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ELE031 Laboratório de Circuitos Elétricos II - Turma L1 - Prof. Carlos Andrey Maia Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG - Escola de Engenharia - Dep. de Engenharia Elétrica Belo Horizonte - 10/01/2022 EXPERIMENTO 4 - CIRCUITOS PARA SELEÇÃO DE FREQUÊNCIA: PASSA-ALTAS E PASSA-BAIXAS EXPERIMENTO 5 - CIRCUITOS PARA SELEÇÃO DE FREQUÊNCIA: PASSA-FAIXA E REJEITA-FAIXA Resumo: A realização desse relatório visa aplicar os conceitos teóricos sobre os estudos de circuitos para seleção de frequência a partir da utilização de filtros. Sendo estes, conhecidos como passa-baixas e passa-altas os de primeira ordem, e passa-faixa e rejeita-faixa os de segunda ordem. Com o auxílio de softwares de simulação, é possível montar circuitos com inúmeros componentes com facilidade, custo zero, e segurança, possibilitando a análise completa destes circuitos. A partir do uso dos aparelhos de medição, tais como multímetros e osciloscópios, as grandezas de relevância dos filtros podem ser computadas, para servirem como parâmetro nos cálculos e resultados dos experimentos, além, é claro, de ferramentas que ajudam na geração da resposta em frequência do circuito. Logo, outros conceitos retratados são os de cálculos da função de transferência, de seu módulo e de sua fase. Equações e imagens mostradas evidenciam e facilitam a comprovação dos valores e gráficos encontrados. Depois das simulações, é perceptível que os resultados medidos estão de acordo com os valores calculados previamente, mostrando que os fundamentos aplicados estão de acordo. Palavras-chave: Filtros, passa-baixas, passa-altas, passa-faixa, rejeita-faixa. Introdução Primeiramente, para a realização dos experimentos propostos, é importante saber como é o funcionamento dos tipos de filtros propostos, para isso, alguns conceitos são primordiais. Como de entender o processo de cálculo e medição, nas simulações, nesses circuitos. Toda a teoria sobre esses fundamentos teóricos apresentados na introdução teve como base o livro Fundamentos de Circuitos Elétricos [1]. A. Filtro Passa-Baixas Um filtro passa-baixas é projetado para deixar passar (ou seja, não atenua) todas as frequências abaixo de sua frequência de corte. Esse filtro é formado quando a saída de um circuito RC é obtida do capacitor ou quando a saída de um circuito RL é obtida do resistor. Essa propriedade torna-se evidente ao analisarmos a função de transferência do filtro, cuja característica principal é possuir um pólo complexo, como ilustrado na figura 1. Para baixas frequências ( ), quase não há atenuação doω < 1/τ sinal, contrastando com a resposta para altas frequências ( ), por isso, é denominadoω > 1/τ filtro passa-baixas. Figura 1: Resposta em frequência de um polo. Fonte: Controle Digital [3]. B. Filtro Passa-Altas Um filtro passa-altas é projetado para deixar passar todas as frequências acima de sua frequência de corte. Esse filtro é formado quando a saída de um circuito RC é obtida do resistor ou quando a saída de um circuito RL é obtida no indutor. A figura 2 mostra o modelo básico de um filtro passa-altas, enquanto a figura 3 mostra as respostas de frequência ideal e real desse filtro. ELE031 Laboratório de Circuitos Elétricos II - Turma L1 - Prof. Carlos Andrey Maia Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG - Escola de Engenharia - Dep. de Engenharia Elétrica Belo Horizonte - 10/01/2022 Figura 2: Filtro passa-altas. Fonte: Fundamentos de Circuitos Elétricos [1]. Figura 3: Resposta em frequência ideal e real do filtro passa-altas. Fonte: Fundamentos de Circuitos Elétricos [1]. A função de transferência se dá através da equação 1. 𝐻(𝜔) = 𝑉𝑜𝑉𝑖 = 𝑅 𝑅 + 1/𝑗𝜔𝐶 = 𝑗𝜔𝑅𝐶 1 + 𝑗𝜔𝑅𝐶 (01) C. Filtro Passa-Faixa O filtro passa-faixa, por sua vez, é projetado para idealmente eliminar a influência de sinais fora de um intervalo pré-definido de frequências e .ω 1 ω 2 Dentre as várias possíveis configurações físicas para elaboração de um filtro passa-faixa, utilizaremos o modelo da figura 4, com uma junção indutor-capacitor série. Na figura 5 abaixo, mostra-se o comportamento real e ideal desse filtro. Figura 4: Filtro Passa faixa. Fonte: Fundamentos de Circuitos Elétricos [1]. Figura 5: Respostas em frequência real versus ideal do filtro passa-faixa. Fonte: Fundamentos de Circuitos Elétricos [1]. Para sistemas de segunda ordem, compostos por capacitor e indutor série ou paralelo, uma particularidade acontece. Para um valor específico de frequência, o circuito se comporta como um circuito puramente resistivo, isso acontece pois existe a possibilidade da reatância do circuito se anular. Tal fenômeno ocorre na frequência chamada de frequência angular de ressonância . É nessaω 0 frequência que há a menor atenuação do sinal de entrada, sendo representado na figura 5 como pico. Tendo como sinal de entrada a tensão da fonte, e sinal de saída a tensão sobre o resistor de 1kΩ, obtemos a função de transferência: (02)𝑉 𝑅 2 (𝑠) = 𝑅 2 𝑅 1 +𝑅 2 +𝑠𝐿 1 + 1𝑠𝐶 1 · 𝑉 1 𝐻(𝑠) = 𝑅 2 𝑅 1 +𝑅 2 +𝑠𝐿 1 + 1𝑠𝐶 1 = 𝑅 2 𝐶 1 𝑠 𝐿 1 𝐶 1 𝑠2+(𝑅 1 +𝑅 2 )𝐶 1 𝑠+1 Observamos que e𝐻(0) = 0 𝐻(∞) = 0 características de um filtro passa-faixa (figura 5). ELE031 Laboratório de Circuitos Elétricos II - Turma L1 - Prof. Carlos Andrey Maia Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG - Escola de Engenharia - Dep. de Engenharia Elétrica Belo Horizonte - 10/01/2022 D. Filtro Rejeita-Faixa Um filtro rejeita-faixa é projetado para barrar ou eliminar todas as frequências dentro de uma faixa