analizar un sistema electromecánico como un todo unificado.

[15]​ Poco tiempo después, Harrison registró otra patente usando la misma metodología en los transductores de transmisión y recepción en el teléfono.

[17]​ Se le dio validez a teoría de filtros más avanzada para este problema por Norton en 1929 en los Laboratorios Bell.

[21]​[22]​ La primera producción en masa de los filtros mecánicos fue emprendida por la compañía Rockwell Collins, Inc., comenzando en los años 50.

Los transductores piezoeléctricos son preferidos en los diseños más recientes, ya que el material piezoeléctrico también puede ser utilizado como resonador del filtro, reduciendo de esta manera el número de componentes y salvando espacio al mismo tiempo.

También es usualmente necesario tener un pequeño imán para polarizar el material magnetostrictivo en su rango de operación.

Esto sucede porque es posible enrollar la bobina del transductor directamente en un alambre de acoplamiento, ya que el níquel es ligeramente magnetostrictivo.

Sin embargo, no es tan fuerte la unión, por lo cual el acoplamiento al circuito eléctrico es débil.

Los primeros materiales piezoeléctricos utilizados en los transductores, tales como el titanato de bario, tenían muy poca estabilidad en la temperatura.

Este problema fue resuelto con la introducción del titanato zirconato de plomo (abreviado PZT), el cual es suficientemente estable como para ser usado como resonador.

Sin embargo, los materiales cerámicos como el PZT son preferidos por su gran coeficiente de acoplamiento electromecánico.

Esto corresponde a una cifra poco razonable para los circuitos LC, cuyos factores se encuentran limitados por la resistencia de los inductores.

Cuando la vibración sucede en uno de los modos superiores, habrán múltiples nodos en el resonador en los cuales no hay movimiento.

Este sería poco usaul en un diseño real, ya que la entrada y salida usualmente tienen el mismo tipo de transductor.

El circuito de parámetros concentrados descrito antes comienza a desglosarse y los componentes deben considerarse como elementos distribuidos.

Los resonadores se encuentran mecánicamente adjuntos al contenedor por medio en pivotes con ángulos rectos con respecto a los alambres o barras de acoplamiento.

Los pivotes se encuentran ahí para asegurar el libre giro del resonador y así minimizar las pérdidas.

[43]​ Para frecuencias incluso más altas, se pueden usar métodos microelectromecánicos como el descrito a continuación.

El puenteo en dos resonadores (figura 11c) puede producir un polo de atenuación tanto en la banda superior como en la inferior.

Los voladizos son componentes mecánicos simples manufacturados por muchos de los mismos métodos usados en la industria de los semiconductores; la cubierta, la fotolitografía y el grabado al agua fuerte, con un grabado hecho con un corte interno para separar el voladizo del sustrato.

La tecnología promete mucho, dado que los voladizos pueden ser producidos en gran número y colocados en un solo sustrato individual (grandes números de transistores se encuentran actualmente contenidos en un chip de silicio sencillo.

