Filtro passa-baixo ativo RC aplicado em projetos com Arduino: 4 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

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O filtro passa-baixo é um excelente circuito eletrônico para filtrar sinais parasitas de seus projetos. Um problema comum em projetos com Arduino e sistemas com sensores trabalhando próximos a circuitos de força é a presença de sinais “parasitas”.

Eles podem ser causados por vibração ou campos magnéticos na mesma área do sensor.

Esses sinais, que em sua maioria são de alta frequência, causam distúrbios no momento da leitura e, consequentemente, ocorrem leituras errôneas no sistema de automação. Um exemplo comum é a partida de uma máquina que requer uma alta corrente inicial.

Isso causará a geração de ruído de alta frequência em vários elementos que estão conectados à rede elétrica, incluindo sensores.

Para evitar que esses ruídos afetem o sistema, são usados filtros entre o elemento sensor e o sistema que o lê.

O que são filtros passivos e ativos?

Suprimentos

• 2 resistores;
• 2 capacitores cerâmicos
• 2 capacitores eletrolíticos;
• Amplificador operacional LM358
• Terminais de alimentação ou bateria de 9V;

Etapa 1: O que são filtros passivos e ativos?

Filtros são circuitos que podem “limpar” um sinal, separar sinais indesejados, para evitar a leitura de valores que não correspondem à realidade.

Os filtros podem ser de dois tipos: passivos e ativos.

Filtros passivos Os filtros podem ser passivos, que são os mais simples, pois consistem apenas em resistores e capacitores.

Filtros Ativos

Filtros ativos, além de resistores e capacitores, usam amp-ops para melhorar a filtragem e filtros digitais, que são usados em processadores e microcontroladores.

Portanto, neste artigo, você aprenderá:

Entenda como o filtro passa-baixa funciona;

Configure o hardware do filtro passa-baixo com uma frequência de corte de 100 Hz usando um amplificador operacional LM358;

Calcule os valores dos componentes passivos do circuito;

Monte um filtro passa-baixo NextPCB.

Abaixo, apresentamos o processo de desenvolvimento do filtro passa-baixo ativo para nossos circuitos com Arduino.

Etapa 2: Desenvolvimento do circuito RC de filtro passa-baixo ativo

Neste projeto será desenvolvido um filtro passa-baixo ativo com NEXTPCB - Placa de Circuito Impresso, ou seja, permite a passagem de baixas frequências. A faixa de frequência a ser escolhida depende da operação do circuito.

Para este artigo utilizaremos um filtro passa-baixo ativo, visto que são utilizados para frequências abaixo de 1MHz, e, além disso, a amplificação do sinal pode ser feita, já que um amplificador operacional será utilizado neste circuito.

Portanto, com base neste projeto, o foco central será no desenvolvimento do circuito de filtro passa-baixo ativo e seu circuito de alimentação simétrico. A Figura 1 ilustra o hardware deste circuito.

O circuito RC do filtro passa-baixo construído no TinkerCAD pode ser acessado no seguinte link:

Conforme mencionado, usamos o Arduino neste projeto para adquirir o sinal de um sensor. Assim, o circuito RC do filtro passa-baixa na figura acima, temos 3 partes importantes:

• O gerador de sinal,
• O filtro ativo e;
• Arduino para coletar dados do sensor.

O gerador de sinal é responsável por simular o funcionamento de um sensor e transmitir o sinal para o Arduino. Este sinal é então filtrado através do filtro passa-baixo RC e, subsequentemente, o sinal filtrado é lido e processado pelo Arduino.

Assim, para realizar a montagem do filtro passa-baixo RC precisaremos dos seguintes componentes eletrônicos:

• 2 resistores;
• 2 capacitores cerâmicos
• 2 capacitores eletrolíticos;
• Amplificador operacional LM358
• Terminais de energia ou bateria de 9V

A seguir, apresentamos o cálculo dos valores dos resistores e capacitores do circuito. O cálculo desses componentes é baseado na frequência de corte do filtro passa-baixo do filtro ativo.