de frequências. Esse filtro é formado quando a saída do circuito RLC em série ressonante é obtida da associação LC em série. A figura 6 mostra o modelo básico de um filtro rejeita-faixa, enquanto a figura 7 mostra as respostas de frequência ideal e real desse filtro. Figura 6: Filtro rejeita-faixa. Fonte: Fundamentos de Circuitos Elétricos [1]. Figura 7: Respostas em frequência real versus ideal do filtro rejeita-faixa. Fonte: Fundamentos de Circuitos Elétricos [1]. A função de transferência se dá através da equação 3. (03) 𝐻(𝜔) = 𝑉𝑜𝑉𝑖 = 𝑗(𝜔𝐿 − 1/𝜔𝐶) 𝑅 + 𝑗(𝜔𝐿 − 1/𝜔𝐶) De forma geral, a frequência de corte ( ) ou𝑓 𝑐 frequência de meia potência é a frequência cuja potência na saída de um sistema (circuito eletrônico, linha de transmissão, amplificador ou filtro eletrônico) é reduzida à metade da potência da faixa de passagem. Em termos de tensão (ou amplitude) isto corresponde uma redução a 70,7% ( ) do1/ 2 valor da faixa de passagem. Essa redução corresponde a uma atenuação de -3dB, por isso a frequência de corte também é conhecida como frequência de -3dB. Objetivos Observar o comportamento circuitos passivos de seleção de frequência, de primeira e segunda ordem, quando submetidos a tensões senoidais de diferentes frequências. Compreender e elaborar a partir de um circuito qualquer, a função de transferência do mesmo. Obter a resposta em frequência de amplitude e de fase, e comparar resultados obtidos com fornecidos por outras ferramentas computacionais. Materiais e métodos Por se tratar de uma matéria ofertada no formato híbrido, os principais materiais utilizados são softwares e ferramentas de simulação, de forma a aproximar ao máximo o ambiente virtual de aprendizagem do funcionamento do Laboratório de Circuitos Elétricos II da Universidade Federal de Minas Gerais. Dessa forma, neste presente relatório, foi utilizado o simulador Multisim (National Instruments) e seus componentes para fins acadêmicos, visando obter assim, um ambiente de simulação acessível, completo e fidedigno para a montagem de circuitos elétricos. No ambiente do Multisim, foi utilizado como elementos chave os seguintes componentes: ● Cargas: resistores, indutores e capacitores; ● Fontes: alimentação alternada monofásica; ● Equipamentos de leitura: multímetro, e osciloscópio. Para realização de cada simulação, são necessários métodos distintos. Dessa forma serão subdivididos em três partes, de acordocom a respectiva prática. A. Filtro Passa-Baixas Como especificação do projeto, temos uma fonte senoidal de tensão, com amplitude de 5V, cuja frequência podemos variar. Em série com a mesma, temos o que provavelmente é a resistência interna parasita da fonte ( ). Em seguida, uma𝑅 = 50 Ω indutância que novamente, apresenta𝐿 = 200 𝑚𝐻 uma resistência série acoplada ( ), e por𝑅 = 11 Ω fim, um resistor de 5.6kΩ, do qual acoplamos os terminais de saída do filtro. Tal circuito possui dois canais de comunicação com o mundo externo: após e externo a fonte (entre a resistência de 50Ω e a indutância de 200 mH) e o canal de tensão do resistor de 5.6 kΩ (entre o próprio resistor e a resistência de 11Ω). https://pt.wikipedia.org/wiki/Frequ%C3%AAncia https://pt.wikipedia.org/wiki/Circuito_eletr%C3%B4nico https://pt.wikipedia.org/wiki/Linha_de_transmiss%C3%A3o https://pt.wikipedia.org/wiki/Amplificador https://pt.wikipedia.org/wiki/Filtro_eletr%C3%B4nico https://pt.wikipedia.org/wiki/Filtro_eletr%C3%B4nico https://pt.wikipedia.org/wiki/Pot%C3%AAncia https://pt.wikipedia.org/wiki/Tens%C3%A3o_el%C3%A9trica ELE031 Laboratório de Circuitos Elétricos II - Turma L1 - Prof. Carlos Andrey Maia Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG - Escola de Engenharia - Dep. de Engenharia Elétrica Belo Horizonte - 10/01/2022 Para sinais senoidais, temos que a tensão de pico é igual a tensão eficaz multiplicada por raiz de dois, ou seja, . Logo, para um sinal com𝑉 𝑝𝑘 = 2 · 𝑉 𝑅𝑀𝑆 tensão de pico igual a 5V, temos .𝑉 𝑅𝑀𝑆 = 3. 54 𝑉 𝑟𝑚𝑠 O circuito em questão é ilustrado a seguir (figura 8). Figura 8: Esquemático do projeto de filtro passa-baixas. Fonte: Elaboração própria. B. Filtro Passa-Altas Em seguida, o mesmo modelo de experimento foi realizado para o filtro passa-altas, para isso, o indutor foi substituído por um capacitor, o valor da resistência de saída foi alterado, mas o valor da tensão de alimentação foi mantido. A figura 9 a seguir mostra o circuito disponibilizado pelo professor para a simulação do experimento. Figura 9: Modelo do circuito passa-altas. Fonte: Autoria do Professor Carlos Andrey Maia [2]. Então, tendo como base o circuito proposto, o mesmo foi montado no software de simulação. A figura 10 a seguir mostra o circuito já montado na ferramenta online. Figura 10: Circuito passa-altas simulado. Fonte: Elaboração própria. O circuito será o mesmo para todas simulações referentes a esse filtro, variando apenas a frequência na fonte de alimentação. C. Filtro Passa-Faixa No entanto, o circuito que utilizaremos na simulação possui uma não idealidade, o que nos obriga a buscar equações dedicadas ao novo circuito (figura 11). Analogamente, temos uma fonte senoidal de tensão, com amplitude de 1V, cuja frequência podemos variar. Em série com a mesma, temos o que provavelmente é a resistência interna parasita da fonte ( ). Em seguida, uma𝑅 = 50 Ω indutância , uma capacitância𝐿 = 200 𝑚𝐻 , e por fim, um resistor de 1kΩ, do qual𝐶 = 47 𝑛𝐹 acoplamos os terminais de saída do filtro. O circuito está representado abaixo, na figura 11. Figura 11: Esquemático do projeto de