Características dos Filtros Ativos, Primeira e Segunda Ordem, Aplicações

O filtros ativos são aqueles que possuem fontes controladas ou elementos ativos, como, por exemplo, amplificadores operacionais, transistores ou tubos de vácuo. Através de um circuito eletrônico, um filtro permite atender a modelagem de uma função de transferência que altera o sinal de entrada e fornece um sinal de saída de acordo com o projeto.

A configuração de um filtro eletrônico é geralmente seletiva e o critério de seleção é a freqüência do sinal de entrada. Devido ao exposto, dependendo do tipo de circuito (em série ou em paralelo) o filtro permitirá a passagem de certos sinais e bloqueará a passagem do resto.

Desta forma, o sinal de saída será caracterizado por ser purificado de acordo com os parâmetros de projeto do circuito que constitui o filtro.

Índice

• 1 caraterísticas
• 2 filtros de primeira ordem
  • 2.1 Filtros de baixa passagem
  • 2.2 Filtros passam alto
• 3 filtros de segunda ordem
• 4 aplicações
• 5 referências

Características

- Filtros ativos são filtros analógicos, o que significa que eles modificam um sinal analógico (entrada) dependendo dos componentes de freqüência.

- Graças à presença de componentes ativos (amplificadores operacionais, válvulas de vácuo, transistores, etc.), esse tipo de filtro aumenta uma seção ou todo o sinal de saída, em relação ao sinal de entrada.

Isto é devido à amplificação de energia através do uso de amplificadores operacionais (OPAMS). O acima facilita a obtenção de ressonância e um fator de alta qualidade, sem a necessidade de usar indutores. Por outro lado, o fator qualidade - também conhecido como fator Q - é uma medida da nitidez e eficiência da ressonância.

- Filtros ativos podem combinar componentes ativos e passivos. Estes últimos são os componentes básicos dos circuitos: resistores, capacitores e indutores.

- Os filtros ativos permitem conexões em cascata, são configurados para amplificar sinais e permitem a integração entre dois ou mais circuitos, se necessário.

- No caso de o circuito ter amplificadores operacionais, a tensão de saída do circuito é limitada pela tensão de saturação desses elementos.

- Dependendo do tipo de circuito e dos valores nominais dos elementos ativos e passivos, o filtro ativo pode ser projetado para fornecer uma alta impedância de entrada e uma pequena impedância de saída.

- A fabricação de filtros ativos é econômica em comparação com outros tipos de montagens.

- Para operar, os filtros ativos requerem uma fonte de alimentação, preferencialmente simétrica.

Filtros de primeira ordem

Os filtros de primeira ordem são utilizados para atenuar os sinais que estão acima ou abaixo do grau de rejeição, em múltiplos de 6 decibéis cada vez que a frequência é duplicada. Este tipo de montagens geralmente é representado pela seguinte função de transferência:

Quando você divide o numerador e o denominador da expressão, você precisa:

- N (jω) é um polinômio de grau ≤ 1

- t é o inverso da frequência angular do filtro

- W_c é a frequência angular do filtro e é dada pela seguinte equação:

Na dita expressão_c é a frequência de corte do filtro.

A frequência de corte é a frequência limite do filtro para o qual a atenuação do sinal é induzida. Dependendo da configuração do filtro (passagem baixa, passagem alta, passagem de faixa ou eliminação de banda), o efeito do projeto do filtro é apresentado, precisamente, a partir da freqüência de corte.

No caso particular dos filtros de primeira ordem, estes só podem ser passa-baixa ou passa-alta.

Filtros de baixa passagem

Este tipo de filtro permite a passagem de frequências mais baixas e atenua ou suprime frequências acima da frequência de corte.

