Como funcionam os circuitos RC

Como funcionam os circuitos RC

Em um circuito RC, uma combinação ou R (resistor) e C (capacitor) é usada em configurações específicas a fim de regular o fluxo de corrente, para implementar uma condição desejada.



Um dos principais usos de um capacitor tem a forma de uma unidade de acoplamento que permite a passagem de CA, mas bloqueia a CC. Em quase todos os circuitos práticos, você verá algumas resistências unidas em série com o capacitor.

A resistência restringe o fluxo de corrente e causa algum atraso na tensão de alimentação fornecida ao capacitor, fazendo com que uma carga se acumule no capacitor, proporcional à tensão alimentada.





Constante de tempo RC

A fórmula para determinar o tempo RC (T) é muito simples:

T = RC onde T = constante de tempo em segundos R = resistência em megohms C = capacitância em microfarads.



(Pode-se observar que o mesmo valor numérico para T é fornecido se R está em ohms e C em farads, mas na prática megohms e microfarads são frequentemente unidades muito mais fáceis.)

Em um circuito RC, a constante de tempo RC pode ser definida como o tempo gasto pela tensão aplicada no capacitor para atingir 63% da tensão aplicada.

(essa magnitude de 63% é preferível para facilidade de cálculo). Na vida real, a tensão no capacitor pode continuar acumulando praticamente (mas nunca totalmente) 100% da tensão aplicada, conforme indicado na figura abaixo.

O elemento de constante de tempo significa o período de tempo na forma de fator de tempo, por exemplo, em 1 fator de tempo da rede RC, 63% da tensão total é acumulada, em um período após 2X constante de tempo, 80% da tensão total é acumulada dentro o capacitor e assim por diante.

Depois de uma constante de tempo de 5, quase (mas não totalmente) 100% da tensão pode se acumular no capacitor. Os fatores de descarga de um capacitor ocorrem da mesma maneira fundamental, mas na seqüência inversa.

Ou seja, após um intervalo de tempo igual à constante de tempo 5, a tensão aplicada ao capacitor atingirá uma queda de 100 - 63 = 37% da tensão total e assim por diante.

Capacitores nunca são totalmente carregados ou descarregados

Teoricamente, pelo menos, um capacitor não pode, de forma alguma, carregar até o nível de tensão aplicado, nem pode ser completamente descarregado.

Na realidade, a carga total ou descarga total pode ser considerada como realizada dentro de um período de tempo correspondente a 5 constantes de tempo.

Portanto, no circuito mostrado abaixo, a chave de alimentação 1 causará uma carga 'completa' no capacitor em 5 x segundos constantes de tempo.

Em seguida, quando a chave 1 é aberta, o capacitor pode estar em uma situação em que estará armazenando uma tensão igual à tensão aplicada real. E manterá essa carga por um período indefinido de tempo, desde que o capacitor tenha vazamento interno zero.

Este processo de perda de carga será extremamente lento, uma vez que no mundo real nenhum capacitor pode ser perfeito; entretanto, por certo período significativo de tempo, essa carga armazenada pode continuar sendo uma fonte efetiva da tensão original de 'carga total'.

Quando o capacitor é aplicado com alta tensão, ele pode rapidamente estar em uma posição de aplicar um choque elétrico caso seja tocado mesmo após o circuito ser desligado.

Para executar o ciclo de carga / descarga conforme mostrado no segundo diagrama gráfico acima, quando a chave 2 é fechada, o capacitor começa a descarregar através da resistência conectada e leva algum tempo para realizar seu processo de descarga.

Combinação RC em Oscilador de Relaxamento

A figura acima é um circuito oscilador de relaxamento muito básico operando usando a teoria de descarga de carga básica de um capacitor.

Inclui um resistor (R) e um capacitor (C) conectados em série a uma fonte de tensão CC. Para poder ver o funcionamento do circuito fisicamente, um lâmpada neon é usado em paralelo com o capacitor.

