Laboratorio M1K Analog Devices: Filtros Eletricos: mudanças entre as edições
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Conhecer o princípio de funcionamento dos '''filtros elétricos RC passa baixa e passa alta'''. | Conhecer o princípio de funcionamento dos '''filtros elétricos RC passa baixa e passa alta'''. | ||
Conhecer e testar um circuito '''detector de pico''', com diodo e capacitor, visando detectar a '''máxima amplitude''' do sinal de saída de um '''filtro elétrico'''. | |||
Conhecer e testar um circuito '''comparador de tensão''' com saída binária, visando acionar um dispositivo quando uma dada tensão for atingida. | |||
==Equipamento e Materiais== | ==Equipamento e Materiais== | ||
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===Filtro passa baixa=== | ===Filtro passa baixa=== | ||
#Identifique os '''resistores''' e '''capacitores''' a serem utilizados no experimento. Observe que os '''capacitores eletrolíticos''' tem polaridade, portanto, devem ser montados no circuito considerando os terminais positivo e negativo. | #Identifique os '''resistores''' e '''capacitores''' a serem utilizados no experimento. Observe que os '''capacitores eletrolíticos''' tem polaridade, portanto, devem ser montados no circuito considerando os terminais positivo e negativo. | ||
#Monte na '''matriz de contatos''' o '''filtro RC''' da figura, usando o resistor de 68Ω e o capacitor de 22uF: [[Arquivo:lab_filtroRC_PB.png| | #Monte na '''matriz de contatos''' o '''filtro RC''' da figura, usando o resistor de 68Ω e o capacitor de 22uF: [[Arquivo:lab_filtroRC_PB.png|400px]] <ref name=lab_5/> | ||
#Selecione o '''canal A''' do módulo '''Analog Devices M1K''' para '''Gerar Tensão/Medir Corrente''' e o '''canal B''' para '''Medir Voltagem'''. | #Selecione o '''canal A''' do módulo '''Analog Devices M1K''' para '''Gerar Tensão/Medir Corrente''' e o '''canal B''' para '''Medir Voltagem'''. | ||
#Configure o '''canal A''' para gerar uma '''onda senoidal''' com 10 Hz de frequência e tensão variando de 0 V a 5 V. Observe no '''canal B''' a forma de onda sobre o capacitor. | #Configure o '''canal A''' para gerar uma '''onda senoidal''' com 10 Hz de frequência e tensão variando de 0 V a 5 V. Observe no '''canal B''' a forma de onda sobre o capacitor. | ||
#Gradualmente aumente a '''frequência''' da '''onda senoidal''' até 1000 Hz e observe no '''canal B''' a redução da amplitude da forma de onda sobre o capacitor. | #Gradualmente aumente a '''frequência''' da '''onda senoidal''' até 1000 Hz e observe no '''canal B''' a redução da amplitude da forma de onda sobre o capacitor. | ||
#Ajuste a frequência da '''onda senoidal''' no '''canal A''' até que a amplitude da onda no '''canal B''' seja 3,5 V. | #Ajuste a frequência da '''onda senoidal''' no '''canal A''' até que a amplitude da onda no '''canal B''' seja 3,5 V, ou seja, 70,7% da amplitude da entrada (5 . 0,707 ≈ 3,5). | ||
===Filtro passa alta=== | ===Filtro passa alta=== | ||
#Monte na '''matriz de contatos''' o '''filtro RC''' da figura, usando o resistor de 68Ω e o capacitor de 10uF: [[Arquivo:lab_filtroRC_PA.png| | #Monte na '''matriz de contatos''' o '''filtro RC''' da figura, usando o resistor de 68Ω e o capacitor de 10uF. Observe que o '''resistor''' está conectado a tensão de 2,5 V e não ao terra: [[Arquivo:lab_filtroRC_PA.png|400px]] <ref name=lab_5/> | ||
#Configure o '''canal A''' para gerar uma '''onda senoidal''' com 10 Hz de frequência e tensão variando de 0 V a 5 V. Observe no '''canal B''' a forma de onda sobre o capacitor. | #Configure o '''canal A''' para gerar uma '''onda senoidal''' com 10 Hz de frequência e tensão variando de 0 V a 5 V. Observe no '''canal B''' a forma de onda sobre o capacitor. | ||
#Gradualmente aumente a '''frequência''' da '''onda senoidal''' até 1000 Hz e observe no '''canal B''' o aumento da amplitude da forma de onda sobre o capacitor. | #Gradualmente aumente a '''frequência''' da '''onda senoidal''' até 1000 Hz e observe no '''canal B''' o aumento da amplitude da forma de onda sobre o capacitor. | ||
#Ajuste a frequência da '''onda senoidal''' no '''canal A''' até que a amplitude da onda no '''canal B''' seja 3,5 V. | #Ajuste a frequência da '''onda senoidal''' no '''canal A''' até que a amplitude da onda no '''canal B''' seja 3,5 V. | ||