filtro passa-faixas. Fonte: Elaboração própria. D. Filtro Rejeita-Faixa Por fim, o último experimento do circuito, filtro rejeita-faixa, possui modelo semelhante ao ELE031 Laboratório de Circuitos Elétricos II - Turma L1 - Prof. Carlos Andrey Maia Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG - Escola de Engenharia - Dep. de Engenharia Elétrica Belo Horizonte - 10/01/2022 passa-faixa, para isso, o indutor e o capacitor foram colocados em paralelo, mantendo os valores dos componentes iguais, assim como o valor da tensão de alimentação foi mantido. A figura 12 a seguir mostra o circuito disponibilizado pelo professor para a simulação do experimento. Figura 12: Modelo do circuito rejeita-faixa. Fonte: Autoria do Professor Carlos Andrey Maia [2]. Então, tendo como base o circuito proposto, o mesmo foi montado no software de simulação. A figura 13 a seguir mostra o circuito já montado na ferramenta online. Figura 13: Circuito rejeita-faixa simulado. Fonte: Elaboração própria. O circuito será o mesmo para todas simulações referentes a esse filtro, variando apenas a frequência na fonte de alimentação. Resultados De maneira semelhante, a disposição dos resultados também está dividida entre os quatro tipos de filtros. A. Resultados Filtro Passa-Baixas Para o circuito da figura 8, cuja fonte possui frequência variável , temos como função de𝑓 transferência, utilizando a fonte como sinal de entrada, e a tensão do resistor de 5.6kΩ como saída: (04)𝑉 𝑅 2 (𝑠) = 𝑅 2 𝑅 2 +𝑅 1 +𝑅 3 +𝑠𝐿 1 · 𝑉 1 De tal forma que sua função de transferência é: (05)𝐻(𝑠) = 𝑅 2 𝑅 2 +𝑅 1 +𝑅 3 +𝑠𝐿 1 Ou ainda: 𝐻(ω) = 𝑅 2 𝑅 2 +𝑅 1 +𝑅 3 +𝑗ω𝐿 1 (06) Substituindo , o módulo e a fase𝑠 = 𝑗ω = 𝑗2π𝑓 da função de transferência é dado por: (07)|𝐻(𝑓)| = | 𝑅 2 𝑅 2 +𝑅 1 +𝑅 3 +𝑗2π𝑓𝐿 1 | (08)|𝐻(𝑓)| = 𝑅 2 (𝑅 2 +𝑅 1 +𝑅 3 )2+(2π𝑓𝐿 1 )2 Cujo módulo não possui unidade (admensional). Podemos também utilizar uma escala logarítmica em decibéis para facilitar a leitura, nesse caso a notação correta é: |𝐻(𝑓)| 𝑑𝐵 = 20𝑙𝑜𝑔( 𝑅 2 (𝑅 2 +𝑅 1 +𝑅 3 )2+(2π𝑓𝐿 1 )2 ) (09) Já a fase do circuito é denotada por: (10)ϕ(𝑓) =− 𝑡𝑎𝑛−1( 2π𝑓𝐿 1 𝑅 2 +𝑅 1 +𝑅 3 ) Cuja unidade é em radianos. Podemos converter para graus multiplicando pelo fator de correção 180ºπ , admitindo-se que a função retorna o valor𝑡𝑎𝑛−1(𝑥) da função em radianos. Como explicitado anteriormente, a frequência de corte de um circuito é dado pela frequência sob o qual a saída é reduzida a 70,7% ( ) do valor na1/ 2 banda de passagem. Assim, para encontrarmos o valor da frequência de corte, igualamos: (11)|𝐻(𝑓 𝑐 )| = 1 2 = 𝑅 2 (𝑅 2 +𝑅 1 +𝑅 3 )2+(2π𝑓 𝑐 𝐿 1 )2 ELE031 Laboratório de Circuitos Elétricos II - Turma L1 - Prof. Carlos Andrey Maia Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG - Escola de Engenharia - Dep. de Engenharia Elétrica Belo Horizonte - 10/01/2022 Após algumas manipulações matemáticas necessárias, encontramos de forma explícita a frequência de corte do circuito em função das variáveis de circuito (equação 12): (12) 𝑓 𝑐 = 2𝑅 2 2−(𝑅 2 +𝑅 1 +𝑅 3 )2 (2π𝐿 1 )2 = 4. 4 𝑘𝐻𝑧 Abaixo, apresentamos simulações do circuito para a frequência de corte analiticamente obtida (figura 14). Figura 14: Esquemático do filtro passa-baixas na frequência de corte .𝑓 𝑐 = 4. 4 𝑘𝐻𝑧 Fonte: Elaboração própria. Assim, como a frequência de corte corresponde a frequência cujo módulo da função de transferência assume valor , temos:1 2 (13)𝐻(𝑓 𝑐 ) = 𝑉 𝑅 2 (𝑓 𝑐 ) 𝑉 1 = 1 2 Logo: (14)𝑉 𝑅 2 (𝑓 𝑐 ) = 𝑉 1 2 = 2. 503 𝑉 𝑟𝑚𝑠 Ratificando o valor que obtivemos através da simulação (figura 14). Para tal valor de frequência, obtemos uma defasagem, em graus, do circuito de: ϕ(𝑓 𝑐 ) =− 180ºπ · 𝑡𝑎𝑛 −1( 2π𝑓 𝑐 𝐿 1 𝑅 2 +𝑅 1 +𝑅 3 ) =− 44. 33º Aproximadamente o valor esperado (-45º). A partir das equações 09 e 10 obtidas analiticamente, podemos fornecê-las a um software gráfico (GeoGebra), e obter o gráfico da resposta em frequência do circuito em módulo e fase (figuras 15 e 16, respectivamente). Figura 15: Curva característica do módulo (em dB) do filtro passa-baixas, fornecido pelo software gráfico GeoGebra. Fonte: Elaboração própria. Figura 16: Curva característica da fase (em graus) do filtro passa-baixas, fornecido pelo software gráfico GeoGebra. Fonte: Elaboração própria. Figura 17: AMPLIAÇÃO: Curva característica da fase (em graus) do filtro passa-baixas, fornecido pelo software gráfico GeoGebra. Fonte: Elaboração própria. ELE031 Laboratório de Circuitos Elétricos II - Turma L1 - Prof. Carlos Andrey Maia Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG - Escola de Engenharia - Dep. de Engenharia Elétrica Belo Horizonte - 10/01/2022 A partir do diagrama de módulo (figura 15) confirmamos assim que se trata de um filtropassa baixa, cuja frequência de corte ( )|𝐻(𝑓 𝑐 )| 𝑑𝐵 =− 3 𝑑𝐵 é de aproximadamente 4400 Hz, e defasagem de -45º na mesma. Por outro lado, também podemos obter uma curva similar às curvas obtidas analiticamente (figuras 15 e 16) através de simulações sucessivas do circuito mostrado anteriormente (Figura 14), apenas variando a frequência da fonte. Assim, escolhemos uma quantidade adequada de pontos (11 valores de frequência), simulamos o circuito, dividimos os valores de tensão obtidos na saída do resistor de 5.6kΩ pela tensão de entrada da fonte (fonte de tensão + resistência parasítica), e convertemos o valor adimensional em decibéis e os anotamos. Assim, utilizando um total de 11 pontos (frequência de corte + 5 pontos abaixo + 5 pontos acima) distribuídos em torno da frequência de corte ( pré- : ; pós- : e𝑓 𝑐 ∆𝑓 = 792 𝐻𝑧 𝑓 𝑐 ∆𝑓 = 7920 𝐻𝑧 ) e ao longo de duas décadas, obtemos𝑓 𝑐 = 4400 𝐻𝑧 os seguintes resultados (a seguir mostramos as simulações apenas de uma frequência, mas as mesmas simulações foram feitas individualmente para as 11 frequências escolhidas): Figura 18: Simulação computacional do filtro passa-baixas, para .