A lâmpada se comporta virtualmente como um circuito aberto até que a voltagem atinja seu limite de voltagem, quando instantaneamente liga e conduz corrente como um condutor e começa a brilhar. A fonte de tensão de alimentação para esta corrente, portanto, deve ser maior do que a tensão de disparo do néon.

Como funciona

Quando o circuito é ligado, o capacitor começa a carregar lentamente conforme determinado pela constante de tempo RC. A lâmpada começa a receber uma tensão crescente que se desenvolve através do capacitor.

No momento em que essa carga através do capacitor atinge um valor que pode ser igual à tensão de disparo do néon, a lâmpada de néon conduz e começa a iluminar.

Quando isso acontece, o néon cria um caminho de descarga para o capacitor e agora o capacitor começa a descarregar. Isso, por sua vez, causa uma queda na voltagem do néon e, quando esse nível fica abaixo da voltagem de disparo do néon, a lâmpada é desligada e desligada.

O processo agora continua fazendo com que o néon pisque LIGADO DESLIGADO. A taxa ou frequência de intermitência depende do valor da constante de tempo RC, que pode ser ajustado para permitir uma taxa de intermitência lenta ou rápida.

Se considerarmos os valores dos componentes conforme mostrado no diagrama, a constante de tempo para o circuito T = 5 (megohms) x 0,1 (microfarads) = 0,5 segundos.

Isso implica que ao alterar os valores de RC, a taxa de intermitência do néon pode ser alterada de acordo, de acordo com a preferência individual.

Configuração RC em Circuitos AC

Quando uma CA é usada em uma configuração RC, devido à natureza alternada da corrente, o meio ciclo da CA carrega o capacitor efetivamente, e da mesma forma é descarregado com o próximo meio ciclo negativo. Isso faz com que o capacitor seja carregado e descarregado alternadamente em resposta à variação da polaridade da forma de onda do ciclo CA.

Por causa disso, com efeito, as tensões CA não são armazenadas no capacitor, em vez disso, podem passar através do capacitor. No entanto, essa passagem de corrente é restringida por uma constante de tempo RC existente no caminho do circuito.

Os componentes RC decidem por qual porcentagem da tensão aplicada o capacitor é carregado e descarregado. Simultaneamente, o capacitor também pode fornecer uma ligeira resistência à passagem da CA pela via da reatância, embora esta reatância basicamente não consuma nenhuma potência. Seu impacto principal é na resposta de frequência envolvida no circuito RC.

ACOPLAMENTO RC em CIRCUITOS AC

Acoplar um estágio específico de um circuito de áudio a outro estágio por meio de um capacitor é uma implementação comum e difundida. Embora a capacitância pareça ser usada independentemente, ela na verdade pode estar envolvida com uma resistência em série integral simbolizada pelo termo 'carga' conforme mostrado abaixo.

Essa resistência, auxiliada pelo capacitor, dá origem a uma combinação RC que pode ser responsável por gerar uma determinada constante de tempo.

É crucial que essa constante de tempo complemente a especificação da frequência do sinal CA de entrada que está sendo transferida de um estágio para outro.

Se assumirmos o exemplo de um circuito amplificador de áudio, a faixa mais alta da frequência de entrada pode ser de aproximadamente 10 kHz. O ciclo do período de tempo desse tipo de frequência será de 1 / 10.000 = 0,1 milissegundos.

Dito isso, para permitir essa frequência, cada ciclo implementa duas características de carga / descarga em relação à função do capacitor de acoplamento, sendo uma positiva e outra negativa.

Portanto, o período de tempo para uma funcionalidade de carga / descarga solitária será de 0,05 milissegundos.

A constante de tempo RC necessária para habilitar este funcionamento deve satisfazer o valor de 0,05 milissegundos para atingir 63% do nível de tensão CA alimentado e, essencialmente, um pouco menos para permitir a passagem de mais de 63 por cento da tensão aplicada.

Otimizando Constante de Tempo RC

As estatísticas acima nos dão uma ideia quanto ao melhor valor possível do capacitor de acoplamento a ser utilizado.

