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DESCRIÇÃO Conceitos básicos de circuitos ressonantes e �ltros, formulação de �ltros passa-baixa, �ltros passa-alta, �ltros de banda de passagem e �ltros de banda de rejeição, identi�cação dos diagramas de Bode. PROPÓSITO Compreender os aspectos gerais de circuitos ressonantes dos diferentes tipos de �ltros e os diagramas de Bode, ferramentas de suma importância para construção de equipamentos eletrônicos. PREPARAÇÃO Antes de iniciar o conteúdo deste tema, tenha em mãos uma calculadora cientí�ca. Além disso, sugerimos que pesquise a tabela de transformada de Laplace na internet ou em qualquer livro de cálculo diferencial, de equações diferenciais ordinárias e parciais. Por �m, pesquise e baixe a versão demo gratuita do simulador de circuitos LTspice. OBJETIVOS Módulo 1 Identi�car os aspectos gerais dos �ltros passa-baixa e passa- alta de primeira ordem e seus respectivos diagramas de Bode Módulo 2 Identi�car os aspectos gerais de circuitos ressonantes e �ltros de segunda ordem INTRODUÇÃO MÓDULO 1 Identi�car os aspectos gerais dos �ltros passa- baixa e passa-alta de primeira ordem e seus respectivos diagramas de Bode Aspectos gerais dos �ltros passa-baixa e �ltros passa-alta Os circuitos eletrônicos estão presentes em nosso dia a dia, e o uso de aparelhos eletrônicos tem crescido cada vez mais devido ao conforto que nos propiciam. Todavia, circuitos eletrônicos podem ser complexos do ponto de vista teórico; assim, para conseguir compreendê-los, faremos uso de duas poderosas ferramentas: a transformada de Laplace e o conceito da função de transferência. Ao aplicar um sinal senoidal de amplitude constante na entrada de um circuito, este terá um sinal resultante em sua saída. Se a frequência deste sinal de entrada for alterada, as características da sua resposta (sinal de saída) também serão alteradas. Para entender melhor, é importante recordar que a variável s na transformada de Laplace consiste na frequência complexa: Na qual o parâmetro σ corresponde ao coe�ciente da exponencial e ω a frequência angular. No estudo de circuitos de corrente alternada, utiliza-se o diagrama fasorial, onde um sinal a senoidal de amplitude constante é representado por meio de uma exponencial complexa, cujo coe�ciente corresponde a: Reunindo os conhecimentos até aqui explorados, sem a intenção de se aprofundar matematicamente, o comportamento do circuito em função da frequência é de�nido por: Em que |H(jω)| corresponde ao ganho em amplitude e ∠H(jω) à variação de fase que o circuito causa no sinal senoidal de entrada. Desse modo, é importante projetar um circuito de forma que a sua função de transferência seja capaz de fornecer uma resposta com um comportamento adequado em função das frequências desejadas e indesejadas para um circuito. O �ltro ideal (Figura 1), apesar de ser irrealizável (pode-se mostrar matematicamente que este �ltro fere o princípio da causalidade), nos mostra o conceito básico de um �ltro. Clique nas setas para ver o conteúdo. No �ltro passa-baixa (Figura 1a), por exemplo, todo o sinal com frequência inferior a ω é replicado na saída do �ltro com mesma amplitude do sinal de entrada, enquanto sinais com frequência superior a ω são anulados. Além da resposta da amplitude, a resposta da fase é fundamental. Um �ltro ideal possui a fase variando de forma linear no tempo, pois isso resulta em um atraso temporal constante, impedindo a distorção de atraso. Isto �ca evidente ao olhar a resposta senoidal: c c Em que e Se , sendo , então Com isso em mente, neste módulo apresentaremos os �ltros de primeira ordem e uma técnica para esboçar a amplitude da função de transferência em função da frequência (diagramas de bode). DEMONSTRAÇÃO A função de transferência de um circuito formado apenas pelos elementos básicos de circuito é composta pela razão de dois polinômios: Que pode ser reduzido a: Figura 1 (a) a) Filtro passa-baixa Figura 1 (b) b) Filtro passa- Em que O comportamento em frequência é encontrado ao substituir s = jω, resultando