;Análise do circuito: É importante notar que o '''resistor''' no '''filtro passa alta''' está conectado a referência de tensão de 2,5 V e não ao terra. Isto é necessário pois o '''filtro passa alta''' não permite a passagem de '''corrente contínua''' (CC), podendo ser visto como um circuito que remove a componente de corrente contínua do sinal. O nível tensão CC (2,5 V) do outro lado do resistor ajusta a componente CC da saída do filtro para o valor médio da excursão do sinal de saída, uma vez que não há componente contínua no sinal de saída. Se o resistor fosse referenciado ao terra, a saída alternada oscilaria com valores positivos e negativos em torno da referência zero. | |||
===Detector de pico=== | |||
#Modifique o circuito do '''filtro RC passa baixa''', acrescentando o '''diodo''', o '''capacitor''' de 47uF e o '''resistor''' de 200KΩ a saída do filtro, conforme a figura: [[Arquivo:lab_detector_pico.png|800px]] <ref name=lab_5/> | |||
#Monitore a amplitude da '''tensão de saída''' do circuito no '''canal B''' a medida que a frequência do sinal senoidal de entrada varia de 10 Hz até 1 KHz. | |||
;Analise do circuito: O '''diodo''' e '''capacitor paralelo''' (capacitor shunt) conectados a saída do filtro funcionam como '''detector de pico''' do sinal na saída. Com isto é possível monitorar através de uma '''tensão contínua''' a amplitude máxima da tensão na saída do filtro. Desta forma, este valor de tensão contínua pode ser utilizado em '''circuitos''' comparadores visando o acionamento de algum dispositivo, como um led, para indicar a banda passante do sinal. | |||
O circuito '''detector de pico''' também pode ser aplicado ao '''filtro passa altas'''. | |||
===Comparador=== | |||
#Acrescente a saída do '''filtro RC passa baixa''' com o circuito '''detector de pico''' o '''circuito integrado''' AD8561 que é um '''comparador de tensão''' com saída '''binária''': [[Arquivo:lab_comparador.png|500px]] <ref name=lab_5/> | |||
#Utilize o '''canal B''' para ajustar a '''tensão''' no centro do '''potenciômetro''' em 3,5 V, que é a '''tensão''' na saída do '''filtro''' na '''frequência de corte''' do mesmo. | |||
#Monitore a amplitude da '''tensão de saída''' do circuito '''detector de pico''' no '''canal B''' a medida que a frequência do sinal senoidal de entrada varia de 10 Hz até 1 KHz. Observe quando o '''led''' conectado a saída '''binária''' do '''comparador''' acende ou apaga. | |||
==Fundamentos sobre Filtros Elétricos== | ==Fundamentos sobre Filtros Elétricos== | ||
'''Filtros elétricos''' são circuitos que permitem '''filtrar''' determinadas '''frequências''' de um '''sinal CA''' permitindo a passagem de algumas frequências e limitando a passagem de outras. A frequência de transição entre as frequências permitidas e as não permitidas é chamada '''frequência de corte''' (f<sub>c</sub>). | '''Filtros elétricos''' são circuitos que permitem '''filtrar''' determinadas '''frequências''' de um '''sinal CA''' permitindo a passagem de algumas frequências e limitando a passagem de outras. A frequência de transição entre as frequências permitidas e as não permitidas é chamada '''frequência de corte''' (f<sub>c</sub>). | ||
Um filtro que permite a passagem de frequências abaixo da '''frequência de corte''' é chamado de '''filtro passa | Um filtro que permite a passagem de frequências abaixo da '''frequência de corte''' é chamado de '''filtro passa baixa''' e um filtro que permite a passagem de frequências a acima '''frequência de corte''' é chamado de '''filtro passa alta'''. | ||
Os '''filtros elétricos''' mais simples podem ser construídos com elementos passivos, como '''resistores''' e '''capacitores''' ('''filtros RC''') ou '''resistores''' e '''indutores''' ('''filtros RL'''). | Os '''filtros elétricos''' mais simples podem ser construídos com elementos passivos, como '''resistores''' e '''capacitores''' ('''filtros RC''') ou '''resistores''' e '''indutores''' ('''filtros RL'''). | ||
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===Filtros RC=== | ===Filtros RC=== | ||
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Com '''circuitos RC série''' é possível construir filtros elétricos '''passa | Com '''circuitos RC série''' é possível construir filtros elétricos '''passa baixa''' e '''passa alta'''. Os '''filtros''' operam sobre o '''divisor de tensão''' entre o '''resistor''' (R) e a '''reatância''' do '''capacitor''' (C). | ||
