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Dois Filtros de Alto Q Para 60 Hz (ART1946)

Existem aplicações em que é importante rejeitar sinais especificamente na frequência de 60 Hz (rede de energia). Dependendo do caso, estes filtros devem ter uma elevada seletividade, o que significa um alto Q. Neste artigo, baseado em material da National Semiconductor, descrevemos dois circuitos com amplificadores operacionais para a rejeição da frequência indicada.

Um filtro rejeitor de determinada frequência deixa passar sinais de todas as outras frequências, porém apresenta um baixo ganho ou mesmo atenuação na frequência para a qual é sintonizado.

Com amplificadores operacionais a configuração preferida para se obter um filtro capaz de rejeitar uma frequência é a que faz uso do duplo T, conforme mostra a figura 1.

 

   Figura 1 – Configuração básica usando um duplo-T
Figura 1 – Configuração básica usando um duplo-T

 

Usando apenas resistores e capacitores, esta configuração não necessita de um tipo de componente que é problemático nos projetos de baixa frequência, que é o indutor.

O primeiro circuito que apresentamos combina um duplo T com um amplificador operacional LM 102, da National Semiconductor, e ele permite que se obtenham fatores Q de até 50.

Para obter este fator Q com o uso de capacitores pequenos e com uma elevada impedância de entrada o amplificador operacional é ligado como seguidor de tensão (buffer).

Na figura 2 temos o circuito proposto com as fórmulas que permitem calcular a frequência rejeitada e também a relação entre os valores dos elementos do duplo T.

 

Figura 2 – Circuito com o LM102
Figura 2 – Circuito com o LM102

 

Observe que a junção de C3 e R3, que no duplo T convencional é aterrada, neste circuito é conectada à saída do operacional.

Como a impedância de saída do operacional nesta configuração e muito baixa, nem a frequência nem a profundidade da rejeição se alteram, mas em compensação a realimentação obtida proporciona um considerável aumento da seletividade.

Na figura 3 temos o gráfico que mostra a diferença de comportamento obtido quando utilizamos realimentação com o duplo T (bootstrap) e quando o usamos de maneira simples.

 

   Figura 3 – Comportamento dos filtros propostos
Figura 3 – Comportamento dos filtros propostos

 

Dependendo da aplicação é interessante termos um controle sobre o fator Q do circuito, pois pode ocorrer que frequência do sinal que desejamos bloquear varie levemente, ou quando existem sinais espúrios de frequências muito próximas à central do filtro e que devem ser rejeitadas.

Para esta finalidade pode ser usado o circuito da figura 4, que faz uso de dois amplificadores operacionais e que também é sugerido pela National Semiconductor.

 

Figura 4 – Filtro com dois operacionais
Figura 4 – Filtro com dois operacionais

 

Neste circuito, um segundo seguidor de tensão proporciona a realimentação ao duplo T, mas de maneira controlada por R4, de modo que a seletividade (fator Q) pode ser variada entre 0,3 e 50.

Observe que o amplificador operacional adicional, ligado como seguidor de tensão, é necessário para realimentar o circuito de modo que a presença do potenciômetro não afete a frequência, pois a realimentação deve ser mantida a partir de uma fonte de baixa impedância.

A resposta deste filtro variará entre a de um duplo T simples e a de um duplo T com bootstrap. É interessante observar o que ocorre com a frequência e a seletividade destes circuitos quando os componentes do duplo T não estão perfeitamente casados.

Se, por exemplo, o valor de C3 estiver de 1% a 10% acima do indicado pelos cálculos, a seletividade do circuito aumenta, mas em compensação a profundidade do ponto de rejeição diminui.

Se o valor de C3 estiver de 10% a 20%? acima do indicado, o sistema passa a apresentar um ganho de tensão e funcionará como um amplificador sintonizado.

Ganhos de 400 foram obtidos nos testes.

Maiores valores de C3 fazem com que o circuito oscile, fornecendo na saída uma onda senoidal recortada.

Para se obter maior precisão com um mínimo de influência pela variação da temperatura. recomenda-se o uso de capacitores de mica prateada ou policarbonato e resistores de precisão.

Resistores com 0,1% de precisão e capacitores de 1% são importantes para se obter maior profundidade na rejeição, chegando-se a 60 dB com estas tolerâncias.

Capacitores de disco de cerâmica devem ser usados para desacoplar a alimentação dos integrados, com montagem a mais próxima possível dos seus pontos de alimentação.

 

 

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