𝑓 3 = 2024 𝐻𝑧 Fonte: Elaboração própria. Para a simulação acima (figura 18), temos ou|𝐻(2024)| = 0. 908 |𝐻(2024)| 𝑑𝐵 =− 0. 832 dB. Ao realizar isso para todas as frequências, obtemos os resultados resumidos na segunda coluna da tabela 1. A determinação da fase dos circuitos não é possível utilizando apenas o multímetro, sendo assim, recorremos a um osciloscópio, a partir do qual podemos realizar a conversão da defasagem temporal em defasagem angular, através da expressão 15, abaixo: (15)ϕ(𝑒𝑚 𝑔𝑟𝑎𝑢𝑠) = 2π𝑓 · ∆𝑡 · 180π Sendo a defasagem temporal entre o sinal de∆𝑡 saída e o de entrada, e a frequência do mesmo.𝑓 Através do osciloscópio, podemos encontrar tal valor a partir da diferença entre duas cristas ou dois vales de tais curvas. Isso é possível uma vez que o software utilizado (MultiSim) é capaz de automaticamente encontrar os valores máximos de cada curva ao utilizar o mecanismo “GO TO NEXT Y MAX”. O mecanismo está ilustrado na figura abaixo (figura 19): Figura 19: Osciloscópio digital do filtro passa-baixas, para . O é ilustrado𝑓 3 = 2024 𝐻𝑧 ∆𝑡 no campo “T2-T1”. Fonte: Elaboração própria. Portanto, repetindo o mesmo procedimento anterior para todos os valores de frequência, obtemos as defasagens de todos os circuitos. Os dados estão disponíveis na terceira coluna da tabela 1. A seguir (tabela 1), apresentam-se as tabulações dos resultados obtidos para os dois procedimentos de simulação, especificados anteriormente. ELE031 Laboratório de Circuitos Elétricos II - Turma L1 - Prof. Carlos Andrey Maia Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG - Escola de Engenharia - Dep. de Engenharia Elétrica Belo Horizonte - 10/01/2022 Tabela 1: Módulo e fase em função da frequência para filtro passa baixa. Frequência (Hertz) Módulo (dB) Fase (º) 440 -0.1 -1.5 1232 -0.3 -21.8 2024 -0.8 -23.5 2816 -1.5 -33.6 3608 -2.2 -44.3 4400 -3.0 -45 12320 -9.4 -67.2 20240 -13.4 -78.6 28160 -16.1 -78.8 36080 -18.3 -78.9 44000 -20.0 -90.0 Com os dados da tabela 1 em mãos, podemos montar nossos próprios gráficos de módulo e fase da resposta em frequência do circuito. O software utilizado para montar a figura 20 abaixo foi o Excel, usando o tipo de gráfico “Dispersão com linhas retas e marcadores”. Figura 20: Gráfico de Módulo, feito com os dados da tabela 1, no Excel. Fonte: Elaboração própria. Figura 21: Gráfico de Fase, feito com os dados da tabela 1, no Excel. Fonte: Elaboração própria. É possível também, obter a resposta em frequência do circuito montado na figura 8 a partir do próprio MultiSim, com o auxílio de uma simulação “AC Sweep”, de forma a comparar o gráfico fornecido pelo software ao montado por nós. Segue abaixo (figura 22), o resultado da simulação. Figura 22: Simulação AC Sweep, no MultiSim, para filtro passa-baixas. Fonte: Elaboração própria. Na figura 22, com auxílio dos cursores, conseguimos encontrar a frequência de -3 dB ELE031 Laboratório de Circuitos Elétricos II - Turma L1 - Prof. Carlos Andrey Maia Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG - Escola de Engenharia - Dep. de Engenharia Elétrica Belo Horizonte - 10/01/2022 (-3.0103 dB) em aproximadamente 4.4 kHz. Para a mesma frequência, encontramos defasagem de -44.37º. É válido ressaltar que a diferença entre o formato dos gráficos obtidos pelo MultiSim (figura 22) e os simulados no GeoGebra (figura 15 e16) ocorre em função dos eixos, no primeiro a escala é logarítmica,já no segundo, linear. B. Resultados Filtro Passa-Altas O primeiro passo da análise do circuito foi a determinação da função de transferência. Para isso, é necessário encontrar a tensão no canal 2. A equação 16 mostra o resultado. (16) 𝑉𝑜(𝑠) = 𝑉𝑖(𝑠) * 𝑅2 𝑅1 + 1𝑠𝐶1 + 𝑅2 Manipulando essa equação, é possível encontrar a função de transferência, representada pela equação 17 logo abaixo. (17)𝐻(𝑠) = 𝑅2 𝑅1 + 1𝑠𝐶1 + 𝑅2 = 𝑅2 * 𝑠𝐶1𝑅1 * 𝑠𝐶1 + 1 + 𝑅2 * 𝑠𝐶1 Logo em seguida, as expressões de módulo e fase em função da frequência de 2πf foram encontradas. As equações 18 e 19 mostram o módulo. (18) 𝐻(𝑓)| | = 2𝜋𝑓 * 𝑅2 * 𝐶 1 + (2𝜋𝑓 * 𝐶 * (𝑅1 + 𝑅2))2 (19) 𝐻(𝑓)| | 𝑑𝐵 = 20𝑙𝑜𝑔( 2𝜋𝑓 * 𝑅2 * 𝐶 1 + (2𝜋𝑓 * 𝐶 * (𝑅1 + 𝑅2))2 ) Enquanto a equação 20 mostra a fase. 𝐻(𝑓)| | = 90° − 𝑡𝑎𝑛−1(2𝜋𝑓 * 𝐶 * (𝑅1 + 𝑅2)) (20) O próximo passo foi determinar a frequência de corte. Para isso, basta igualar o módulo da função de transferência a . A equação 21 evidencia isso.1/ 2 (21) 1 2 = 2𝜋𝑓 * 𝑅2 * 𝐶 1 + (2𝜋𝑓 * 𝐶 * (𝑅1 + 𝑅2))2 Com algumas manipulações matemáticas, a equação 22 mostra o resultado. (22) 𝑓 𝑐 = 235, 233 𝐻𝑧 Com a simulação do circuito e com o valor da frequência de corte encontrado, é possível variar o valor da entrada, tanto para diminuir como para aumentar, fazendo com que seja possível montar uma tabela com os valores encontrados. A tabela 2 mostra os resultados. Tabela 2: Relações de módulo e fase para o filtro passa-altas com a variação da frequência. Frequência (Hz) Módulo (dB) Fase (°) 23,5 -20,0 84,2 40,0 -15,4 80,2 60,0 -12,1 75,5 100,0 -8,1 66,7 200,0 -3,7 49,3 235,2 -3,0 44,7 300,0 -2,1 37,8 500,0 -0,9 25,0 700,0 -0,5 18,5 1000,0 -0,3 13,1 2352,3 -0,1 5,7 Através dos valores obtidos na tabela, gráficos para o módulo e fase foram montados com utilização do excel. A figura 23 mostra o gráfico gerado para o módulo e a figura 