Circuitos RC/RL/LC

O resistor 'R', o indutor 'L' e o capacitor 'C' são elementos fundamentais do circuito, cada um com propriedades diferentes que são a base de todos os dispositivos elétricos modernos.

Um resistor é um componente elétrico que dissipa energia, geralmente na forma de calor. Em contraste, um capacitor armazena energia em um campo elétrico e um indutor armazena energia em um campo magnético.

Quando resistores, capacitores e indutores são conectados juntos, os circuitos exibem respostas dependentes do tempo e da frequência úteis para processamento de sinal CA, rádios, filtros elétricos e muitas outras aplicações.

Este vídeo ilustrará os comportamentos de um resistor-capacitor e de um circuito resistor-indutor e mostrará a oscilação em um circuito indutor-capacitor com pouca perda de energia resistiva.

Vamos aprender como a corrente e a tensão se comportam em circuitos envolvendo resistores, indutores e capacitores.

Primeiro, vamos falar sobre um circuito de um resistor em série com um capacitor, chamado de circuito RC. Quando o interruptor é fechado, a saída da fonte de tensão é aplicada em ambos os componentes e a corrente começa a fluir. Como o capacitor é inicialmente descarregado, ele tem tensão zero em seus terminais. Assim, toda a saída da fonte de tensão aparece no resistor e a corrente está em seu valor máximo.

Se olharmos para o gráfico de tensão e corrente em relação ao tempo, inicialmente VR é igual à tensão da fonte, a tensão no capacitor 'VC' é zero e a corrente está no máximo. À medida que a corrente carrega o capacitor, 'VC' aumenta. Em resposta, a RV diminui e, portanto, a corrente também diminui, de acordo com a Lei de Ohm. Eventualmente, a tensão do resistor é zero e o fluxo de corrente para.

Uma análise semelhante é possível para um circuito RL que consiste em um resistor em série com um indutor. No instante em que a chave fecha, o fluxo repentino de carga cria um campo magnético no indutor e sua tensão 'VL' é igual à tensão da fonte. Consequentemente, o VR inicial é zero e, portanto, a corrente inicial também é zero.

Agora, para monitorar as mudanças, vamos dar uma olhada nos gráficos de tensão e corrente como antes. Com o tempo, à medida que a tensão do indutor diminui, a tensão no resistor aumenta e, portanto, a corrente também aumenta. Em última análise, a tensão do indutor é zero, toda a saída da fonte de tensão está no resistor e a corrente está em seu valor máximo.

O decaimento dos transientes de corrente e tensão nos circuitos RC e RL é causado pela dissipação de energia no resistor. Em contraste, um circuito LC, que possui um capacitor conectado a um indutor, idealmente não tem resistência ou perda de energia e exibe um comportamento muito diferente.

Se o capacitor neste circuito for carregado até a tensão V e depois conectado ao indutor, a energia elétrica armazenada no capacitor é transferida para o indutor e convertida em energia magnética. O indutor então transfere sua energia de volta para o capacitor, então o processo se inverte com a corrente fluindo na direção oposta, esse processo se repete indefinidamente e a tensão em cada componente oscila senoidalmente com o tempo.

Um circuito RLC como este adiciona um resistor ao circuito LC. As oscilações nesta configuração amortecem porque o resistor dissipa energia durante cada ciclo. Eventualmente, as oscilações param quando a tensão e a corrente decaem para zero.

Agora que explicamos os fundamentos dos circuitos RC, RL e LC, vamos dar uma olhada em seus comportamentos em laboratório.

Obtenha um osciloscópio, uma pequena lâmpada com resistência de alguns ohms, um interruptor e uma fonte de tensão CC ou bateria de 1,5 volts. Monte este circuito e deixe o interruptor aberto.

Selecione a escala vertical do osciloscópio para 1 volt por divisão e a escala de tempo para 1 segundo por divisão. Mais tarde, pode ser necessário ajustar essas configurações para uma visualização ideal dos sinais durante os vários testes.

