Todos os componentes eletrônicos podem ser classificados em duas grandes categorias, uma sendo os componentes ativos e a outra como componentes passivos. Os componentes passivos incluem o resistor (R), o capacitor (C) e o indutor (L). Estes são os três componentes mais usados em circuitos eletrônicos e você os encontrará em quase todos os circuitos de aplicação. Esses três componentes juntos em diferentes combinações formarão os circuitos RC, RL e RLC e eles têm muitas aplicações como de circuitos de filtragem, bobinas de luz de tubo, multivibradores etc. Portanto, neste tutorial aprenderemos o básico desses circuitos, a teoria por trás e como usá-los em nossos circuitos.
Antes de pularmos para os tópicos principais, vamos entender o que R, L e C fazem em um circuito.
Resistor: os resistores são indicados pela letra “R”. Um resistor é um elemento que dissipa energia principalmente na forma de calor. Ele terá uma queda de tensão que permanece fixa por um valor fixo de corrente fluindo por ele.
Capacitor: Os capacitores são indicados pela letra “C”. Um capacitor é um elemento que armazena energia (temporariamente) na forma de campo elétrico. O capacitor resiste a mudanças na tensão. Existem muitos tipos de capacitores, dos quais o capacitor de cerâmica e os capacitores eletrolíticos são mais usados. Eles carregam em uma direção e descarregam na direção oposta
Indutor: os indutores são indicados pela letra “L”. Um indutor também é semelhante a um capacitor, ele também armazena energia, mas é armazenado na forma de campo magnético. Os indutores resistem às mudanças de corrente. Os indutores são normalmente um fio enrolado em espiral e raramente são usados em comparação com os dois componentes anteriores.
Quando esses resistores, capacitores e indutores são colocados juntos, podemos formar circuitos como RC, RL e RLC, os quais exibem respostas dependentes de tempo e frequência que serão úteis em muitas aplicações CA, conforme já mencionado. Um circuito RC / RL / RLC pode ser usado como filtro, oscilador e muito mais não é possível cobrir todos os aspectos neste tutorial, então aprenderemos o comportamento básico deles neste tutorial.
Princípio básico dos circuitos RC / RL e RLC:
Antes de iniciarmos cada tópico, vamos entender como um Resistor, um Capacitor e um Indutor se comportam em um circuito eletrônico. Para fins de compreensão, vamos considerar um circuito simples consistindo de um capacitor e resistor em série com uma fonte de alimentação (5V). Neste caso, quando a fonte de alimentação está conectada ao par RC, a tensão através do resistor (Vr) aumenta para seu valor máximo, enquanto a tensão através do capacitor (Vc) permanece em zero, então lentamente o capacitor começa a acumular carga e, assim, a tensão no resistor diminuirá e a tensão no capacitor aumentará até que a tensão do resistor (Vr) alcance Zero e a tensão do capacitor (Vc) alcance seu valor máximo. O circuito e a forma de onda podem ser vistos no GIF abaixo
Vamos analisar a forma de onda na imagem acima para entender o que está realmente acontecendo no circuito. Uma forma de onda bem ilustrada é mostrada na imagem abaixo.
Quando a chave é ligada, a tensão no resistor (onda vermelha) atinge seu máximo e a tensão no capacitor (onda azul) permanece em zero. Então, o capacitor carrega e Vr torna-se zero e Vc torna-se máximo. Da mesma forma, quando a chave é desligada, o capacitor descarrega e, portanto, a tensão negativa aparece no resistor e, conforme o capacitor descarrega, a tensão do capacitor e do resistor torna-se zero, conforme mostrado acima.
O mesmo pode ser visualizado para indutores também. Substitua o capacitor por um indutor e a forma de onda será apenas espelhada, ou seja, a tensão no resistor (Vr) será zero quando a chave for ligada, já que toda a tensão aparecerá no indutor (Vl). Conforme o indutor carrega a tensão em (Vl), ele atingirá zero e a tensão no resistor (Vr) atingirá a tensão máxima.
Circuito RC:
O circuito RC (circuito do capacitor do resistor) consistirá em um capacitor e um resistor conectado em série ou paralelo a uma fonte de tensão ou corrente. Esses tipos de circuitos também são chamados de filtros RC ou redes RC, pois são mais comumente usados em aplicações de filtragem. Um circuito RC pode ser usado para fazer alguns filtros brutos, como filtros passa-baixo, passa-alto e passa-banda. Um circuito RC de primeira ordem consistirá de apenas um resistor e um capacitor e analisaremos o mesmo neste tutorial
Para entender o circuito RC, vamos criar um circuito básico no proteus e conectar a carga ao longo do osciloscópio para analisar como ela se comporta. O circuito junto com a forma de onda é dado abaixo
Conectamos uma carga (lâmpada) de resistência conhecida de 1k Ohms em série com um capacitor de 470uF para formar um circuito RC. O circuito é alimentado por uma bateria de 12 V e uma chave é usada para fechar e abrir o circuito. A forma de onda é medida através do bulbo de carga e é mostrada em amarelo na imagem acima.
Inicialmente, quando a chave está aberta, a tensão máxima (12 V) aparece na carga da lâmpada resistiva (Vr) e a tensão no capacitor será zero. Quando a chave é fechada, a tensão no resistor cairá para zero e, à medida que o capacitor é carregado, a tensão volta ao máximo, conforme mostrado no gráfico.
