612061088-UC05-Filtros-passivos

Prévia do material em texto

<p>82 AUTOMAÇÃO E MECATRÔNICA INDUSTRIAL 2.6 FILTROS Filtros são limitadores que permitem a passagem de alguns elementos desejáveis, retendo elementos indesejáveis. Quando usamos um filtro para filtrar água, deixamos passar a água, procurando reter as impurezas. Na eletrônica, os filtros são basicamente aplicados aos sinais elétricos representados pelas grandezas de tensão, corrente e frequência, permitindo que sinais sejam bloqueados ou separados. 2.6.1 FILTRO PASSIVO Um Filtro passivo é um tipo de filtro construído com resistores, capacitores e indutores e, geralmente, são elementos de baixo custo e com resultados satisfatórios. Filtros passivos são aplicados em sistemas de áudio para separar os sinais de alta frequência (mais agudos) dos de baixa frequência (mais graves). Filtros também são usados em linhas de alimentação, na rede de corrente alternada, para evitar que ruídos elétricos interfiram no funcionamento dos equipamentos. Um exemplo de filtro passivo é o utilizado em uma fonte de alimentação com transformador, onde a corrente alternada é reduzida a um nível de tensão menor, e posteriormente retificada, porém ainda com um ripple (ondulação). Esse ripple precisa ser filtrado, para que o resíduo da frequência de entrada desapareça. É aplicado, então, um filtro capacitivo, reduzindo a ondulação significativamente (FIGURA 87). DIODOS - RETIFICADORES Corrente V+ alternada Corrente CAPACITOR contínua GND V V V V + + t t t - Figura 87 - Filtro com capacitor, aplicado e fontes para diminuição do "ripple" Fonte: SENAI - RS Nos sistemas de comunicação, com correntes e tensões menores, filtros passivos podem ser uma solução simples e de baixo custo para eliminar sinais indesejados. Como a maioria dos filtros são aplicados no domínio da frequência, nos ateremos aos seguintes tipos: a) passa baixa somente deixa passar frequências abaixo de um valor. b) passa alta - somente deixa passar frequência acima de um valor. c) passa faixa- somente deixa passar frequências em uma determinada faixa. d) rejeita faixa bloqueia a passagem de frequências específicas. É importante observar que, nos filtros supracitados, o funcionamento real não é igual ao funcionamento ideal, pois os filtros atenuam as frequências indesejadas, mas não as eliminam por completo.</p><p>2 ELETRÔNICA ANALÓGICA 83 A resposta de um filtro geralmente é representada por um gráfico, conforme a Figura 88. frequência de corte 70,7% sinal indesejado sinal desejado frequência Figura 88 Gráfico da Intensidade de sinal Frequência Fonte: SENAI RS A eficiência do filtro pode variar devido a seus aspectos construtivos. Os filtros passivos tendem a ser menos eficientes que os filtros ativos, mas seu custo e simplicidade justifica a aplicação na maioria das situações. Melhores respostas em filtros passivos também podem ser obtidas com a realização de combinações entre mais de um filtro simples. Quando dois filtros são combinados, obtemos uma curva mais íngreme após o valor de corte. Chamamos a combinação destes dois filtros de filtro de segunda ordem. Aplicando um terceiro filtro, a curva apresenta uma queda ainda mais acentuada e o chamamos de filtro de terceira ordem. No entanto, a cada"camada" adicionada ao filtro há uma perda considerável na intensidade do sinal para filtros passivos. Cabe a quem projeta o circuito dimensionar o filtro mais adequado para a aplicação. Vamos, agora, estudar a aplicação de um filtro utilizado para eliminar ruídos de alta frequência em um sensor digital de velocidade. Embora haja mais de uma configuração de circuito possível para um filtro passivo, nos ateremos a configurações mais comuns para este primeiro nível de estudo. Segue a implementação de um filtro Passa Baixa (FIGURA 89) de primeira ordem, utilizado para eliminar ruídos de alta frequência em um sinal de um sensor que conta pulsos gerados pela polia de um motor. A frequência máxima destes pulsos é de 200 Hz, e este circuito foi dimensionado para eliminar sinais com frequências superiores a esta. R 1 Frequência de corte : C 2..R.C Figura 89 - Filtro passa baixa Fonte: SENAI RS Portanto, para 200 Hz, temos: = Então, para obter a frequência de corte de 200 Hz, o resistor é dado por 0,000796 / C. Por exemplo, com um capacitor de 33uF, temos um resistor de 0,000796 / 0,000033F = 24,12 Usando valor comercial de a frequência de corte pode ser recalculada para o valor pouco superior a 219 Hz. Acima desta frequência, os sinais serão atenuados, e quanto maior a frequência do sinal, mais ele será atenuado.</p><p>84 AUTOMAÇÃO E MECATRÔNICA INDUSTRIAL Em situações de sinais de alta velocidade, em frequências mais elevadas, podemos ter problemas devido a ruídos gerados principalmente pela rede de corrente alternada (no Brasil, 60Hz), que pode causar alterações nas informações enviadas. Nestas situações, a aplicação de filtros Passa Alta permite eliminar ruídos abaixo de uma frequência específica (FIGURA 90). Vin Vout R O Figura 90 Filtro passa alta Fonte: SENAI RS Neste tipo de ligação, os sinais de baixa frequência (abaixo da frequência de corte: f) são atenuados. A frequência de corte é definida pela fórmula a seguir. Para situações em que é necessário filtrar sinais acima e abaixo de uma determinada frequência, pode ser implementado um circuito de passa-faixa, que atenua sinais acima e abaixo de um determinado nível de frequência (FIGURA 91). Vin C L Vout R Figura 91 - Filtro passa-faixa, usando capacitor, indutor e resistor Fonte: SENAI RS Neste tipo de filtro não buscamos a frequência de corte, e, sim, a frequência de ressonância, onde o sinal não será atenuado. Ela pode ser calculada segundo a fórmula a seguir. 1 Onde L é o valor do indutor, em henry. Em um filtro rejeita-faixa, o objetivo é atenuar o sinal justamente em uma frequência específica, deixando passar sinais acima e abaixo da faixa definida (FIGURA 92). Vin C Vout L R Figura 92 Filtro rejeita-faixa, também conhecido como rejeita-banda Fonte: SENAI RS</p><p>2 ELETRÔNICA ANALÓGICA 85 Devemos observar que os filtros passivos acabam por atenuar o sinal, não só do sinal que desejamos filtrar, mas também do sinal que deve passar, necessitando de uma etapa de amplificação em casos de sinais mais fracos. Outro fator importante é a condição de atenuação para frequências próximas à zona de corte, que ainda permite uma significativa passagem de sinais em casos de filtros de primeira ordem. É sugere, portanto, a implementação destes filtros somente em situações menos críticas, com o intuito de melhorar o sinal e reduzir interferências. Em situações mais críticas, em filtros aplicados a sinais de baixa corrente e tensão, é recomendado o uso de amplificadores operacionais para a construção dos filtros, a que chamamos de filtros ativos. 2.6.2 FILTRO ATIVO Seguimos agora com configurações mais utilizadas de amplificadores operacionais para filtros de frequência. Para os filtros que seguem, o ganho pode ser configurado pela fórmula: No caso do filtro passa baixa, serão atenuados sinais acima da frequência de corte (FIGURA 93). Ra V+ Amp-op Saída + C1 Figura 93 Filtro passa-baixa Fonte: SENAI RS No caso do filtro passa alta, serão atenuados sinais abaixo da frequência de corte (FIGURA 94). C1 + Figura 94 Filtro passa-alta Fonte: SENAI RS</p>