A função de transferência para filtros passa-baixa é a seguinte:

A amplitude e resposta de fase desta função de transferência é:

Um filtro de baixa passagem ativo pode cumprir a função de projeto usando resistores de entrada e de terra, juntamente com amplificadores operacionais e configurações de resistor e capacitor em paralelo. Abaixo está um exemplo de um circuito ativo de baixa passagem do inversor:

Os parâmetros da função de transferência para este circuito são:

Filtros passam alto

Por outro lado, os filtros de alta freqüência têm o efeito oposto, comparado aos filtros de baixa passagem. Ou seja, esse tipo de filtro atenua baixas freqüências e permite a passagem de altas frequências.

Mesmo dependendo da configuração do circuito, filtros ativos de alta freqüência podem amplificar os sinais se eles tiverem amplificadores operacionais especialmente preparados para esse propósito. A função de transferência de um filtro passa-alto ativo da primeira ordem é a seguinte:

A resposta em amplitude e fase do sistema é:

Um filtro ativo de alta freqüência usa resistores e capacitores em série na entrada do circuito, bem como um resistor no caminho de descarga para o terra, para cumprir a função de impedância de feedback. Abaixo está um exemplo de um circuito inversor ativo de alta freqüência:

Os parâmetros da função de transferência para este circuito são:

Filtros de segunda ordem

Geralmente, os filtros de segunda ordem são obtidos ao se fazer as conexões de filtro de primeira ordem em série, a fim de se obter uma montagem mais complexa que permita a sintonização seletiva de frequência.

A expressão geral para a função de transferência de um filtro de segunda ordem é:

Quando você divide o numerador e o denominador da expressão, você precisa:

- N (jω) é um polinômio de grau ≤ 2.

- W_o é a frequência angular do filtro e é dada pela seguinte equação:

Nesta equação f_o é a frequência característica do filtro. Caso haja um circuito RLC (resistência, indutor e capacitor em série), a freqüência característica do filtro coincide com a freqüência de ressonância do filtro.

Por sua vez, a freqüência de ressonância é a freqüência com que o sistema atinge seu grau máximo de oscilação.

- ζ é o fator de amortecimento. Este fator define a capacidade do sistema para amortecer o sinal de entrada.

Por sua vez, a partir do fator de amortecimento, o fator de qualidade do filtro é obtido através da seguinte expressão:

Dependendo do projeto das impedâncias do circuito, os filtros ativos de segunda ordem podem ser: filtros de baixa passagem, filtros de alta freqüência e filtros de passagem de banda.

Aplicações

Os filtros ativos são utilizados em redes elétricas para reduzir distúrbios na rede, devido à conexão de cargas não lineares.

Essas perturbações podem ser permeadas através da combinação de filtros ativos e passivos, e a variação das impedâncias de entrada e configurações RC ao longo da montagem.

Nas redes de energia elétrica, os filtros ativos são usados ​​para reduzir os harmônicos de corrente circulando através da rede entre o filtro ativo e o nó de geração de energia elétrica.

Da mesma forma, os filtros ativos ajudam a equilibrar as correntes de retorno que circulam pelo neutro e os harmônicos associados a esse fluxo de corrente e à voltagem do sistema.

Além disso, os filtros ativos cumprem uma excelente função com relação à correção do fator de potência dos sistemas elétricos interconectados.

Referências

1. Filtros ativos (s.f.) Universidade Nacional Experimental de Táchira. Estado Táchira, Venezuela. Retirado de: unet.edu.ve
2. Lamich, M. (2001). Filtros Ativos: Introdução e Aplicações. Universitat Politècnica de Catalunya, Espanha. Retirado de: crit.upc.edu
3. Miyara, F. (2004). Filtros ativos Universidade Nacional de Rosario. Argentina Retirado de: fceia.unr.edu.ar
4. Gimenez, M (s.f.). Teoria dos circuitos II. Universidade Simón Bolívar. Estado Miranda, Venezuela. Retirado de: labc.usb.ve
5. Wikipédia, a enciclopédia livre (2017). Filtro ativo Retirado de: en.wikipedia.org
6. Wikipédia, a enciclopédia livre (2017). Filtro eletrônico. Retirado de: en.wikipedia.org