em: A amplitude em função da frequência é dada pelo módulo da função de transferência: E a fase é dada pelo seu argumento: É importante ressaltar que a amplitude convencionalmente é indicada em decibéis (dB), ou seja: Dessa maneira, podemos ver os polos (denominador) como um ponto de in�exão da curva de amplitude para baixo e os zeros (numerado) como um ponto de in�exão para cima. Para melhor ilustrar, vejamos o �ltro passa-baixa de primeira ordem. O �ltro passa-baixa consiste em um circuito cuja função de transferência é capaz de deixar passar sinais com frequências menores para a saída e anular os sinais com frequências mais altas. O �ltro passa-baixa de primeira ordem é o mais simples e possui a seguinte função de transferência: Em que ω corresponde à frequência na qual a amplitude do sinal é reduzida por um fator de , sendo denominada de frequência de corte. Ou seja, considera-se que esse �ltro deixa passar qualquer frequência abaixo de ω , , e anula sinais com frequências maiores que ω , . c c c A amplitude, em decibéis, em função da frequência é dada por: E a fase é dada pelo seu argumento: Esse �ltro pode ser construído de forma simples pelos circuitos da Figura 2. Clique nas setas para ver o conteúdo. Figura 2 (a) Figura 2 (b) Os diagramas de Bode do �ltro passa-baixa de primeira ordem, ou seja, as curvas que ilustram a variação de amplitude e fase da função de transferência em função da frequência compõem a Figura 3. Figura 3. A amplitude na frequência de corte, ω , pode ser calculada da seguinte forma:c De forma análoga, pode-se calcular o valor da metade e do dobro da frequência de corte. A função de transferência da Figura 2(a) corresponde a: A função de transferência da Figu Para determinar as assíntotas considera-se: Em decibéis: Fica evidente uma inclinação para baixo a partir de ω com decaimento de -20 dB/década.c Se calcularmos também o valor das assíntotas para a metade e o dobro da frequência de corte obteremos: Na frequência de corte, ω , a curva encontra-se aproximadamente -3 dB abaixo das assíntotas, e tanto a metade quanto o dobro de ω estão a -1 dB das assíntotas. c c Essas assíntotas ajudam na confecção do esboço da curva de amplitude em decibéis, sendo bastante útil quando existem múltiplos polos e zeros pertencentes aos Reais e su�cientemente espaçados entre si. Concluído a análise do �ltro passa-baixa de primeira ordem, que corresponde ao grá�co de um polo isolado, cabe ressaltar o seu dual. Um circuito que fosse formado somente por um zero em ω teria características semelhantes, mas se comportando de forma espelhada em relação ao eixo horizontal (espelho), isto é, a curva de amplitude iniciaria em zero e cresceria a partir de ω . Da mesma forma, a curva da fase iniciaria em 0° e cresceria até 90°. c c Pode-se montar o diagrama de Bode da amplitude de uma função de transferência como composição das curvas referente a cada polo ou zero. A Figura 4 apresenta um exemplo de representação do diagrama de Bode de amplitude de determinada função de transferência. Clique na barra para ver as informações. EXEMPLO Como resultado prático dessa composição de curvas de polos e zeros, tem-se o �ltro passa-alta, que consiste em um circuito cuja função de transferência é capaz de deixar passar sinais com frequências maiores para a saída e anular os sinais com frequências menores. O �ltro passa-alta de primeira ordem é o mais simples e possui a seguinte função de transferência: Em que ω corresponde à frequência na qual a amplitude do sinal é reduzida por um fator de , sendo denominada de frequência de corte. Ou seja, considera-se que esse �ltro deixa passar qualquer frequência acima de ω , ω > ω , e anula sinais com frequências menores que ω , ω < ω . c c c c c A amplitude, em decibéis, em função da frequência é dada por: E a fase é dada pelo seuargumento: Esse �ltro pode ser construído de forma simples pelos circuitos das Figura 5. Clique nas setas para ver o conteúdo. Os diagramas de Bode do �ltro passa-baixa de primeira ordem, ou seja, as curvas que