O tempo que leva para o capacitor carregar é dado pelas fórmulas T = 5Ƭ, onde “Ƭ” representa tou (Constante de tempo).
Vamos calcular o tempo que leva para o nosso capacitor carregar no circuito.
Ƭ = RC = (1000 * (470 * 10 ^ -6)) = 0,47 segundos T = 5Ƭ = (5 * 0,47) T = 2,35 segundos.
Calculamos que o tempo de carregamento do capacitor será de 2,35 segundos, o mesmo também pode ser verificado no gráfico acima. O tempo que leva para Vr atingir de 0 V a 12 V é igual ao tempo que leva para o capacitor carregar de 0 V à tensão máxima. O gráfico é ilustrado usando os cursores na imagem abaixo.
Da mesma forma, também podemos calcular a tensão através do capacitor a qualquer momento e a corrente através do capacitor a qualquer momento usando as fórmulas abaixo
V (t) = V B (1 - e -t / RC) I (t) = I o (1 - e -t / RC)
Onde, V B é a tensão da bateria e I o é a corrente de saída do circuito. O valor de t é o tempo (em segundos) em que a tensão ou o valor da corrente do capacitor deve ser calculado.
Circuito RL:
O Circuito RL (Circuito Indutor de Resistor) consistirá em um Indutor e um Resistor novamente conectado em série ou paralelo. Um circuito RL em série será conduzido por uma fonte de tensão e um circuito RL paralelo será conduzido por uma fonte de corrente. Os circuitos RL são comumente usados como filtros passivos, um circuito RL de primeira ordem com apenas um indutor e um capacitor é mostrado abaixo
Da mesma forma, em um circuito RL, temos que substituir o capacitor por um indutor. Supõe-se que a lâmpada atue como uma carga resistiva pura e a resistência da lâmpada é definida para um valor conhecido de 100 ohms.
Quando o circuito está aberto, a tensão através da carga resistiva será máxima e quando a chave for fechada, a tensão da bateria é compartilhada entre o indutor e a carga resistiva. O indutor carrega rapidamente e, portanto, uma queda repentina de tensão será experimentada pela carga resistiva R.
O tempo que leva para o indutor carregar pode ser calculado usando a fórmula T = 5Ƭ, onde “Ƭ” representa tou (constante de tempo).
Vamos calcular o tempo que leva para o nosso indutor carregar no circuito. Aqui nós usamos um indutor de valor 1mH e o resistor de valor 100 Ohms
Ƭ = L / R = (1 * 10 ^ -3) / (100) = 10 ^ -5 segundos T = 5Ƭ = (5 * 10 ^ -5) = 50 * 10 ^ -6 T = 50 u segundos.
Da mesma forma, também podemos calcular a tensão através do indutor a qualquer momento e a corrente através do indutor a qualquer momento usando as fórmulas abaixo
V (t) = V B (1 - e -tR / L) I (t) = I o (1 - e -tR / L)
Onde, V B é a tensão da bateria e I o é a corrente de saída do circuito. O valor de t é o tempo (em segundos) no qual o valor da tensão ou corrente do indutor deve ser calculado.
Circuito RLC:
Um circuito RLC, como o nome indica, consiste em um resistor, capacitor e indutor conectados em série ou paralelo. O circuito forma um circuito oscilador que é muito comumente usado em receptores de rádio e televisores. Também é muito comumente usado como circuitos amortecedores em aplicações analógicas. A propriedade de ressonância de um circuito RLC de primeira ordem é discutida abaixo
O circuito RLC também é chamado de circuito de ressonância em série, circuito oscilante ou circuito sintonizado. Este circuito tem a capacidade de fornecer um sinal de frequência ressonante, conforme mostrado na imagem abaixo
Aqui temos um capacitor C1 de 100u e um indutor L1 de 10mH conectado em série de estanho através de uma chave. Como o fio que está conectando C e L terá alguma resistência interna, presume-se que uma pequena quantidade de resistência esteja presente devido ao fio.
Inicialmente, mantemos a chave 2 aberta e fechamos a chave 1 para carregar o capacitor da fonte da bateria (9V). Então, uma vez que o capacitor é carregado, a chave 1 é aberta e a chave 2 é fechada.
Assim que a chave for fechada, a carga armazenada no capacitor se moverá em direção ao indutor e o carregará. Uma vez que o capacitor esteja totalmente descarregado, o indutor começará a descarregar de volta para o capacitor, desta forma as cargas irão fluir para frente e para trás entre o indutor e o capacitor. Mas como haverá alguma perda de carga durante este processo, a carga total diminuirá gradualmente até chegar a zero, conforme mostrado no gráfico acima.
Formulários:
Os resistores, indutores e capacitores podem ser componentes normais e simples, mas quando são combinados para formar circuitos como RC / RL e circuito RLC, eles exibem um comportamento complexo que os torna adequados para uma ampla gama de aplicações. Poucos deles estão listados abaixo
- Sistemas de comunicação
- Processamento de Sinal
- Ampliação de tensão / corrente
- Transmissores de ondas de rádio
- Amplificadores RF
- Circuito LC ressonante
- Circuitos de melodias variáveis
- Circuitos osciladores
- Circuitos de filtragem