Os filtros capacitivos passa-baixa e passa-alta são bem úteis em processamento simples de sinais. Portanto, vamos ver como os filtros de 1ª ordem funcionam.


Informações importantes

O entendimento das componentes dos sinais elétricos é imprescindível para o bom entendimento dos filtros. Sendo assim, o post que fala sobre as componentes dos sinais elétricos é de leitura obrigatória para este.

Por conta disso, utilizarei alguns dos conceitos abordados neste outro post. E estarei me referindo ao sinal como o sinal elétrico analógico de tensão.


Filtro passa-baixa

Definição básica

O filtro passa-baixa é um circuito que permite a passagem de sinais de baixa frequência ao mesmo tempo que reduz a intensidade de sinais de alta frequência.

Isto é, a partir de uma frequência de referência, ele permite que frequências mais baixas que ela passem livremente. E frequências mais altas são atenuadas (reduzidas em amplitude).

O circuito deste tipo de filtro é composto por uma resistência em série com um capacitor. Sendo que, o sinal de saída filtrado fica em paralelo com o capacitor.

Veja a imagem abaixo para entender:

Filtro capacitivo passa-baixa

O sinal de entrada pode ser qualquer tipo de sinal alternado ou contínuo. E o sinal de saída será o sinal de entrada sem as frequências mais altas que a frequência de referência.


Filtro passa-alta

Definição básica

O filtro passa-alta é um circuito que facilita a passagem de sinais de alta frequência enquanto diminui a intensidade de sinais de baixa frequência.

Isto é, a partir de uma frequência de referência, ele permite que frequências mais altas que ela passem livremente. E frequências mais baixas são atenuadas.

O circuito deste tipo de filtro é similar ao anterior, com a diferença de que os componentes (resistor e capacitor) estão trocados de posição. Por conta disso, o sinal de saída filtrado fica em paralelo com o resistor.

Veja a imagem abaixo para entender:

Filtro capacitivo passa-alta

O sinal de saída será o sinal de entrada sem as frequências mais baixas que a frequência de referência.


Funcionamento dos filtros

Para entender como os dois tipos de filtro funcionam, é necessário entender o comportamento do capacitor nos dois tipos de circuito. E, podemos utilizar dois tipos de abordagem na explicação: a da reatância capacitiva e a do tempo de carregamento e descarregamento do capacitor.

As duas abordagens são validas para entender o filtro. Embora, a de reatância capacitiva ajude mais a entender a matemática por trás das fórmulas dos filtros.

Abordagem 1 – Reatância capacitiva

Para sinais alternados, o capacitor apresenta uma resistência, chamada de reatância capacitiva (Xc). E ela é dada pela seguinte fórmula:

Xc = \frac{1}{2\pi f C}

Onde f é a frequência do sinal e C é a capacitância do capacitor.

A partir da fórmula anterior, podemos fazer uma análise. Considerando o valor de C constante:

Para sinais de baixa frequência (valor de f baixo), o valor de Xc tende a ser alto, e, para sinais de alta frequência (alto valor de f), o valor de Xc tende a ser baixo.

Ou seja, se Xc representa uma resistência, isto quer dizer que o capacitor apresenta uma alta resistência para sinais de baixa frequência. E, isto implica que este tipo de sinal terá dificuldade de passar pelo capacitor. E o contrário acontece, sinais de alta frequência terão maior facilidade de passar pelo capacitor (devido à baixa reatância).

Efeito da reatância capacitiva

O resultado da análise anterior é que, se uma carga for ligada em paralelo com o capacitor (passa baixa), os sinais de alta frequência passarão pelo capacitor e os de baixa frequência passarão pela carga. É uma análise similar a um circuito de dois resistores em paralelo: a corrente circulará em maior intensidade pelo caminho de menor resistência.

No caso do filtro passa alta, como o capacitor está em série com a entrada, somente sinais de alta frequência conseguirão passar pela reatância do capacitor.

As explicações anteriores estão simplificadas, pois não foi definido nenhum referencial para dizer o que é alta frequência e o que é baixa. Mas, no tópico de análise matemática do filtro, veremos sobre a frequência de referência chamada de frequência de corte.

Por fim, você pode fazer o seguinte questionamento: De acordo com a explicação, não é necessário nenhum resistor no circuito do filtro, apenas o capacitor. Você está certo em pensar isto, pois, na realidade, o resistor é um dos parâmetros para definir a frequência de corte e não tem um papel efetivo na filtragem do sinal (me refiro à atenuação).