exibem a variação de amplitude e fase da função de transferência em função da frequência compõem a Figura 6. Figura (6a) Figura (6b) Com a Figura 6a, percebe-se que a presença do zero da função transferência em zero (na origem) consiste em uma ascendente de 20 dB/década, que ao ser somada (o produto em valores absolutos se transforma em soma em decibéis devido ao efeito do logaritmo) com a porção constante em 0 dB, torna a curva ascendente nesta Figura 5a A função de transferência da Figura 5a corresponde a: Figura 5b A função de transferência da Figu porção, e ao ser somada com a porção maior que ω , anula o efeito descendente de valor -20 dB/década. Este mesmo zero, provoca o acréscimo de 90° na fase, uma vez que o numerador é composto apenas por um imaginário puro, s = jω. c Atenção Toda a análise deste módulo foi realizada em função da frequência angular, ω. Porém não devemos esquecer que existe uma relação da frequência angular (unidade em rad/s) com a frequência real, f (unidade em Hz): MÃO NA MASSA 1. Determine a frequência de corte do �ltro da Figura E.1, em que R = 1 kΩ e C = 1 μF? Figura E.1 ω = 1000 rad/scA) ω = 1 rad/scB) ω =0,001 rad/scC) ω = 100 rad/scD) Comentário A alternativa "A" está correta. Solução: 2. Determine a função de transferência que corresponde ao diagrama das assíntotas da curva de amplitude da Figura E.2. Figura E.2 Comentário A alternativa "B" está correta. ω = 0,1 rad/scE) A) B) C) D) E) Veja, a seguir, a resolução da questão: 04:37 3. Determine o valor aproximado da amplitude real na frequência angular 20 rad/s para a função de transferência cujo diagrama das assíntotas da curva de amplitude está representado na Figura E.2. Figura E.2 A) Comentário A alternativa "D" está correta. Solução: Inicialmente, vamos calcular o valor do ponto de quebra em 20 rad/s. Entretanto, a curva real �ca 3 dB abaixo do ponto de quebra das assíntotas, logo: 4. Determine o valor aproximado da fase na frequência angular 20 rad/s para a função de transferência cujo diagrama das assíntotas da curva de amplitude está representado na Figura E.2. Figura E.2 B) C) D) E) A) B) C) Comentário A alternativa "D" está correta. Solução: A função de transferência correspondente é: 5. Determine o valor dos elementos passivos no circuito da Figura E.3 abaixo, considerando a curva das assíntotas da amplitude corresponder a Figura E.2 demonstrada na questão anterior, sabendo que L = 1 H Figura E.3 D) E) A) B) C) D) E) Comentário A alternativa "A" está correta. Solução: A função de transferência da Figura E.2 corresponde a: A função de transferência da Figura E.3 corresponde a: Resposta letra A. 6. Sobre o comportamento da fase em função da frequência do �ltro passa-alta de primeira ordem é correto a�rmar que? Responder TEORIA NA PRÁTICA Na frequência de corte a fase é -45°.A) A fase possui um comportamento crescente com a frequência.B) A fase 26,6° corresponde à metade da frequência de corte.C) A fase tende a 0° para frequência cujo valor seja muito maior que a frequência de corte.D) Na frequência de corte a fase é 0° .E) Suponha que você �cou responsável por projetar um �ltro passa-baixa de primeira ordem com elementos passivos que antecede a amostragem do sinal de voz. Sabendo que o amostrador é representado por uma resistência de 50 Ω, determine o valor do elemento reativo conectado em série que compõe o �ltro. O ouvido humano é capaz de ouvir sons nas faixas de frequência que variam de 20 Hz a 20 kHz. Entretanto, precisa-se apenas da faixa de 300 Hz a 3,4 kHz para que seja capaz de reconhecer as palavras emitidas por um interlocutor. O sistema de comutação de telefonia �xa faz uso dessa limitação em frequência. O sinal analógico da fala é amostrado a uma taxa de amostragem de 8 kHz (o Teorema de Nyquist, da Teoria da Amostragem, diz que a frequência de amostragem deve ser pelo menos o dobro da frequência máxima do sinal a ser amostrado para que se evite o fenômeno do aliasing) e quantizado em 8 bits (256 níveis), resultando numa taxa de transmissão de 64 kbps. Clique