Cálculos de resistores e capacitores

Para o circuito proposto, usaremos uma frequência de corte do filtro passa-baixa de 100Hz. Desta forma, o circuito permitirá que as frequências passem abaixo de 100 Hz e acima de 100 Hz, o sinal diminuirá exponencialmente.

Portanto, para o cálculo dos capacitores, temos: Inicialmente, basta definir um valor de C1, caso em que pode ser definido um valor comercial de 1 a 100nF.

A seguir, foi realizado o cálculo do capacitor C2 conforme a equação abaixo.

Em seguida, use a fórmula abaixo para calcular o valor de R1 e R2. A fórmula pode ser usada para projetar o valor dos dois resistores. A seguir, veja o cálculo realizado.

Onde f * C é a frequência de corte do filtro passa-baixa, ou seja, acima dessa frequência, o ganho desse sinal diminuirá. O valor f * C para este sistema será 100 Hz.

Portanto, temos o seguinte valor de resistor para R1 e R2.

A partir dos valores obtidos para os resistores e capacitores do projeto, devemos então desenvolver o circuito de alimentação do filtro ativo. Para este tipo de filtro, precisamos utilizar fonte de alimentação assimétrica e, a seguir, apresentaremos o circuito de alimentação.

Etapa 3: a fonte de alimentação

A energia necessária para este circuito é uma fonte de alimentação simétrica. Se você não tiver uma fonte de alimentação simétrica, monte um circuito usando capacitores alimentados por uma fonte de alimentação simples.

Porém, o valor da tensão da fonte de alimentação deve ser maior que 10 V, pois o valor da fonte simétrica será dividido por 2.

A figura acima mostra o circuito da fonte de alimentação.

Este circuito já está no diagrama eletrônico da Figura 1, uma vez que é utilizada uma fonte comum não simétrica.

Após projetar o circuito de filtro ativo e seu circuito de alimentação, desenvolvemos um módulo de filtro eletrônico para ser usado em seus projetos com o Arduino ou em outros projetos que necessitem de um filtro para esta finalidade.

A seguir, apresentaremos a estrutura do esquema eletrônico e o desenho da placa eletrônica desenvolvida.

A placa de circuito impresso do filtro passa-baixo ativo RC

Etapa 4: A placa de circuito impresso do filtro passa-baixo ativo RC

Para a confecção da placa de circuito impresso eletrônico - NEXTPCB, foi desenvolvido o esquema eletrônico do circuito. O esquema eletrônico do filtro passa-baixo ativo RC é mostrado na Figura 3.

Em seguida, o esquema foi exportado para o PCB Design do software Altium e a placa a seguir foi desenhada, conforme mostrado na Figura 4.

Três pinos foram usados para fornecer o circuito e o sinal de entrada e dois pinos na saída. Os dois pinos são usados para a saída do sinal filtrado e o GND do circuito.

Após projetar o layout do PCB, o design 3D da placa de circuito impresso foi gerado e apresentado na Figura 5.

A partir do projeto PCB, você pode usar este módulo e aplicá-lo ao seu projeto com o Arduino. Desta forma, certos sinais parasitas serão cancelados e seu projeto funcionará sem risco de erros na leitura do sinal.

Conclusão

Este circuito RC de filtro passa-baixo ativo pode ser amplamente utilizado para filtrar a potência do Arduino, filtrando os sinais de comunicação serial, como em radiofrequência, que costuma ter muitos sinais que costumam causar interferência na comunicação serial, desde que o valor de a frequência de corte é alterada.

Uma dica após montar este circuito é fazer a conexão mais próxima do Arduino, pois boa parte da interferência está na distância entre o sensor e o microcontrolador e, na maioria dos casos, o microcontrolador não pode estar muito próximo, devido a localização do o sensor pode ser prejudicial ao Arduino.

Além disso, para ter um sinal mais contínuo, basta alterar a frequência de corte do filtro passa-baixo para uma frequência mais baixa, isso irá alterar os valores dos resistores e capacitores. Ele também tem suas vantagens de criar um ganho no sinal, se o sinal estiver baixo.

Informação importante

Todos os arquivos podem ser acessados no seguinte link: Arquivos da Placa de Circuito Impresso

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