Abordagem 2 – Tempo de carregamento e descarregamento

Outra abordagem valida para o entendimento dos filtros é por meio do tempo de carregamento e descarregamento do capacitor.

Vamos começar considerando a situação de um sinal de entrada contínuo e constante como o da imagem abaixo. Idealmente, este tipo de sinal possui uma frequência de 0Hz.

Tensão constante sem pwm

Em determinado momento, o capacitor será carregado pela fonte. E, quando isto ocorre, o capacitor se comporta como uma chave aberta. Ou seja, todo o sinal contínuo é bloqueado pelo capacitor.

Vamos imaginar agora um sinal alternado (frequência diferente de 0) com um capacitor que demora um tempo infinito para carregar e descarregar.

Como a tensão do circuito está sempre alternando, o capacitor ficará carregando e descarregando e nunca ficará carregado. Por conta disto, ele irá se comportar como uma chave fechada (curto).

Efeito do carregamento e descarregamento

A partir das suposições anteriores, podemos relacionar o sinal alternado e o contínuo com sinais de alta e de baixa frequência respectivamente. Portanto, o capacitor impede a passagem de sinais de baixa frequência e facilita a passagem de sinais de alta frequência.

A alta e baixa frequência aqui dependem do valor da capacitância. Por exemplo, um caso em que há um capacitor que demora 1 segundo para carregar e há um sinal de entrada que varia a cada 10 milissegundos.

Neste contexto, o capacitor tem 10 milissegundos para carregar e descarregar, sendo que ele gasta 1 segundo para fazer um dos dois. Ou seja, ele agirá como uma chave fechada (“curto”) possibilitando a passagem do sinal de alta frequência e nunca ficará carregado.


Análise matemática do filtro

Frequência de corte

No início do post, foi citado que os filtros filtram sinais a partir de um frequência de referência, que é conhecida como frequência de corte. Em termos práticos, esta frequência é definida como a frequência em que o sinal sofre uma atenuação de cerca de 30%.

Isto é, na frequência de corte, o sinal de saída possui 70% (aproximado) da intensidade do sinal de entrada. Estes valores de 30% e 70% não são totalmente aleatório, pois eles vêm da análise quando R = Xc (resistor tem mesmo valor da reatância capacitiva).

Quando fazemos o cálculo de um circuito em que R = Xc, a tensão em cima do capacitor é 70,7% da tensão de entrada. No caso do filtro passa-baixa, desta frequência para cima, a intensidade dos sinais cai abaixo de 70%. E, no caso do filtro passa-alta, desta frequência para baixo, a intensidade dos sinais cai abaixo de 70%.

 

Fórmula da frequência de corte

Com a explicação acima, fica fácil deduzir a fórmula da frequência de corte. Relembrando a fórmula de Xc:

Xc = \frac{1}{2\pi f C}

Se R = Xc, então (nesta situação f é a frequência de corte):

R = \frac{1}{2\pi f C}

Manipulando a equação, temos que:

fcorte = \frac{1}{2\pi R C}

Portanto, a partir da fórmula acima, você é capaz de encontrar qual é a frequência de corte de um filtro já criado ou projetar um filtro (passa-baixa e passa-alta). Para o primeiro caso, basta inserir os valores de R e C na fórmula e achar a frequência.

Para o caso em que se deseja projetar o filtro, basta estipular um valor para R ou para C e definir qual será a frequência de corte. Por exemplo, estipulando um resistor de 1kΩ e uma frequência de corte de 60Hz, podemos calcular o capacitor:

60= \frac{1}{2\pi * 1k * C}

C= \frac{1}{2\pi * 1k * 60}

C = 2,65\mu F

Se o exemplo acima for um filtro passa-baixa, basta ligar um resistor de 1kΩ em série com o capacitor de 2,65μF e considerar a saída em paralelo com o capacitor. Se for o filtro passa-alta, é só fazer o contrário.

Ganho do sinal

A descrição da atenuação em porcentagem que fiz foi só para facilitar o entendimento da frequência de corte. Entretanto, a filtragem do sinal é descrita em termos de ganho (inverso de atenuação) em uma escala logarítmica (decibéis).

