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Análise de Circuitos Eletrônicos Material Teórico Responsável pelo Conteúdo: Prof. Esp. Elvis Luiz dos Santos Revisão Textual: Prof.ª Dr.ª Selma Aparecida Cesarin Filtros Ativos • Tipos e Características Gerais; • Implementação com Amp-Ops: Filtros Rc Ativos; • Simulação Computacional. • Reconhecer os fi ltros e seu funcionamento. OBJETIVOS DE APRENDIZADO Filtros Ativos Orientações de estudo Para que o conteúdo desta Disciplina seja bem aproveitado e haja maior aplicabilidade na sua formação acadêmica e atuação profissional, siga algumas recomendações básicas: Assim: Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte da sua rotina. Por exemplo, você poderá determinar um dia e horário fixos como seu “momento do estudo”; Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma alimentação saudável pode proporcionar melhor aproveitamento do estudo; No material de cada Unidade, há leituras indicadas e, entre elas, artigos científicos, livros, vídeos e sites para aprofundar os conhecimentos adquiridos ao longo da Unidade. Além disso, você tam- bém encontrará sugestões de conteúdo extra no item Material Complementar, que ampliarão sua interpretação e auxiliarão no pleno entendimento dos temas abordados; Após o contato com o conteúdo proposto, participe dos debates mediados em fóruns de discus- são, pois irão auxiliar a verificar o quanto você absorveu de conhecimento, além de propiciar o contato com seus colegas e tutores, o que se apresenta como rico espaço de troca de ideias e de aprendizagem. Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte Mantenha o foco! Evite se distrair com as redes sociais. Mantenha o foco! Evite se distrair com as redes sociais. Determine um horário fixo para estudar. Aproveite as indicações de Material Complementar. Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma Não se esqueça de se alimentar e de se manter hidratado. Aproveite as Conserve seu material e local de estudos sempre organizados. Procure manter contato com seus colegas e tutores para trocar ideias! Isso amplia a aprendizagem. Seja original! Nunca plagie trabalhos. Unidade Filtros Ativos Tipos e Características Gerais Para muitos de nós da Área Técnica, o elemento filtro é bastante citado em conversas, cursos e estudos, pois em quase todos os Sistemas Eletrônicos existe algum tipo de filtro. No campo das Telecomunicações e da Instrumentação In- dustrial, por exemplo, os filtros têm presença acentuada. O filtro elétrico é um quadripolo capaz de atenuar determinadas frequências contidas em um sinal e permitir a passagem de outras. Os filtros ativos são construídos com elementos passivos conectados a ele- mentos ativos como transistores e amplificadores operacionais. Os primeiros filtros ativos foram construídos com válvulas que consumiam potência elevada e geravam grande quantidade de ruídos, com baixo ganho. A segunda geração de filtros ativos foi desenvolvida com o uso de transistores que possuíam baixo consumo de energia e menores níveis de ruídos, mas mesmo assim ainda não eram o ideal para a aplicação em algumas áreas e para isso foi desenvolvida a terceira geração, que utiliza como elemento ativo os amplificadores operacionais ou AO, que possuem características técnicas que conferem a eles altíssimo desempenho quando aplicados nos filtros ativos. São elas: alta impedância de entrada e baixa impedância de saída. Os filtros ativos têm várias vantagens em relação aos filtros passivos, tais como: 1. Não utilizam indutores como elemento filtrante, o que diminui o volume dos equipamentos, pois eliminam os indutores; quando trabalham em baixas frequências, são bastante volumosos; 2. Facilidade no projeto de filtros complexos devido à escalabilidade dos circuitos; 3. Os sinais de entrada podem ser amplificados graças à característica de amplificação do AOs; 4. Grande flexibilidade de projetos. Por outro lado, existem algumas desvantagens dos filtros ativos. Como todo sistema eletrônico, temos algumas limitações que podem ser classificadas