fotografía de filtro
Figura 1. Un filtro mecánico hecho por la Kokusai Electric Company , destinado a seleccionar señales en un ancho de banda estrecho en 2kHz en los receptores de radio de BLU . Opera a 455 kHz, una frecuencia intermedia A común para estos receptores; sus dimensiones corresponden a 45×15×15 mm ( 1 3 ⁄ 4 × 7 ⁄ 12 × 7 ⁄ 12 pulgadas ).
Filtro mecánico de un sistema portador de teléfono usando resonadores torsionales.
Un diagrama de un mecanismo de fonógrafo con la impedancia mecánica de cada elemento mostrada en un diagrama de circuito equivalente.
Figura 2. Mecanismo de fonógrafo de Harrison y su circuito eléctrico equivalente.
Un diagrama de un mecanismo de fonógrafo con la impedancia mecánica de cada parte mostrada en un diagrama de circuito equivalente. La correspondencia entre las partes mecánicas y los elementos del circuito equivalente no está indicada en el diagrama (esto se explica en el texto de la patente de Norton). Un segundo diagrama de circuito se muestra con el circuito transformado a una forma más conveniente para el análisis, como se explica en el texto del artículo.
Figura 3. Filtro mecánico de Norton junto con su circuito eléctrico equivalente.
Tres diferentes transductores son representados. (a) Una barra de metal con un extremo que pasa a través de un cilindro de material magnetostrictivo en el cual se encuentra enrollada una bobina de cable de cobre esmaltado. (b) Un resonador cilíndrico en el cual hay una capa horizontal en medio hecha de material piezoeléctrico. La capa piezoeléctrica tiene un electrodo adjunto desde el cual sale un cable de cobre esmaltado. (c) Un resonador cilíndrico recto en el cual hay una capa vertical en medio de material piezoeléctrico con un electrodo como en (b).
Figura 4. Transductores de filtro mecánico. a Transductores magnetostrictivos. b Transductor piezoeléctrio de tipo Langevin. c Transductor piezoeléctrico torsional.
Varias formas en los resonadores son representadas, junto con la dirección de la vibración indicada con flechas y los modos indicados con líneas.
Figura 5. Algunos modos de vibración posibles en los resonadores.
Una cadena de resonadores de disco unidos con barras o alambres en los bordes de los discos. Los transductores en cualquiera de los extremos son magnetostrictivos, con imanes pequeños de polarización cerca de cada uno. Los transductores se encuentran unidos al centro del primer y último resonador respectivamente, con una pequeña barra de metal.
Figura 6 . Un filtro mecánico que usa resonadores de disco flexionales y transductores magnetostrictivos.
Una cadena de seis resonadores cilíndricos con transductores piezoeléctricos en ambos extremos. Los resonadores se encuentran acomodados en un patrón de zigzag compacto. Dos alambres de acoplamiento se encuentran unidos a uno de los extremos de cada resonador, excepto por el primero y el último, los cuales tienen solo uno. El otro extremo de estas dos barras está unido al resonador por ambos lados. Los transductores del primer y último resonador son del tipo mostrado en la figura 4b
Figura 7. UIn filtro que utiliza resonadores longitudinales y transductores de tipo Langevin.
Una cadena de cinco resonadores cilíndricos rectos. Se encuentran unidos con dos barras horizontales, ambas adjuntas al mismo lado de los resonadores. El transductor de entrada es del tipo de la figura 4c y el de salida es del tipo de la figura 4a. Este último tiene un imán pequeño de polarización cerca.
Figura 8a. Un filtro usando resonadores torsionales. La entrada es mostrada con un transductor piezoleéctrico torsional y la salida tiene un transductor magnetostrictivo.
Un diagrama de circuito de filtro de topología de escalera que consiste de cinco series de circuitos LC en medio de cuatro capacitores en paralelo.
Figura 8b. Circuito equivalente del circuito resonador torsional de arriba.
Una cadena de resonadores en forma de disco unidos con una barra cilíndrica a través del centro. Adjuntos en ambos extremos la barra central se encuentran transductores del tipo mostrado en la figura 4a. Cada uno de estos tiene un imán pequeño de polarización cerca.
Figure 9. Un filtro que usa resonadores de disco en forma de membrana
Tres resonadores de disco delgados se encuentran acoplados con largos alambres en los bordes. Los transductores en el primer y segundo disco se encuentran unidos con alambres conectados en el borde opuesto del disco. Los transductores son del tipo mostrado en la figura 4a, además de que cada uno tiene un pequeño imán de polarización cerca. Un par de pivotes se muestran en cada disco en ángulos de 90° con respecto a los alambres de acoplamiento.
Figura 10a. Un diseño semiconcentrado que usa resonadores flexionales de disco y alambres de acoplamiento de longitud λ/2.
Diagrama de circuito que representa un filtro con topología de escalera. Las ramas en serie consisten de circuitos LC (tres en total) y las que están en paralelo consisten en circuitos LC en paralelo (dos en total).
Figura 10b. Circuito equivalente del circuito semiconcentrado de arriba.
Un filtro genérico consistiendo de una cadena de resonadores unidos, en cuatro diferentes configuraciones de puenteo. El filtro (a) no tiene alambres de puenteo, el (b) tiene un puente entre los resonadores 3 y 5, el (c) tiene puente entre los resonadores 2 y 5, y el (d) tiene puente entre los resonadores 2 y 6 y 3 y 5. La respuesta de frecuencia de la banda de paso de cada uno se muestra y es descrita en el texto del artículo
Figura 11. Arreglos de puenteo esquemáticos y su efecto en la respuesta de frecuencia.
Una microfotografía de un voladizo vibrante. Los cursores en la imagen indican que la amplitud pico a pico de las vibraciones es de 17.57μm.
Figura 12. Resonadore MEMS de voladizo. El dispositivo puede ser visto en vibración en la imagen.