24 para a fase. Figura 23: Gráfico de módulo do circuito passa-altas, no Excel. Fonte: Elaboração própria. ELE031 Laboratório de Circuitos Elétricos II - Turma L1 - Prof. Carlos Andrey Maia Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG - Escola de Engenharia - Dep. de Engenharia Elétrica Belo Horizonte - 10/01/2022 Figura 24: Gráfico de fase do circuito passa-altas, no Excel. Fonte: Elaboração própria. Por fim, com o auxílio de uma ferramenta do próprio software de simulação, é possível determinar a resposta em frequência tanto para módulo como para fase automaticamente. A figura 25 mostra o resultado. Figura 25: Resposta em frequência do circuito passa-altas. Fonte: Elaboração própria. Percebe-se que com essa ferramenta é possível observar o gráfico de uma maneira muito mais ampla, já que o programa permite uma amostragem muito maior. Além do fato de conseguir calcular todos os pontos necessários para gerar um gráfico mais contínuo do que o feito manualmente. C. Resultados Filtro Passa-Faixa Para o circuito mostrado anteriormente na figura 23, temos a seguinte função de transferência (equação 24). (23)𝑉 𝑅 (𝑠) = 𝑅 𝑅+𝑠𝐿+ 1𝑠𝐶 · 𝑉 𝑚 (24).: 𝐻(𝑠) = ( 𝑅𝐿 ) ( 𝑅𝐿 )+𝑠+ 1 𝑠𝐶𝐿 = ( 𝑅𝐿 )𝑠 𝑠2+( 𝑅𝐿 )𝑠+ 1 𝐶𝐿 O módulo e a fase dessa função de circuito são explicitados aseguir (equações 25 e 27, respectivamente). (25) |𝐻(ω)| = 𝑅 𝐿 ω ( 𝑅𝐿 ω) 2+( 1𝐶𝐿 −ω 2)2 |𝐻(ω)| 𝑑𝐵 = 20 · 𝑙𝑜𝑔( 𝑅 𝐿 ω ( 𝑅𝐿 ω) 2+( 1𝐶𝐿 −ω 2)2 ) (26) (27)ϕ(ω) = 90º − 𝑡𝑎𝑛−1( 𝑅 𝐿 ω 1 𝐶𝐿 −ω 2 ) Desde que a função seja uma função𝑡𝑎𝑛−1(𝑥) de .𝑅 → [− 90º , 90º] Como sabemos que elementos reativos (indutor e capacitor) não dissipam potência ativa, a maior potência ativa dissipada acontece na frequência de ressonância , quando , assim:ω 0 𝐼 = 𝑉 𝑚 /𝑅 (28)𝑃(ω 0 ) = 12 𝑉 𝑚 2 𝑅 Em e , a potência dissipada pelo circuito éω 1 ω 2 metade da potência máxima (equação 28). Logo, são denominados frequências de meia potência. Dessa forma, um método de encontrar valor numérico para as frequências de meia potência é fazendo-se a impedância do circuito igual a , assim:2𝑅 (29)𝑃(ω 1 ) = 𝑃(ω 2 ) = (𝑉 𝑚 / 2)2 2𝑅 = 𝑉 𝑚 2 4𝑅 (30)𝑅2 + (ω𝐿 − 1ω𝐶 ) 2 = 2𝑅 Expressão da qual obtemos os seguintes valores de frequências (31 e 32): (31)ω 1 =− 𝑅2𝐿 + ( 𝑅 2𝐿 ) 2 + 1𝐿𝐶 (32)ω 2 = 𝑅2𝐿 + ( 𝑅 2𝐿 ) 2 + 1𝐿𝐶 Por último, a frequência central ou de ressonância , como já foi mencionadoω 0 anteriormente, é encontrada igualando a reatância do circuito a zero. Assim: 𝑋(ω) = ω𝐿 − 1ω𝐶 = 0 .: ω0 = 1 𝐿𝐶 ELE031 Laboratório de Circuitos Elétricos II - Turma L1 - Prof. Carlos Andrey Maia Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG - Escola de Engenharia - Dep. de Engenharia Elétrica Belo Horizonte - 10/01/2022 Outro ponto importante a salientar é que pelas expressões, vemos que a frequência central pode ser deduzida através de uma média geométrica entre as frequências de corte. Para o circuito simulado, para uma frequência variável , temos como função de transferência,𝑓 utilizando a fonte como sinal de entrada, e a tensão do resistor de 1kΩ como saída: (33)𝐻(𝑠) = 𝑠𝑅 2 𝐶 1 𝐿 1 𝐶 1 𝑠2+𝑠𝐶 1 (𝑅 1 +𝑅 2 )+1 Ou ainda: (34)𝐻(ω) = 𝑗ω𝑅 2 𝐶 1 𝑗ω(𝑅 1 +𝑅 2 )𝐶 1 −𝐿 1 𝐶 1 ω2+1 Substituindo , o módulo e a fase𝑠 = 𝑗ω = 𝑗2π𝑓 da função de transferência é dado por: (35)|𝐻(ω)| = ω𝑅 2 𝐶 1 (ω𝐶 1 (𝑅 1 +𝑅 2 )2+(1−𝐿 1 𝐶 1 ω2)2) Ou ainda: |𝐻(ω)| 𝑑𝐵 = 20𝑙𝑜𝑔 ( ω𝑅 2 𝐶 1 (ω𝐶 1 (𝑅 1 +𝑅 2 )2+(1−𝐿 1 𝐶 1 ω2)2) ) (36) Em função da frequência :𝑓 |𝐻(𝑓)| 𝑑𝐵 = 20𝑙𝑜𝑔 ( 2π𝑓𝑅 2 𝐶 1 (2π𝑓𝐶 1 (𝑅 1 +𝑅 2 ))2+(1−𝐿 1 𝐶 1 4π2𝑓2)2) ) (37) Com fase: (38)ϕ(ω) = 90º − 180ºπ 𝑡𝑎𝑛 −1( ω𝐶 1 (𝑅 1 +𝑅 2 ) 1−𝐿 1 𝐶 1 ω2 ) Fornecendo essas equações ao software gráfico GeoGebra, obtemos a resposta em frequência esperada do circuito (figura 26). Figura 26: Curva característica do módulo (em dB) do filtro passa-faixa, fornecido pelo software gráfico GeoGebra. Fonte: Elaboração própria. Para encontrar a frequência de meia potência, igualamos a equação 35 a . Assim:1 2 |𝐻(𝑓 𝑐 )| = 2π𝑓 𝑐 𝑅 2 𝐶 1 (2π𝑓 𝑐 𝐶 1 (𝑅 1 +𝑅 2 ))2+(1−𝐿 1 𝐶 1 4π2𝑓 𝑐 2)2 = 1 2 (39) Após uma minuciosa manipulação matemática encontramos uma equação biquadrada, ou seja, de grau 4, mas com a variável presente apenas em expoentes pares. A equação é mostrada a seguir (40): (40)𝑎𝑥2 + 𝑏𝑥 + 𝑐 = 0 Sendo: 𝑎 = (𝐿 1 2𝐶 1 216π4) 𝑏 = (4π2𝐶 1 2(𝑅 1 + 𝑅 2 )2 − 2𝐿 1 𝐶 1 4π2 − 8π2𝑅 2 2𝐶 1 2) 𝑐 = 1 E, por se tratar de uma equação biquadrada, utilizamos a simplificação . Ao utilizar a𝑥 = 𝑓 𝑐 2 equação de Bhaskara para encontrar as soluções, descartamos as soluções negativas, pois se trata de uma impossibilidade. Assim, encontramos como soluções: e 𝑓 𝑐1 = 2. 06 𝑘𝐻𝑧 𝑓 𝑐2 = 1. 307 𝑘𝐻𝑧 (41) Analisando os valores das frequências de meia potência obtidas, e o gráfico de módulo (figura 26), vemos que estão condizentes, confirmando o método utilizado para determinação. Para o circuito da figura 11, a frequência de ressonância é dada por:𝑓 0 = ω 0 2π ELE031 Laboratório de Circuitos Elétricos II - Turma L1 - Prof. Carlos Andrey Maia Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG - Escola de Engenharia - Dep. de Engenharia Elétrica Belo Horizonte - 10/01/2022 (42) 𝑓 0 = 𝑓 1 𝑓 2 = 1641 𝐻𝑧 Mais uma vez, como realizado anteriormente, obteremos mais uma confirmação dos valores e informações encontrados acima através de simulações sucessivas do circuito da figura 27 para diferentes frequências e posterior análise. Uma simulação interessante é mostrada abaixo (figura 27). Para tal valor de frequência, o circuito se comporta como puramente resistivo. Pode-se verificar tal fato pois a corrente que circula pelo resistor de 1kΩ ( ) é673. 