no botão para ver a resolução. RESOLUÇÃO Valor do elemento reativo conectado em série 06:55 VERIFICANDO O APRENDIZADO 1. Determine o valor aproximado da amplitude real na frequência 5 rad/s do �ltro passa- baixa cujo diagrama das assíntotas da curva de amplitude está representado na Figura E.4, considerando todos os polos e zeros pertencentes ao eixo real. Figura E.4 Comentário Parabéns! A alternativa "D" está correta. Solução: A) B) C) D) E) Um polo causa um ponto de quebra nas assíntotas com uma queda de -20 dB/dec. Como só existe um ponto de quebra e a queda é de -40 dB/dec (o dobro de 1 polo), concluímos que se trata de um polo duplo em -5. Essa função de transferência corresponde à composição de dois �ltros passa-baixa de primeira ordem. Um �ltro passa-baixa de primeira ordem apresenta a curva real a -3 dB do ponto de quebra, então: 2. Determine o valor aproximado da fase na frequência 10 rad/s do �ltro passa-baixa cujo diagrama das assíntotas da curva de amplitude está representado na Figura E.4, considerando todos os polos e zeros pertencentes ao eixo real. Comentário Parabéns! A alternativa "E" está correta. Solução: Essa função de transferência corresponde à composição de dois �ltros passa-baixa de primeira ordem. É solicitado a fase na frequência que corresponde ao dobro da frequência de corte, obtendo-se assim: A) B) C) D) E) Avalie este módulo: MÓDULO 2 Identi�car os aspectos gerais de circuitos ressonantes e �ltros de segunda ordem Aspectos gerais ressonantes e �ltros de segunda ordem No módulo anterior, introduzimos o conceito de �ltro, mostrando como a função de transferência de um circuito afeta a amplitude e a fase de um sinal em função da frequência. Ao explorar a razão desse efeito, vimos que esse fenômeno ocorre devido à ação dos polos e zeros da função de transferência. Isso se deu por meio do cálculo do �ltro passa-baixa de primeira ordem, que serviu como referência para o entendimento do efeito de um polo. A partir do �ltro passa-baixa, esclarecemos como funcionam os efeitos de polos e zeros pertencentes aos Reais, sendo exempli�cado por meio da apresentação do �ltro passa-alta de primeira ordem. Toda essa explanação foi ilustrada por meio dos diagramas de Bode. Neste módulo continuaremos o estudo de �ltros, apresentando o comportamento de �ltros de segunda ordem, com par de polos complexos conjugados, por meio de circuitos ressonantes. DEMONSTRAÇÃO Vamos analisar um circuito ressonante que forma um �ltro passa-baixa de segunda ordem. Tal �ltro tem a função de transferência dada por: ω α ω Um circuito capaz de fornecer função de transferência com este formato é apresentado na Figura 7: Figura 7 Cuja função de transferência é dada por: Em que Os polos desse circuito são determinados pelas raízes do polinômio do denominador da função de transferência da seguinte forma: Resultando em: Em que é denominada frequência natural amortecida e ω corresponde à frequência natural não amortecida. Para 0 < α < ω , existirá um valor de ω real e os polos serão pares complexos conjugados conforme a Figura 8. A Figura 8a ilustra um exemplo de par de polos conjugados, com a relação visual entre , ω e ω . E a Figura 8b ilustra o comportamento dos polos em função da variação de : o o d o d Figura 8(a) esquerda e Figura 8(b) direita. a) Se = 0: par de polos no eixo imaginário e ω = ω , ou seja, s = j.ω b) Se 0 < < ω : par de polos complexos conjugados c) Se = ω : polo duplono eixo real d) Se < ω : polos distintos no eixo real d o 1,2 o o o o Como os polos se alteram em função de , a resposta do circuito é classi�cada quanto a sua variação: Clique nas barras para ver as informações. RESPOSTA SUPERAMORTECIDA RESPOSTA CRITICAMENTE AMORTECIDA RESPOSTA SUBAMORTECIDA Em que é denominado taxa de amortecimento. A existência dos dois elementos reativos, indutância e capacitância, gera os pares de polos complexos conjugados que torna este circuito ressonante, pois, a depender dos valores de , haverá uma faixa de frequência em que a amplitude será acentuadamente maior. O parâmetro