A '''reatância''' é a oposição a passagem de corrente elétrica de '''capacitores''' e '''indutores''' em circuitos de corrente alternada. A '''reatância''' é um parâmetro que depende da '''frequência''' do sinal de corrente alternada. | A '''reatância''' é a oposição a passagem de corrente elétrica de '''capacitores''' e '''indutores''' em circuitos de corrente alternada. A '''reatância''' é um parâmetro que depende da '''frequência''' do sinal de corrente alternada. | ||
Para um '''capacitor''' | Para um '''capacitor''' (C) '''reatância''' é dada por '''1/2πfC'''. Pela expressão pode-se ver que a '''reatância capacitiva''' varia '''inversamente''' proporcional a '''frequência''' (f), ou seja, se a frequência aumenta a reatância diminui e vice versa. Para '''corrente contínua''' (frequência zero) a '''reatância capacitiva''' tende ao infinito, ou seja, o '''capacitor''' se comporta como um '''circuito aberto'''. Já para '''altas frequências''' o '''capacitor''' se comporta como um '''curto circuito'''. | ||
Na análise do '''divisor de tensão''' do '''filtro RC passa | Na análise do '''divisor de tensão''' do '''filtro RC passa baixa''', verificamos que a medida que a frequência aumenta, a reatância diminui, portanto, diminui a componente de tensão sobre o capacitor, consequentemente, a tensão de saída do filtro diminui. Para o '''filtro RC passa alta''' verificamos o contrário, a medida que a frequência aumenta, aumenta a tensão na saída do filtro. | ||
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A '''frequência de corte''' (f<sub>c</sub>) é definida como a frequência na qual a '''reatância capacitiva''' é igual a '''resistência''', ou seja R = 1/2πf<sub>c</sub>C, que resulta: | A '''frequência de corte''' (f<sub>c</sub>) é definida como a frequência na qual a '''reatância capacitiva''' é igual a '''resistência''', ou seja R = 1/2πf<sub>c</sub>C, que resulta: | ||
f<sub>c</sub> = 1 / 2πRC | f<sub>c</sub> = 1 / 2πRC | ||
Na '''frequência de corte''' (f<sub>c</sub>) a amplitude da tensão de saída, tanto no '''filtro passa baixa''' quanto no '''passa alta''', cai a cerca de '''70,7%''' (√2/2) da tensão de entrada. | |||
==Fundamentos sobre o Detector de Pico== | |||
O circuito '''detector de pico''' gera um valor de '''tensão CC''' igual ao '''pico''' do '''sinal CA''' de entrada. | |||
[[Arquivo:DetectorPico.png]] | |||
;Funcionamento: Quando a '''tensão de entrada CA''' (v<sub>in</sub>) está '''crescendo''', o '''diodo''' conduz e provoca a '''carga''' do '''capacitor''' (C). Quando a tensão de entrada atinge o '''valor de pico''' o capacitor estará carregado com o '''valor máximo da tensão''' (V<sub>pico</sub>). Quando o sinal CA começa a decrescer a tensão da entrada ficará menor que a tensão no capacitor e o diodo passa a não conduzir, ficando a tensão armazenada na '''carga do capacitor'''. Parte da '''carga do capacitor''' é descarregada sobre o '''resistor de carga''' (R<sub>L</sub>). Se o '''resistor de carga''' for suficientemente grande, será observada apenas uma pequena oscilação na tensão contínua de saída, chamado '''''ripple'''''. | |||
==Observações e Conclusões== | ==Observações e Conclusões== | ||
*' | *'''Filtros elétricos''' são circuitos que permitem a passagem de terminadas '''frequências''' e limitam outras. | ||
*Filtros simples podem ser construídos com componentes passivos, como os '''filtros RC''' e '''filtros RL'''. | |||
*Na '''frequência de corte''' dos filtros a tensão da saída atinge 70,7% da tensão da entrada. | |||
*'''Detectores de pico''' podem ser utilizados para verificar a amplitude máxima da tensão de saída de um filtro. | |||
*'''Circuitos comparadores''' podem ser utilizados para obter uma '''saída binária''' indicando quando a tensão de um sinal de entrada está acima ou abaixo de uma dada referência. | |||
==Referências== | ==Referências== | ||
Edição atual tal como às 11h28min de 1 de outubro de 2021
Laboratório: Introdução aos filtros elétricos
Este laboratório foi baseado no material disponibilizado pela Analog Devices, fabricante do módulo educacional M1K Analog Devices: [1]
Objetivos
Conhecer o princípio de funcionamento dos filtros elétricos RC passa baixa e passa alta.