302 𝑚𝑉/1000 Ω = 673. 302 µ𝐴 aproximadamente idêntica a corrente do circuito na ausência dos elementos reativos ( ), ou seja, um erro0. 707 𝑉/1050 Ω = 673. 333 µ𝐴 de menos de 0.01%. Figura 27: Esquemático do filtro passa-faixa na frequência central .𝑓 0 = 1640 𝐻𝑧 Fonte: Elaboração própria. As frequências utilizadas nas simulações não foram igualmente espaçadas ( fixo), pois∆𝑓 utilizaremos uma escala logarítmica. Assim, foram escolhidas frequências aleatórias que permitiram uma boa visualização gráfica da resposta em frequência do circuito. Novamente, foram escolhidos 11 pontos, destes, sendo um a frequência central, e as frequências de meia potência. As frequências utilizadas e os resultados das simulações podem ser observados nas primeiras duas colunas da tabela 3. Assim como utilizado no filtro passa-baixas, a medição da defasagem angular foi realizada através do uso do osciloscópio digital do MultiSim (figura 28). Novamente usamos como exemplo a frequência de ressonância, a partir da imagem vemos que sob a mesma escala (500mV/div) os sinais apresentam-se sincronizados, sem defasagem (T2-T1=0). Figura 28: Osciloscópio digital do filtro passa-faixa, para .𝑓 0 = 1640 𝐻𝑧 Fonte: Elaboração própria. Após repetidas simulações, e conversão de dados temporais em angulares, os resultados foram adicionados à terceira coluna da tabela 3. A seguir (tabela 3), apresentam-se as tabulações dos resultados obtidos para os dois procedimentos de simulação, especificados anteriormente. Tabela 3: Módulo e fase em função da frequência para filtro passa-faixa. Frequência (Hz) Módulo (dB) Fase (º) 164 -26.2 80.5 459.2 -16.7 78.3 754.4 -11.3 78.2 1049.6 -6.6 67.3 1307 -2,73 33.9 1640 -0.0 0 2060 -2,8 -44.9 3000 -9.1 -67.5 4592 -14.3 -78.3 7544 -19.2 -77.2 16400 -26.2 -89.5 ELE031 Laboratório de Circuitos Elétricos II - Turma L1 - Prof. Carlos Andrey Maia Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG - Escola de Engenharia - Dep. de Engenharia Elétrica Belo Horizonte - 10/01/2022 Com os dados da tabela 3 em mãos, podemos montar nossos próprios gráficos de módulo e fase da resposta em frequência do circuito. O software utilizado para montar a figura 29 abaixo foi o Excel, usando o tipo de gráfico “Dispersão com linhas retas e marcadores”. Figura 29: Gráfico de Módulo, feito com os dados da tabela 3, no Excel. Fonte: Elaboração própria. Figura 30: Gráfico de Fase, feito com os dados da tabela 3, no Excel. Fonte: Elaboração própria. Obtemos novamente a resposta em frequência do circuito a partir do MultiSim, com a ferramenta “AC Sweep”, para fins comparativos. Segue abaixo (figura 31), o resultado da simulação. A seguir, é apresentado dois gráficos de módulo, um ressaltando a frequência de ressonância (figura 32) através do valor máximo da função, e o outro ressaltando as frequências de corte (figura 31). Utilizando a ferramenta “SET X VALUE” alocamos os cursores para ficarem sob a frequência que desejamos ( ), e 𝑓 𝑐1 = 2. 06 𝑘𝐻𝑧 𝑒 𝑓 𝑐2 = 1. 307 𝑘𝐻𝑧 verificamos a redução de -3dB em módulo. Em seguida, utilizamos outra ferramenta “GO TO NEXT Y MAX” para encontrar o valor da frequência de pico, e encontramos valores compatíveis com os encontrados anteriormente. Figura 31: Simulação AC Sweep, no MultiSim, para filtro passa-faixa, explicitando frequências de meia potência. Fonte: Elaboração própria. Figura 32: Simulação AC Sweep, no MultiSim, para filtro passa-baixas,explicitando a frequência central. Fonte: Elaboração própria. D. Resultados Filtro Rejeita-Faixa O primeiro passo da análise do circuito foi a determinação da função de transferência. Para isso, é necessário encontrar a tensão no canal 2. A equação 43 mostra o resultado. ELE031 Laboratório de Circuitos Elétricos II - Turma L1 - Prof. Carlos Andrey Maia Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG - Escola de Engenharia - Dep. de Engenharia Elétrica Belo Horizonte - 10/01/2022 (43) 𝑉𝑜(𝑠) = 𝑉𝑖(𝑠) * 𝑅2𝑅1 + (𝐿1 // 𝐶1) + 𝑅2 Manipulando essa equação, é possível encontrar a função de transferência, representada pela equação 44 logo abaixo. 𝐻(𝑠) = 𝑅2𝑅1 + (𝐿1 // 𝐶1) + 𝑅2 = 𝑅2 * (𝑠2 * 𝐿1 * 𝐶1 + 1) (𝑠2 * 𝐿1 * 𝐶1 + 1) * (𝑅1 + 𝑅2) + 𝑠𝐿1 (44) Logo em seguida, as expressões de módulo e fase em função da frequência de 2πf foram encontradas. As equações a seguir mostram o módulo. (45) 𝐻(ω) = (−𝑅2 · 𝜔 2 · 𝐿1 · 𝐶1 + 𝑅2)+𝑗(0) [(−𝜔2 * 𝐿1 * 𝐶1 + 1) · (𝑅1 + 𝑅2)] +𝑗(𝜔𝐿1) (46) |𝐻(ω)| = −𝑅2 · 𝜔 2 · 𝐿1 · 𝐶1 + 𝑅2 [(−𝜔2 * 𝐿1 * 𝐶1 + 1) · (𝑅1 + 𝑅2)]2 + (𝜔𝐿1)2 𝐻(𝑓)| | 𝑑𝐵 = 20𝑙𝑜𝑔( −𝑅2 · 𝜔 2 · 𝐿1 · 𝐶1 + 𝑅2 [(−𝜔2 * 𝐿1 * 𝐶1 + 1) · (𝑅1 + 𝑅2)]2 + (𝜔𝐿1)2 ) (47) Enquanto a equação 48 mostra a fase. 𝐻(𝑓)| | =− 𝑡𝑎𝑛−1( 𝜔𝐿1 [(−𝜔2 * 𝐿1 * 𝐶1 + 1) · (𝑅1 + 𝑅2)] ) (48) O próximo passo foi determinar as frequências centrais e de corte. Para isso, seguem as equações abaixo. (49) 1 2 = −𝑅2 · 𝜔 2 · 𝐿1 · 𝐶1 + 𝑅2 [(−𝜔2 * 𝐿1 * 𝐶1 + 1) · (𝑅1 + 𝑅2)]2 + (𝜔𝐿1)2 Após várias manipulações matemáticas, obtém-se uma equação biquadrada, ou seja, de grau 4, mas com a variável presente apenas em expoentes pares. A equação 50 mostra o resultado. (50) 𝑎𝑥2 + 𝑏𝑥 + 𝑐 = 0 Sendo: 𝑘 = (𝑅 1 + 𝑅 2 )2 𝑎 = (𝐿 1 𝐶 1 )2(2𝑅 2 2 − 𝑘) 𝑏 = (− 4𝑅 2 2𝐿 1 𝐶 1 − 𝐿 1 2 + 2𝑘𝐿 1 𝐶 1 ) 𝑐 = (2𝑅 2 2 − 𝑘) Novamente, por se tratar de uma equação biquadrada, foi utilizado a simplificação .