que mede a agudeza da ressonância é o fator de qualidade e é de�nido como: A Figura 9 exibe a resposta em amplitude e em fase em função da frequência para diferentes valores de Q. Figura (9a). Figura (9b). Diante do comportamento ressonante, é importante identi�car alguns pontos para se ter domínio sobre a resposta do circuito. Primeiramente, calculamos o valor da amplitude de H(s) em ω = ω :0 Em decibéis: Com isso, o cálculo do valor de Q se torna fundamental, porque ele de�ne o ganho de amplitude na frequência natural não amortecida. Entretanto, ao olhar atentamente, veri�camos, por exemplo, que a amplitude máxima quando Q = 10 é 20,0104 dB e não simplesmente 20 dB. Isso ocorre, pois, apesar de bastante próxima, a frequência de ressonância é diferente da frequência natural não amortecida e pode ser encontrada da seguinte forma: á í Que pode ser reescrita em função da taxa de amortecimento e do fator de qualidade como segue: Fica evidente que a frequência de ressonância é menor que a frequência natural não amortecida. Entretanto, para valores su�cientemente grandes do fator de qualidade, podemos dizer que: O valor real do pico de ressonância é dado por: Como na ressonância a curva sobe além da linha de 0 dB, convém saber em que frequência ela corta essa linha para retomar o seu decréscimo. Para isso, basta fazer: Outro dado importante é determinar até que variação de α evita-se a ressonância. Para isso: A Figura 9a ilustra o resultado calculado, no qual só existe ressonância quando o fator de qualidade é superior ao inverso da raiz quadrada de dois (0,7071 aproximadamente). Havendo ressonância, quanto maior o valor do fator de qualidade, maior o valor do pico de amplitude. Dessa forma, esse �ltro deixou de ser um passa-baixa, e pode-se dizer que ele se comporta como um �ltro seletivo (passa-faixa de banda estreita) com ganho. Assim, é importante determinar os valores de frequência que apresentam uma queda de 3 dB a partir do pico. Quando o circuito é seletivo, ou seja, Q elevado (ξ≪1), o valor das frequências de corte pode ser aproximado, e as raízes extraídas pelos primeiros termos da expansão da série de Taylor, obtendo: Como já demonstrado, para um circuito seletivo, podemos aproximar a frequência de ressonância à frequência natural não amortecida (ω ≅ ω ) e a banda de passagem, ou largura de faixa (diferença entre as frequências de corte) a Δω ≅ 2α. Desse modo, para circuitos ressonantes seletivos, temos: n 0 ê â Por �m, veri�camos o decaimento da amplitude por meio da assíntota, na proporção de -40 dB/década, independente do valor de Q, a partir de ω . Toda a análise realizada no �ltro passa-baixa pode ser aplicada aos demais �ltros com circuito ressonante. O �ltro passa-alta de segunda ordem tem função de transferência dada por: o Um circuito capaz de fornecer função de transferência com este formato é indicado a seguir: Figura 10. Cuja função de transferência é dada por: A Figura 11 apresenta a resposta em amplitude e em fase em função da frequência para diferentes valores de Q. Figura (11a). Figura (11b). O �ltro de banda de passagem (ou passa-faixa) de segunda ordem tem função de transferência dada por: Um circuito capaz de fornecer função de transferência com este formato é ilustrado na Figura 12: Figura 12. Cuja função de transferência é dada por: A Figura 13 exibe a resposta em amplitude e em fase em função da frequência para diferentes valores de Q. Figura (13a). Figura (13b). O �ltro de banda de rejeição de segunda ordem tem função de transferência dada por: Um circuito capaz de fornecer função de transferência com este formato é apresentado na Figura 14. Figura 14. Cuja função de transferência é dada por: A Figura 15 exibe a resposta em amplitude e em fase em função da frequência para diferentes valores de Q. Figura (15a). Figura (15b). MÃO NA MASSA 1. Qual das opções abaixo representa a condição para uma resposta criticamente amortecida? Comentário A alternativa "A" está correta. Solução: Resposta criticamente amortecida: A) B) C) D) E) 2. Qual das