Filtros Eletricos
Fundamentos sobre Filtros Elétricos RC
Objetivos
Conhecer o princípio de funcionamento dos filtros elétricos RC passa baixa e passa alta.
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 do capacitor 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.
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.
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.
Referências
Root (discussão) 08h58min de 1 de outubro de 2021 (-03)