como desvantagens, se comparados aos filtros passivos. São elas: 1. Necessitam de fonte de alimentação para funcionar; 2. Como utilizam amplificadores operacionais, a resposta em frequência está limitada às características destes. Esses filtros podem ser classificados de acordo com três aspectos: 8 9 • Função executada; • Tecnologia empregada; • Função-resposta (aproximação) utilizada. Quanto à função dos filtros, podemos destacar quatro tipos básicos: a) Filtro Passa-Baixas (PB): permite a passagem de frequências que este- jam abaixo da frequência de corte (fc). dB fc Frequência (Hz) fc = Frequência de corte Figura 1 – Gráfi co do fi ltro passa-baixas Fonte: Acervo do Conteudista b) Filtro Passa-Altas (PA): permite a passagem de frequências que este- jam acima da frequência de corte (fc). dB fc = Frequência de cortev fc Frequência (Hz) Figura 2 – Gráfi co do fi ltro passa-altas Fonte: Acervo do Conteudista c) Filtro Passa-Faixa (PF): permite apenas a passagem da frequência que está entre as frequências de corte fc1 e fc2. dB fc1 fc2 Frequência (Hz) Figura 3 – Gráfi co do fi ltro passa-faixa Fonte: Acervo do Conteudista 9 Unidade Filtros Ativos d) Filtro Rejeita-Faixa (RF): permite a passagem apenas das frequências acima ou abaixo das frequências de corte fc1 e fc2, rejeitando o inter- valo entre elas. Implementação com Amp-Ops: Filtros Rc Ativos Para o estudo dos filtros ativos com Amplificadores Operacionais, escolhemos a topologia Sallen Key, que pode ser usada para a implementação de filtros passa- -baixas, passa-altas e passa-faixa. As principais características dessa topologia são: • A função de transferência é de fácil implementação; • Possui ganho unitário ou superior; • Para construção do circuito, utilizam-se poucos componentes como amplifica- dores operacionais, resistores e capacitores. A seguir, apresentamos a estrutura básica para a montagem de um filtro com topologia Salem Key (Figura 4): Onde: RA = impedância 1 – Z1; RB = impedância 2 – Z2; RC = impedância 4 – Z4; RD = impedância 3 – Z3. Figura 4 – Circuito básico da Topologia Sallen Key Fonte: Acervo do Conteudista 10 11 Se considerarmos um amplificador operacional ideal, podemos escrever a fun- ção de transferência genérica como: Vout Vin R R R R R R R R R d c a b c a b d c = + + +( ) Filtro ativo Passa-Baixas Figura 5 – Filtro ativo tipo passa-baixas Fonte: Acervo do Conteudista Os circuitos que trabalham como filtros de frequência ou com sinal analógico interpretam as resistências como impedância, como tratado em outras Unidades do Curso. Por esse motivo, devemos entender que: Z1= RA, Z2=RB,Z sC 3 1 2 = ,Z sC 4 1 1 = Dessa forma, a função de transferência fica: H s f s f Q s f c c c ( ) = + + ( ) ) 2 2 2 2 2 2 π π π Como tratado anteriormente, o filtro passa-baixa atenua as frequências que es- tão acima da frequência de corte, conforme Figura 6. Dessa forma, precisamos determinar o valor dessa frequência: f R R C Cc A B = 1 2 1 2π 11 Unidade Filtros Ativos O fator Q é calculado por: Q = fator de qualidade do filtro: Q f C R Rc A B = +( ) 1 2 2π A resultante do fator de qualidade Q vai determinar o formato da resposta do filtro, que pode ser: • Se Q=0,5, a resposta será do tipo Bessel, em que a faixa de passagem e de rejeição são planas e a região de transição é suave; • Se Q=0,707, a resposta será do tipo Butterworth, em que a faixa de passagem e a de rejeição são planas e a região de transição é moderada; • Se Q > 0,707, a resposta será do tipo Chebyshev, em que a faixa de passagem sofre oscilação, a região de transição é moderada e a faixa de rejeição é plana. dB fc fc = Frequência de corte Frequência (Hz) Figura 6 – Curva de funcionamento do filtro passa-baixas Fonte: Acervo do Conteudista Filtro Ativo Passa-Altas3 2 6 7 4 1 5 Vin Vout RB RA CA CB Figura 7 – Circuito do filtro passa-altas Fonte: Acervo do Conteudista 12 13 dB fc fc = Frequência de corte Frequência (Hz) Figura 8 – Gráfi co do fi ltro passa-altas Fonte: Acervo do Conteudista Os circuitos de filtro ativo do tipo passa-altas (Figura 7) são circuitos