O ganho do sinal é a tensão de saída dividida pela tensão de entrada. Mas o ganho na escala logarítmica é mais complexo e é dado pela seguinte fórmula:

 

Ganho = 20 * log \frac{Vs}{Ve}

Sendo Vs a tensão de saída e Ve a tensão de entrada.

Para o caso da frequência de corte, em que Vs/Ve = 70,7%, o ganho é cerca de -3dB. Esse valor é importante para a análise gráfica da atenuação.

Gráfico do ganho

Veja abaixo como é o comportamento do ganho de um filtro passa-baixa de acordo com a frequência angular do sinal (2πf).

Fonte: Wikipedia

A partir da imagem acima, é possível observar que, o ganho do sinal (em decibéis) de frequências antes da frequência de corte é praticamente 0. Isto implica que frequências abaixo da frequência de corte não são afetadas pelo filtro. Sendo mais preciso, alguns Hertz próximo da frequência de corte, o ganho já começa a diminuir.

E, após a frequência de corte, o ganho diminui 20dB a cada década (potência de 10). No caso do gráfico, alguns hertz depois da frequência de corte, o ganho é -10dB, o que corresponde a uma tensão de saída de apenas 30% da tensão de entrada.

O gráfico do filtro passa-alta é um espelho do gráfico do filtro passa-baixa. Portanto, a inclinação negativa do gráfico está na parte esquerda e a parte constante está na direita. Veja como ele é no primeiro gráfico da imagem abaixo.

Fonte: Wikipedia

A análise é parecida com a anterior: próximo à frequência de corte, a intensidade (magnitude) do sinal começa a diminuir conforme diminuímos a frequência. E ela é constante para frequências um pouco mais altas que a frequência de corte.


Exemplo de aplicação

Se você entende sobre as componentes dos sinais elétricos, é provável que você saiba a utilidade dos filtros capacitivos. Portanto, reforço a importância da leitura do post que aborda este assunto.

Entretanto, para esclarecer melhor a ideia de filtro, vamos analisar algumas aplicações:

Sinal com as duas componentes

Considere um sinal que possui uma componente alternada 10sen(x)V e uma componente contínua 5V, conforme imagem abaixo:

Sinal elétrico contínuo e alternado

Agora, vamos supor que queremos um filtro para remover o sinal alternado (alta frequência) e um filtro para remover o sinal contínuo (baixa frequência). O primeiro filtro será um passa-baixa e o segundo um passa-alta.

A última informação importante para ter em mente antes de projetar os filtros é que a frequência do sinal contínuo é 0Hz e a do sinal alternado é 1Hz.

Para exemplificar o uso das fórmulas, vou calcular o filtro passa-baixa estipulando o resistor e o passa-alta estipulando o capacitor.

Projetando o filtro passa-baixa

Como o sinal alternado é 1Hz, devo criar um filtro para impedir essa frequência de passar. Se eu fizer a frequência de corte em 1Hz, o sinal alternado irá aparecer na saída com 70% da intensidade.

Porém, o que eu quero, é que ele não apareça. Portanto, vou fazer a frequência de corte ser 0,1Hz, o que gerará uma alta atenuação. O sinal alternado ainda irá aparecer na saída, mas será de baixa magnitude.

Para começar os cálculos, vou estipular um resistor de 1kΩ (poderia também ter estipulado o capacitor). Manipulando a fórmula mostrada anteriormente:

C = \frac{1}{2\pi * 0.1 * 1k}

C = 1591,55\mu F

Arredondando, vou utilizar um capacitor de 1500μF.

Projetando o filtro passa-alta

Devo criar um filtro para impedir a frequência de 0Hz de passar, mas que deixe a de 1Hz passar. Portanto, vou considerar uma frequência de corte de 0,5Hz.

Para calcular o filtro, vou estipular um capacitor de 100μF (poderia também ter estipulado o resistor). Manipulando a fórmula mostrada anteriormente:

R = \frac{1}{2\pi *100\mu * 0.5}

R =3183,1\Omega

Arredondando, vou utilizar um resistor de 3000Ω.

Resultado simulado

O circuito dos filtros foi simulado no Multisim e ficou da seguinte forma:

Filtro capacitivo circuito

A parte superior do circuito é o filtro passa-baixa (vai deixar passar apenas o sinal contínuo). E a parte inferior é o filtro passa-alta (vai deixar passar apenas o sinal alternado).