𝑥 = 𝑓 𝑐 2 Ao utilizar a equação de Bhaskara para encontrar as soluções, descartam-se as soluções negativas, pois se trata de uma impossibilidade. Assim, a equação 51 mostra os valores encontrados e𝑓 𝑐1 = 4, 2 𝑘𝐻𝑧 𝑓 𝑐2 = 665 𝑘𝐻𝑧 (51) Então, calculado a frequência de ressonância, encontra-se o seguinte valor, evidenciado pela equação 52. (52) 𝑓 0 = 1 𝐿𝐶 = 1 200 * 47 * 10−12 = 1642 𝐻𝑧 Com a simulação do circuito e com os valores de frequência encontrados, é possível variar o valor da entrada, tanto para diminuir como para aumentar, fazendo com que seja possível montar uma tabela com os valores encontrados. A tabela 4 mostra os resultados. Tabela 4: Relações de módulo e fase para o filtro rejeita-faixa com a variação da frequência. Frequência (Hz) Módulo (dB) Fase (°) 164,2 -0,6 -11,3 400,0 -1,4 -27,1 600,0 -2,7 -39,7 800,0 -4,6 -51,6 1000,0 -7,1 -62,4 1642,0 -29,3 -86,8 2000,0 -14,4 78,4 4000,0 -3,3 44,0 6000,0 -1,7 30,3 8000,0 -1,1 22,8 16420,0 -0,6 11,2 Através dos valores obtidos na tabela, gráficos para o módulo e fase foram montados com utilização do excel. A figura 33 mostra o gráfico gerado para o módulo e a figura 34 para a fase. ELE031 Laboratório de Circuitos Elétricos II - Turma L1 - Prof. Carlos Andrey Maia Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG - Escola de Engenharia - Dep. de Engenharia Elétrica Belo Horizonte - 10/01/2022 Figura 33: Gráfico de módulo do circuito rejeita-faixa, no Excel. Fonte: Elaboração própria. Figura 34: Gráfico de fase do circuito rejeita-faixa, no Excel. Fonte: Elaboração própria. Por fim, com o auxílio de uma ferramenta do próprio software de simulação, é possível determinar a resposta em frequência tanto para módulo como para fase automaticamente. A figura 35 mostra o resultado. Figura 35: Resposta em frequência do circuito rejeita-faixa. Fonte: Elaboração própria. Novamente, com essa ferramenta é possível observar o gráfico muito mais claramente, devido aos benefícios que esse programa entrega. Análise de resultados e conclusão As análises dos resultados e conclusões foram realizadas individualmente. A. Aluno 1 A análise das figuras 1, 20 e 21 do circuito passa-baixas, entre uma década antes e uma década depois, revela que o gráfico de fase (com eixo de frequências em escala logarítmica) se aproxima de uma reta com declinação de -45º/dec, como estamos acostumados a simplificar. Analogamente para o módulo (mesmo com suas imperfeições), temos que a resposta em frequência pode ser aproximada por uma reta sem inclinação até a frequência de corte, seguida por uma reta com inclinação -20 dB/dec. A imperfeição do gráfico de fase do filtro passa baixas (gráfico com um “platô” em -78º) atribuímos à resolução limitada de informação do osciloscópio, ELE031 Laboratório de Circuitos Elétricos II - Turma L1 - Prof. Carlos Andrey Maia Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG - Escola de Engenharia - Dep. de Engenharia Elétrica Belo Horizonte - 10/01/2022 ao selecionar automaticamente o valor máximo, pois não houve nenhum arredondamento/truncamento intermediário que pudesse deturpar o valor final. No entanto, verifica-se que fomos capazes de montar realmente um filtro, que elimina/atenua frequências altas (superiores à frequência de corte), e deixa passar sem atenuação as demais. Deve-se salientar que o simples acréscimo de uma não-idealidade como a resistência parasítica da fonte de alimentação dos circuitos discutidos neste presente relatório, modificou as respostas em frequência fornecidas como padrão pelo professor no roteiro, requisitando para todos os circuitos, a dedução das fórmulas informadas pelo mesmo, e a dedução das fórmulas adequadas ao circuito trabalhado. Pela análise das equações 37 e 47, torna-se claro a alta complexidade e cuidado desenvolvida por nós, alunos, para realização do documento. Novamente, a obtenção de gráficos, função de transferência entre outros dados relevantes foi alcançada com um alto nível de qualidade, e com diferentes fontes, ou seja, uma informação sólida e muitas vezes ratificada, estando em coerência com as simulações computacionais em calculadoras gráficas e em softwares de simulação próprios para circuitos. Tal fato não se verifica exclusivamente para um tipo único de filtros, mas sim, todos os desenvolvidos no experimento. Analogamente ao processo feito anteriormente, o gráfico obtido no Excel para o filtro passa altas é equivalente ao formato tradicional de simplificação da resposta em frequência real pela aproximação por retas: a banda passante se aproxima de uma reta sem inclinação, iniciada na frequência de corte e se estendendo até o infinito, e uma reta com inclinação -20 dB/déc antes da frequência de corte. Da mesma forma para fase, que entre uma década antes da frequência de corte e uma década depois, a curva se assemelha a uma reta, com declinação -45º/déc. Para o filtro passa faixa, vimos que foi possível obter a frequência de ressonância/central a partir de duas equações distintas, o que ratifica ainda mais o valor obtido. Além disso, na tabela 3 vemos a não idealidade atrapalhando a obtenção do resultado esperado: nas frequências de corte, não foi obtido o módulo de -3 dB, exatamente com o numeral três, mas próximo. Como se trata de um passa-faixa, vemos que entre as frequências de corte se encontram os sinais com menor atenuação, com ápice na frequência de ressonância, cujo módulo não foi alterado (0 dB). Entre as frequências de corte, há a alteração dos sinais no circuito: a corrente que estava adiantada em relação a tensão, se torna atrasada em relação a mesma, alternando o sinal da defasagem no gráfico. Vimos também, que o gráfico é aproximadamente simétrico, ou seja, uma década a mais e uma década a menos na frequência central é responsável por uma atenuação de pouco mais