Conhecer e testar um circuito detector de pico, com diodo e capacitor, visando detectar a máxima amplitude do sinal de saída de um filtro elétrico.
Conhecer e testar um circuito comparador de tensão com saída binária, visando acionar um dispositivo quando uma dada tensão for atingida.
Equipamento e Materiais
- Modulo Analog Devices M1K e software Pixelpulse
- Componentes Eletrônicos:
- Resistores: 68Ω,100Ω 10KΩ, 200KΩ
- Capacitores: 10uF, 22uF e 47uF
- Leds
- Diodo 1N914
- Circuito Integrado AD8561
Procedimentos Práticos
Filtro passa baixa
- Identifique os resistores e capacitores a serem utilizados no experimento. Observe que os capacitores eletrolíticos tem polaridade, portanto, devem ser montados no circuito considerando os terminais positivo e negativo.
- Monte na matriz de contatos o filtro RC da figura, usando o resistor de 68Ω e o capacitor de 22uF:
[1] - Selecione o canal A do módulo Analog Devices M1K para Gerar Tensão/Medir Corrente e o canal B para Medir Voltagem.
- Configure o canal A para gerar uma onda senoidal com 10 Hz de frequência e tensão variando de 0 V a 5 V. Observe no canal B a forma de onda sobre o capacitor.
- Gradualmente aumente a frequência da onda senoidal até 1000 Hz e observe no canal B a redução da amplitude da forma de onda sobre o capacitor.
- Ajuste a frequência da onda senoidal no canal A até que a amplitude da onda no canal B seja 3,5 V, ou seja, 70,7% da amplitude da entrada (5 . 0,707 ≈ 3,5).
Filtro passa alta
- Monte na matriz de contatos o filtro RC da figura, usando o resistor de 68Ω e o capacitor de 10uF. Observe que o resistor está conectado a tensão de 2,5 V e não ao terra:
[1] - Configure o canal A para gerar uma onda senoidal com 10 Hz de frequência e tensão variando de 0 V a 5 V. Observe no canal B a forma de onda sobre o capacitor.
- Gradualmente aumente a frequência da onda senoidal até 1000 Hz e observe no canal B o aumento da amplitude da forma de onda sobre o capacitor.
- Ajuste a frequência da onda senoidal no canal A até que a amplitude da onda no canal B seja 3,5 V.
- Análise do circuito
- É importante notar que o resistor no filtro passa alta está conectado a referência de tensão de 2,5 V e não ao terra. Isto é necessário pois o filtro passa alta não permite a passagem de corrente contínua (CC), podendo ser visto como um circuito que remove a componente de corrente contínua do sinal. O nível tensão CC (2,5 V) do outro lado do resistor ajusta a componente CC da saída do filtro para o valor médio da excursão do sinal de saída, uma vez que não há componente contínua no sinal de saída. Se o resistor fosse referenciado ao terra, a saída alternada oscilaria com valores positivos e negativos em torno da referência zero.
Detector de pico
- Modifique o circuito do filtro RC passa baixa, acrescentando o diodo, o capacitor de 47uF e o resistor de 200KΩ a saída do filtro, conforme a figura:
[1] - Monitore a amplitude da tensão de saída do circuito no canal B a medida que a frequência do sinal senoidal de entrada varia de 10 Hz até 1 KHz.
- Analise do circuito
- O diodo e capacitor paralelo (capacitor shunt) conectados a saída do filtro funcionam como detector de pico do sinal na saída. Com isto é possível monitorar através de uma tensão contínua a amplitude máxima da tensão na saída do filtro. Desta forma, este valor de tensão contínua pode ser utilizado em circuitos comparadores visando o acionamento de algum dispositivo, como um led, para indicar a banda passante do sinal.
