Uma Análise Filtros Passivos

O uso de filtros é muito comum no ramo da eletrônica, principalmente quando se trabalha com processamento de sinais analógicos. O uso desses filtros é feito principalmente para retirar ruídos de alta ou baixa frequência de um sinal elétrico, ou mesmo para selecionar uma determinada faixa de frequência de um espectro muito maior.

Uma solução bastante simples e didática é o uso de componentes passivos (capacitor, resistor e indutor) para compor esses filtros, que dependendo do valor nominal e do como como são arranjados, podem selecionar diversas faixas de frequência.

Controlar a frequência de um circuito analógico é uma tarefa comum dentro da eletrônica

 Resposta em Frequência

Trabalhando em corrente alternada, a combinação de elementos resistivos, indutivos e capacitivos assume algumas características muito interessantes do ponto de vista da eletrônica. Confira abaixo um gráfico comparativo, que mostra a resposta em frequência do resistor, capacitor e indutor, analisando a impedância desses componentes.

 Observe que com o aumento da frequência, temos a queda da reatância capacitiva e aumento da reatância indutiva, enquanto a impedância resistiva permanece inalterada.

A base para entender os filtros passivos está em compreender a resposta desses componentes conforme se varia a frequência da tensão elétrica a qual são submetidos.

Temos que o capacitor tende a se comportar como um curto-circuito quando submetido às altas frequências, ou seja, há uma queda da sua reatância conforme se aumenta a frequência sobre ele. Sua a reatância é inversamente proporcional à frequência.

O indutor age de maneira inversa ao capacitor, sua reatância cresce conforme cresce a frequência, comportando como circuito aberto em frequências muito altas. Sua reatância é, portanto, diretamente proporcional à frequência a qual o indutor é submetido.

O resistor é indiferente à variação da frequência, mantendo a mesma impedância resistiva independe da frequência aplicada a ele.

Tipos de Filtros Passivos

Ao todo, podemos citar quatro tipos de filtros passivos mais relevantes: passa-baixas, passa-altas, passa-faixas e rejeita-faixas. Cada um deles pode ser construído de diferentes maneiras, associando os três componentes que citamos anteriormente: capacitor, indutor e resistor.

O conceito de uma “frequência alta”, “frequência baixa” ou mesmo “faixa de frequência” é bastante relativo. Para saber, dentro do circuito, o que é uma “frequência alta”, precisamos determinar o parâmetro frequência de corte, também chamado de frequência de meia potência. Ao passar por essa frequência, a saída já perdeu metade da potência total de entrada (-3 dB) ficando cada vez mais atenuada.

Filtro passa-baixas

É um filtro capaz de atenuar as altas frequências, deixando passar apenas as baixas. Confira abaixo uma configuração usando apenas um resistor e um capacitor (RC) para esse circuito, seguido da resposta em frequência e da fórmula da frequência de corte.

 Filtro passa-baixas do tipo RC (esquerda), resposta em frequência (centro), frequência de corte (direita)

Note que como o capacitor conduz melhor nas altas frequências, para frequências maiores que as de corte, ele comporta-se como um curto circuito e aterra o sinal, impedindo que vá para a saída.

 

Filtro passa-altas

Capaz de atenuar as baixas frequências, deixando passar apenas as altas. Note que o capacitor conduz melhor nas altas frequências, dificultando a passagem de frequências abaixo do corte para a saída.

Filtro passa-altas do tipo RC (esquerda), resposta em frequência (centro), frequência de corte (direita)

 

Filtro passa-faixas

Esse filtro funciona unindo as propriedades do filtro passa-altas e passa-baixas, deixando passar apenas uma faixa de tensão. Enquanto o capacitor bloqueia as baixas frequências, o indutor bloqueia as altas frequências, de modo que apenas as frequências médias passam pelo filtro, com valores em torno na frequência central (ou frequência de ressonância).

   Filtro passa-faixas do tipo RC (esquerda), resposta em frequência (centro), frequência de corte (direita)

 

Filtro Rejeita-Faixas

Tem o funcionamento invertido ao filtro passa-faixas, rejeitando uma faixa de frequência.

 Filtro passa-faixas do tipo RC (esquerda), resposta em frequência (centro), frequência de corte (direita)

Conclusão

Os filtros passivos são uma saída simples para diversas aplicações de controle de frequência, muito comum no ramo da eletrônica e do processamento de sinais. A variação dos parâmetros RLC determina a faixa de operação dos filtros, sempre levando em consideração as equações características de cada filtro.