A fonte é de 7,07Vrms, mas o pico é de 10V, seguindo o sinal 10sen(x). E ela possui um offset positivo de 5v para simular a parte contínua do sinal. Após simular o circuito, os seguintes resultados foram obtidos (abra as imagens em uma nova guia para ver melhor):

Tensão na saída do filtro passa-baixa:

Filtro capacitivo passa-baixa parte continua

A tensão de saída ficou relativamente constante, apresentando uma oscilação de ~1,2V. Isto quer dizer que a componente alternada ficou com 12% da intensidade original (1,2/10). Se quiséssemos melhorar este filtro, bastaria diminuir a frequência de corte ainda mais.

Tensão na saída do filtro passa-alta:

Filtro capacitivo passa-alta parte alternada

A tensão ficou praticamente puramente alternada, sendo que a tensão de pico positiva ficou pouco acima de 5V. Entretanto, há um problema no sinal, pois a parte alternada deveria ter 10V de pico.

Isso aconteceu porque o filtro também atenuou a intensidade da componente alternada, já que a frequência de corte está muito próxima do sinal alternado (0.5Hz). 

Para melhorar este filtro, bastaria diminuir a frequência de corte um pouco mais.

A tensão de entrada (azul) e as duas tensões de saída:

Filtro capacitivo passa-baixa e passa-alta

Melhorias nos filtros

Depois deste primeiro resultado, resolvi fazer as melhorias nos filtros conforme dito e diminui a frequência de corte. A diminuição foi feita aumentando o valor do capacitor para 3000μF nos dois casos. Portanto, o circuito dos dois filtros ficou parecido. A nova frequência de corte é 0,053Hz.

E o resultado desta modificação está mostrado abaixo. Em azul está a tensão de entrada. Em verde a do filtro passa-baixa e em vermelho do filtro passa-alta.

Filtro capacitivo melhorado

Repare que a tensão de saída do filtro passa-baixa ficou bem mais constante e ficou com uma oscilação mais baixa que anteriormente (agora varia ~0,6V). Houve melhora também na tensão de saída do filtro passa-alta, pois o sinal apresentou uma tensão de pico próxima de 10V e ficou sem componente contínua.


Observação crucial

As análises do exemplo de aplicação permitem ter uma noção boa dos filtros. Mas existe uma situação em que o sinal de saída pode fugir do esperado. Vamos analisá-la.

Imagine que você deseja filtrar um sinal puramente alternado como o da imagem abaixo com um filtro passa baixa.

valor rms tensão senoidal

Se você utilizar uma frequência de corte muito abaixo da frequência do sinal, o esperado é que a tensão de saída seja nula. Isto porque a unica componente do sinal é a senoide da figura. Até aí tudo bem. Mas imagine que seu circuito seja o da figura abaixo (a fonte é uma senoide pura).

Filtro de senoide com diodo

O circuito acima possui uma frequência de corte de 0,05Hz. Portanto, o esperado é que a tensão de saída seja nula (pois o capacitor filtrará a senoide de 60Hz).

Entretanto, o sinal de saída não é igual o esperado. Ele, na realidade, fica contínuo com valor igual ao da tensão de pico do sinal de entrada (em determinado momento após energizar o circuito). Mas como isso acontece se o sinal de entrada não tem nenhuma componente contínua?

O que ocorre é que, no circuito da imagem acima, o capacitor não tem onde descarregar (devido ao diodo). Por conta disto, em todo semiciclo positivo, ele carrega, e, em todo semiciclo negativo, ele mantem a carga constante. Como ele fica carregando constantemente, a tensão em cima dele vai subindo até atingir a tensão de pico da fonte.

Como a constante de carregamento (R*C) do circuito acima é alta (3s), o capacitor demora muito tempo para atingir a tensão de pico. A imagem abaixo mostra a simulação da tensão de saída após 50s. Em vermelho a tensão de saída e em verde a tensão senoidal.

Circuito com capacitor carregado depois de 50s

Para resolver este “problema”, basta colocar uma carga em paralelo com o capacitor do filtro. Assim, ele terá onde descarregar e a tensão de saída será mais próxima do esperado: nula.

Ela pode ser diferente se o valor da carga for muito alto. Isso porque o capacitor terá um tempo de descarga muito grande e acontecerá o mesmo da situação acima.

Componentes dos sinais elétricos