opções abaixo representa a condição para que ocorra o fenômeno da ressonância em um �ltro de segunda ordem? Comentário A alternativa "B" está correta. Solução: Para evitar a ressonância temos que: , o que remete a um . Então para que haja ressonância, Q deve ser maior do que 3. Considerando Q = 0,1, o circuito da Figura E.5 corresponde a que �ltro? Figura E.5 A) B) C) D) E) Filtro passa-baixaA) Comentário A alternativa correta é "D". Solução: A função de transferência do �ltro é: 4. Determine o fator de qualidade do �ltro passa-baixa (de segunda ordem) RLC série. Comentário A alternativa "A" está correta. Solução: Filtro passa-baixa RLC série A) Filtro passa-altaB) Filtro passa-faixaC) Filtro rejeita-faixaD) Filtro passa-tudoE) A) B) C) D) E) Cuja função de transferência é dada por: 5. Determine o valor aproximado do ganho do circuito cuja função de transferência é dada por: Comentário A alternativa "E" está correta. Solução: A) B) C) D) E) 6. Determine o valor aproximado da frequência angular de ressonância e a largura de faixa, para o circuito cuja função de transferência é dada por: Comentário A alternativa "D" está correta. Veja, a seguir, a resolução da questão: A) B) C) D) E) TEORIA NA PRÁTICA Os telefones �xos utilizam os tons de duas frequências (Dual-Tone Multi-Frequency, DTMF) na discagem, conforme a Tabela E1. Ao teclar, por exemplo, o número 4, o aparelho envia para a central o batimento de duas frequências, no caso 770 Hz e 1209 Hz. Ao chegar na central, o sinal passa por um banco de �ltros onde é analisado e identi�cada a tecla discada. Determine os valores dos elementos passivos de um circuito RLC série que corresponde a um �ltro passa-faixa de segunda ordem com banda passante de 50 Hz, capaz de identi�car que alguma tecla da coluna do 0 foi discada. Considere L = 1 H Frequência [Hz] 1209 1336 1477 697 1 2 3 770 4 5 6 852 7 8 9 941 * 0 # Tabela E.1 Clique no botão para ver a resolução. RESOLUÇÃO Elementos passivos de um circuito RLC 06:03 VERIFICANDO O APRENDIZADO 1. O circuito da Figura E.6 abaixo corresponde a que �ltro? Figura E.6 Comentário Parabéns! A alternativa "C" está correta. Solução: A função de transferência do �ltro é: 2. Determine os valores da resistência e da indutância de um �ltro que tem como faixa de passagem, 950 Hz e 1050 Hz, cuja função de transferência é dada por: Filtro passa-baixaA) Filtro passa-altaB) Filtro passa-faixaC) Filtro rejeita-faixaD) Filtro passa-tudoE) Considere C = 1 µF Comentário Parabéns! A alternativa "C" está correta. Solução: Avalie este módulo: CONCLUSÃO A) B) C) D) E) CONSIDERAÇÕES FINAIS Ao longo dos módulos aprendemos os princípios básicos acerca da resposta de um circuito em função da frequência. Iniciamos nosso estudo com uma introdução sobre �ltros e, em seguida, apresentamos o comportamento de amplitude e fase dos �ltros passa-baixa e passa-alta de primeira ordem, juntamente à análise da in�uência dos polos e zeros da função de transferência nas curvas resultantes,denominadas diagramas de Bode. Por �m, estudamos o comportamento dos circuitos ressonantes apresentando as variações dos diagramas de Bode para os �ltros passa-baixa, passa-alta, de banda passante e rejeita-faixa em função do parâmetro denominado fator de qualidade. PODCAST 0:00 5:34 REFERÊNCIAS CLOSE, Charles M. Circuitos lineares. 2 ed. Rio de Janeiro: LTC, 1990. SVOBODA, J.; DORF, R. Introdução aos Circuitos Elétricos. 9 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. EXPLORE+ Para saber mais sobre os assuntos tratados neste tema, leia o artigo: https://stecine.azureedge.net/repositorio/introducao_aos_circuitos_seletivos_em_frequencia/index.html CARLIN, N. et al. Estudo de �ltros RC para baixas e altas frequências por meio de um circuito para superposição de sinais. Revista Brasileira de Ensino de Física, São Paulo, v. 32, n. 1, jan./mar. 2010. CONTEUDISTA Rafael Rocha Heymann Currículo Lattes Ao clicar nesse botão, uma nova aba se abrirá com o material preparado para impressão. 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