O circuito detector de pico também pode ser aplicado ao filtro passa altas.
Comparador
- Acrescente a saída do filtro RC passa baixa com o circuito detector de pico o circuito integrado AD8561 que é um comparador de tensão com saída binária:
[1] - Utilize o canal B para ajustar a tensão no centro do potenciômetro em 3,5 V, que é a tensão na saída do filtro na frequência de corte do mesmo.
- Monitore a amplitude da tensão de saída do circuito detector de pico no canal B a medida que a frequência do sinal senoidal de entrada varia de 10 Hz até 1 KHz. Observe quando o led conectado a saída binária do comparador acende ou apaga.
Fundamentos sobre Filtros Elétricos
Filtros elétricos são circuitos que permitem filtrar determinadas frequências de um sinal CA permitindo a passagem de algumas frequências e limitando a passagem de outras. A frequência de transição entre as frequências permitidas e as não permitidas é chamada frequência de corte (fc).
Um filtro que permite a passagem de frequências abaixo da frequência de corte é chamado de filtro passa baixa e um filtro que permite a passagem de frequências a acima frequência de corte é chamado de filtro passa alta.
Os filtros elétricos mais simples podem ser construídos com elementos passivos, como resistores e capacitores (filtros RC) ou resistores e indutores (filtros RL).
Filtros RC
Com circuitos RC série é possível construir filtros elétricos passa baixa e passa alta. Os filtros operam sobre o divisor de tensão entre o resistor (R) e a reatância do capacitor (C).
A reatância é a oposição a passagem de corrente elétrica de capacitores e indutores em circuitos de corrente alternada. A reatância é um parâmetro que depende da frequência do sinal de corrente alternada.
Para um capacitor (C) reatância é dada por 1/2πfC. Pela expressão pode-se ver que a reatância capacitiva varia inversamente proporcional a frequência (f), ou seja, se a frequência aumenta a reatância diminui e vice versa. Para corrente contínua (frequência zero) a reatância capacitiva tende ao infinito, ou seja, o capacitor se comporta como um circuito aberto. Já para altas frequências o capacitor se comporta como um curto circuito.
Na análise do divisor de tensão do filtro RC passa baixa, verificamos que a medida que a frequência aumenta, a reatância diminui, portanto, diminui a componente de tensão sobre o capacitor, consequentemente, a tensão de saída do filtro diminui. Para o filtro RC passa alta verificamos o contrário, a medida que a frequência aumenta, aumenta a tensão na saída do filtro.
A frequência de corte (fc) é definida como a frequência na qual a reatância capacitiva é igual a resistência, ou seja R = 1/2πfcC, que resulta:
fc = 1 / 2πRC
Na frequência de corte (fc) a amplitude da tensão de saída, tanto no filtro passa baixa quanto no passa alta, cai a cerca de 70,7% (√2/2) da tensão de entrada.
Fundamentos sobre o Detector de Pico
O circuito detector de pico gera um valor de tensão CC igual ao pico do sinal CA de entrada.
- Funcionamento
- Quando a tensão de entrada CA (vin) está crescendo, o diodo conduz e provoca a carga do capacitor (C). Quando a tensão de entrada atinge o valor de pico o capacitor estará carregado com o valor máximo da tensão (Vpico). Quando o sinal CA começa a decrescer a tensão da entrada ficará menor que a tensão no capacitor e o diodo passa a não conduzir, ficando a tensão armazenada na carga do capacitor. Parte da carga do capacitor é descarregada sobre o resistor de carga (RL). Se o resistor de carga for suficientemente grande, será observada apenas uma pequena oscilação na tensão contínua de saída, chamado ripple.
Observações e Conclusões
- Filtros elétricos são circuitos que permitem a passagem de terminadas frequências e limitam outras.
- Filtros simples podem ser construídos com componentes passivos, como os filtros RC e filtros RL.
- Na frequência de corte dos filtros a tensão da saída atinge 70,7% da tensão da entrada.
- Detectores de pico podem ser utilizados para verificar a amplitude máxima da tensão de saída de um filtro.
- Circuitos comparadores podem ser utilizados para obter uma saída binária indicando quando a tensão de um sinal de entrada está acima ou abaixo de uma dada referência.
Referências
Evandro.cantu (discussão) 10h03min de 13 de julho de 2020 (-03)