capazes de atenuar frequências que estejam abaixo da frequência de corte, conforme podemos observar na Figura 8. Observando o circuito da Figura 7, podemos entender que: Z sc Z sC Z RA Z RB A B 1 2 1 1 3 4= = = = A equação de transferência para o circuito de filtro ativo passa-altas será: H s s s f Q s fc c ( ) = ( ) + + 2 2 22 2π π ) f R R C Cc A B A B = 1 2π Q f R C Cc B A B = +( ) 1 2π Q = fator de qualidade do filtro. Filtro Ativo Passa-Faixa Figura 9 – Circuito de fi ltro passa-faixa Fonte: Acervo do Conteudista 13 Unidade Filtros Ativos O circuito ativo passa-faixa atenua as frequências que estão abaixo da frequência de corte fc1 e acima da frequência de corte fc2, conforme pode ser visto na forma de onda da Figura 10. dB fc1 fc2 Frequência (Hz) Figura 10 – Gráfico do circuito passa-faixa Fonte: Acervo do Conteudista Para o circuito da Figura 9, temos a função de transferência, analisada pelo do- mínio da frequência: H S S S Q S ( ) = + +2 0 0 2ω ω H s s R C s R C R C R C s R R R R R C C A A A A C A C B A B A B C A B ( ) = + + + + +2 1 1 1 A frequência central f0 é dada por: f R R C C R R R B A A B A B C 0 1 2 = + π Q f R C R C R CA A C A C B = + + 2 1 1 1 0π Simulação Computacional Para que possamos ter uma análise mais precisa sobre o comportamento dos filtros, podemos simular ou mesmo montar esses circuitos e testar seu funcionamento. Dessa forma, vamos simular o circuito proposto utilizando um programa de simulação de cir- cuitos como Proteus ou mesmo qualquer outro simulador on-line de sua preferência, como, por exemplo, o disponível em: http://www.falstad.com/circuit/ Ex pl or 14 15 3 2 6 7 4 1 5 Vin Vout RA 33k R1 33k C1 1000pF C2 1nF R2 5.6k R3 10k A B C D Gerador Figura 11 – Circuito para simulação Fonte: Acervo do Conteudista Aplique a esse circuito frequências entre 6Hz e 30Khz, e observe a atenuação do sinal de saída. Esse procedimento será repetido na aula prática em Laboratório. Cálculo de um Circuito de Filtro Ativo Passa-Faixa R1 ? R3 ?C1 10nF C2 1uF C3 10nF R4 ? R5 10k R6 10k 3 2 6 7 4 1 5 U1 741 ? R2 12V Figura 12 – Circuito de fi ltro ativo passa-faixa Fonte: Acervo do Conteudista 15 Unidade Filtros Ativos Onde: f = frequência central do filtro em hertz (Hz); Q = fator de qualidade; G = ganho de tensão; C = capacitância em farads (F). Tomemos como exemplo o cálculo de um filtro que tenha por frequên- cia central 1K Hz. Para o valor dos capacitores, utilizaremos os valores típicos de 10nF. O ganho será considerado de G=2, e a qualidade do indutor Q=5: R Q f GC R Q Q G f C 1 2 2 2 22 = = −( )π π. . . . . . . R R Q f C 3 4 2 2 = = π R K1 5 6 28 1000 2 0 00000001 79 6= = , . . . , Ω R k2 5 50 2 6 28 1000 0 00000001 1 65= −( ) ( ) = . , , Ω . , R R3 4 10 6 28 1000 0 00000001 160= = ( ) = Ω 16 17 Material Complementar Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade: Sites Instituto NCB https://bit.ly/2IXagqR Livros Laboratório de Eletricidade e Eletrônica CAPUANO, F. G.; MARINO, M. A. M. Laboratório de Eletricidade e Eletrônica. 24.ed. São Paulo: Erica, 2007. Eletrônica analógica básica Duarte, Marcelo de Almeida Eletrônica analógica básica / Marcelo de Almeida Duarte ; coordenação Nival Nunes de Almeida. - 1. ed. - Rio de Janeiro : LTC, 2017. Vídeos Implementação com Amp-Ops: filtros RC ativos https://youtu.be/JDqfpXgyB_s Filtro Ativo Rejeita Banda https://youtu.be/ITDHqzVzLT0 17 Unidade Filtros Ativos Referências BOYLESTAD, R. L.; NASHELSKY, L. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. 8.ed. São Paulo: Prentice Hall, 2004. CAPUANO, F. G.; MARINO, M. A. M. Laboratório de Eletricidade e Eletrônica. 24.ed. São Paulo: Erica, 2007. CIPELLI, Antonio Marco Vicari; SANDRINI, Waldir Joao. Teoria e desenvolvi- mento de projetos de circuitos eletrônicos. 21.ed. São Paulo: Erica, 2005. DUARTE, Marcelo de Almeida; ALMEIDA, Nival Nunes. Eletrônica analógica básica. Rio de Janeiro: LTC, 2017. PERTENCE JR., Antonio. Amplificadores operacionais e filtros ativos. 8.ed. Porto Alegre: Bookman, 2015. E-Book. 18
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