de 25 dB, e assim como outras frequências geometricamente distribuídas ao redor da frequência central. Damesma forma, o filtro rejeita faixa revelou-se adequado, de forma que suas equações, gráficos e simulações foram todos ao encontro, permitindo assim, uma solidificação do tema. O rejeita faixa possui resposta complementar ao filtro passa faixa. São tão complementares que um se trata de circuito RC série, e o outro RC paralelo, cuja mesma expressão é utilizada para encontrar a frequência de ressonância. Assim, o rejeita faixa possui banda passante larga, com uma depressão em uma pequena banda de frequências, chamada de banda de rejeição, a qual sofre atenuação da informação. A frequência de ressonância é o auge da resposta do filtro, onde todo sinal de tensão fica retido nas cargas reativas, reduzindo assim a saída no resistor. A frequência de ressonância em circuitos de segunda ordem, é um fenômeno muito interessante de ser estudado, porém muito perigoso na prática, e por isso, costuma ser evitado. Isso acontece pois nessa situação, sobretensões e sobrecorrentes acontecem no circuito, ocasionando degradação de componentes (danos devidos a sobrecorrente e efeito joule, e sobretensões cujos dispositivos não estão especificados para trabalhar em tal regime), aumentando o risco de explosão de capacitores, fusão de fios, etc. B. Aluno 2 A realização da primeira parte serviu como pontapé inicial das simulações de circuitos para seleção de frequência, envolvendo os dois tipos de filtros de primeira ordem, sendo eles o passa-baixas e o passa-altas, com o objetivo de analisar, principalmente, as principais características entre esses dois modelos. Quando se trata do filtro passa-baixas, percebe-se através do nome que a seleção será feita em baixas frequências, claramente vistas nas imagens mostradas que quanto maior a frequência, menor a magnitude, ou seja, o circuito cumpriu com seu papel. Podendo observar nitidamente através das contas e tabelas a variação desses valores. Em relação ao filtro passa-altas, como o próprio nome já diz, será o contrário do anterior, fazendo com que em frequências menores, a magnitude esteja baixa, e conforme aumenta-se a frequência, a magnitude também aumenta. Os gráficos mostram perfeitamente isso acontecendo, além de que através da tabela é possível observar essa variação. ELE031 Laboratório de Circuitos Elétricos II - Turma L1 - Prof. Carlos Andrey Maia Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG - Escola de Engenharia - Dep. de Engenharia Elétrica Belo Horizonte - 10/01/2022 Os valores encontrados pelas simulações e medições estavam de acordo com o esperado, e validaram diversas relações mostradas previamente. Além de que, por envolver simulações tanto para passa-baixas como para o passa-altas, foi possível observar ambos modelos funcionando em cada tipo de circuito. O protagonismo da segunda parte é a mudança de circuitos de primeira ordem para circuitos de segunda ordem, com o objetivo da seleção de frequência, sendo eles o passa-faixa e o rejeita-faixa. Por se tratar de circuitos de segunda ordem, tanto o indutor como o capacitor são utilizados em ambos circuitos, no primeiro em série e no segundo em paralelo, provocando as diferentes variações entre eles. O filtro de passa-faixa atua para selecionar um alcance pré estipulado durante a determinação do circuito. Esse primeiro modelo possui seus componentes em série, e através da visualização das imagens percebe que quanto mais distante o valor da frequência dessa faixa, a magnitude diminui, e conforme a frequência se aproxima do valor, a magnitude aumenta. Com a mudança do indutor e capacitor em série para paralelo, forma-se o filtro rejeita-faixa, que possui objetivo contrário ao anterior, que é basicamente de não aceitar frequências de uma faixa de valores estabelecida. Sendo assim, o gráfico passa a ser o inverso, tendo a magnitude elevada quão mais longe a frequência estiver dos valores selecionados, e diminui conforme se aproxima. A partir das diversas análises de cada experimento, conclui-se que a realização desse relatório no modelo à distância torna-se muito mais fácil, visto que pode-se colocar quaisquer valores para os componentes, facilitando o processo experimental. Caso fosse necessário a realização prática, seria importante buscar por valores comerciais. É válido comentar que para o caso específico dos modelos de segunda ordem o cálculo da frequência de ressonância é o mesmo para ambos. Como os valores dos componentes, indutor e capacitor, não mudaram, o resultado foi o mesmo, e a faixa de aceitação ou rejeição foi a mesma. Conforme demonstrado durante todo o relatório, todos os resultados simulados estavam de acordo com os calculados, evidenciando que todo o processo experimental ocorreu bem. Vale lembrar que eventuais diferenças minimamente pequenas podem surgir do processo de arredondamento tanto manual, na parte dos cálculos, como virtual, na parte das simulações no software. Por se tratar de pequenas casas decimais, não prejudica nada o entendimento das práticas. Pode-se dizer que a realização desse relatório foi concluída com sucesso, e que todo conhecimento teórico e prático foi absorvido. Referências [1] Alexander CK, Sadiku MNO. Fundamentos de Circuitos Elétricos. Quinta Edição. Porto Alegre: AMGH, 2013. [2] Material didático disponibilizado pelo professor Carlos Andrey Maia durante as aulas. [3] http://www.cpdee.ufmg.br/~palhares/aula12_csl. pdf
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