Feche o interruptor para ligar a lâmpada.

Como a lâmpada age como um resistor, a corrente através dela é proporcional à tensão. Como mostram os traços do osciloscópio, a lâmpada acende instantaneamente quando o interruptor fecha e escurece instantaneamente quando o interruptor abre.

Monte o circuito conforme mostrado com um capacitor de 1 Farad em série com a lâmpada. Observe que o osciloscópio mede a tensão através do resistor. Deixe o interruptor aberto até o início do teste.

Feche o interruptor e observe a lâmpada e o traço do osciloscópio. A lâmpada acende brevemente antes de escurecer porque o capacitor passa corrente quando a tensão muda repentinamente, quando o interruptor fecha. Com o passar do tempo, a corrente através do circuito decai devido à resistência da lâmpada e à capacitância.

Abra o interruptor e modifique o circuito conectando uma segunda lâmpada em paralelo com a primeira.

Feche novamente o interruptor. Observe as lâmpadas e o traço do osciloscópio. As duas lâmpadas paralelas acendem e apagam mais rapidamente do que a lâmpada única. Isso ocorre porque a resistência paralela de duas lâmpadas é menor do que a resistência de uma única lâmpada. O circuito resultante tem uma queda mais curta na corrente e uma resposta mais rápida.

Monte este circuito com um indutor Henry de 1 mili em série com a lâmpada. Deixe o interruptor aberto até o início do teste.

Feche o interruptor e observe a lâmpada e o traço do osciloscópio. A lâmpada leva um pouco de tempo para acender porque o indutor conduz pouca corrente quando a tensão muda repentinamente, como quando o interruptor fecha.

Com o passar do tempo, a corrente do indutor - e através da lâmpada - se aproxima de um nível de estado estacionário. Abra o interruptor e conecte uma segunda lâmpada em paralelo com a primeira.

Feche novamente o interruptor. Observe as lâmpadas e o traço do osciloscópio. As duas lâmpadas paralelas acendem e apagam mais lentamente do que a lâmpada única. Isso ocorre porque a resistência paralela de duas lâmpadas é menor do que a resistência de uma única lâmpada.

Monte este circuito com um capacitor Farad de 10 micro e um indutor Henry de 8 mili, junto com o osciloscópio conectado ao capacitor. Feche o interruptor 1 para carregar o capacitor e deixe?interruptor 2 aberto até o início do teste.

Abra o interruptor 1 para desconectar a fonte de tensão do circuito. Feche o interruptor 2 e observe o osciloscópio. A tensão do indutor oscila e pode apresentar algum amortecimento causado pela pequena resistência dos fios no circuito. O período de oscilação é da ordem de milissegundos, o que é consistente com o tempo esperado com base nos valores de capacitância e resistência.

Resistores, capacitores e indutores são componentes simples, mas os circuitos RC, RL e LC que os utilizam têm comportamentos complexos, o que permite muitas aplicações em processamento eletrônico de sinais, circuitos de temporização e filtros.

Neste exemplo, os pesquisadores implantaram transmissores de rádio subcutâneos em camundongos para estudar a pressão arterial enquanto eles se moviam livremente. Os receptores de rádio geralmente usam circuitos indutor-capacitores para selecionar uma frequência específica da banda larga de energia de radiofrequência interceptada, ou RF. A frequência correta carrega as informações desejadas para amplificação e processamento posterior por eletrônicos adicionais no receptor.

Os eletroencefalógrafos medem a atividade elétrica no cérebro. Os eletrodos colocados sobre o couro cabeludo captam sinais de nível de milivolts em uma ampla faixa de frequência. Os circuitos RC, RL e LC fazem parte dos filtros que reduzem a interferência elétrica e os artefatos, ajudando assim na aquisição de dados significativos.

Você acabou de assistir à introdução de JoVE ao comportamento dependente do tempo de circuitos usando resistores, capacitores e indutores. Agora você deve entender os fundamentos dos circuitos RC, RL e LC e como esses circuitos diferem uns dos outros. Obrigado por assistir!