Para ilustrar isso, digamos que a resistência de entrada normal de um transistor de baixa potência pode ser de aproximadamente 1 k. A constante de tempo de um acoplamento RC mais eficaz pode ser 0,05 milissegundos (ver acima), o que pode ser alcançado com os seguintes cálculos:

0,05 x 10 = 1.000 x C ou C = 0,05 x 10-9farads = 0,50 pF (ou possivelmente um pouco menor, pois isso permitiria que uma voltagem superior a 63% passasse pelo capacitor).

Em termos práticos, um valor de capacitância muito maior geralmente pode ser implementado, o qual pode ser tão grande quanto 1 µF ou até mais. Isso normalmente pode fornecer resultados melhorados, mas, ao contrário, pode causar redução na eficiência da condução do acoplamento CA.

Além disso, cálculos sugerem que o acoplamento capacitivo fica cada vez mais ineficiente à medida que a frequência CA aumenta, quando capacitores reais são implementados em circuitos de acoplamento.

Usando rede RC em CIRCUITOS DE FILTRO

Um arranjo RC padrão implementado como um circuito de filtro é demonstrado na figura abaixo.

Se olharmos para o lado da entrada, encontramos um resistor conectado em série com uma reatância capacitiva, causando uma queda de tensão nos dois elementos.

No caso de a reatância do capacitor (Xc) ser maior do que R, quase toda a tensão de entrada se acumula através do capacitor e, portanto, a tensão de saída atinge o nível igual à tensão de entrada.

Sabemos que a reatância do capacitor é inversamente proporcional à frequência. Isso implica que, se a frequência CA for aumentada, a reatância diminuirá, resultando no aumento da proporcionalidade da tensão de saída (mas uma parte significativa da tensão de entrada será reduzida pelo resistor )

O que é frequência crítica

Para garantir um acoplamento eficiente do sinal AC, devemos considerar o fator denominado frequência crítica.

Nessa frequência, o elemento de valor de reatância tende a ser tão afetado que, em tal condição, o capacitor de acoplamento começa a bloquear o sinal em vez de conduzir de forma eficiente.

Em tal situação, a proporção de volts (saída) / volts (entrada) começa a diminuir rapidamente. Isso é demonstrado abaixo na forma esquemática básica.

O ponto crítico, denominado ponto de roll-off ou frequência de corte (f), é avaliado como:

fc = 1 / 2πRC

onde R está em ohms, C está em farads e Pi = 3,1416

Mas a partir da discussão anterior, sabemos que RC = constante de tempo T, portanto, a equação torna-se:

fc = 1 / 2πT

onde T é a constante de tempo em segundos.

A eficiência de funcionamento desse tipo de filtro é caracterizada por sua frequência de corte e pela taxa pela qual a relação volts (in) / volts (out) começa a cair acima do limite de frequência de corte.

O último é geralmente representado como (alguns) dB por oitava (para cada frequência dobrada), conforme indicado na figura a seguir, que exibe a relação entre dB e a relação volts (in) / volts (out), e também fornece uma resposta de frequência precisa curva.

FILTROS RC LOW-PASS

Como o nome sugere, filtros passa-baixa são projetados para transmitir sinais CA abaixo da frequência de corte com perda mínima ou atenuação da força do sinal. Para sinais que estão acima da frequência de corte, o filtro passa-baixo gera uma atenuação aumentada.

É possível calcular os valores exatos dos componentes para esses filtros. Como exemplo, um filtro scratch padrão normalmente usado em amplificadores pode ser construído para atenuar frequências acima de, digamos, 10 kHz. Este valor específico significa a frequência de corte pretendida do filtro.

FILTROS RC HIGH-PASS

Os filtros passa-alta são projetados para operar ao contrário. Eles atenuam as frequências que aparecem abaixo da frequência de corte, mas permitem todas as frequências na ou acima da frequência de corte definida sem atenuação.

Para realizar esta implementação de filtro passa-alta, os componentes RC no circuito são simplesmente trocados uns com os outros conforme indicado abaixo.

Um filtro passa-alta é semelhante ao seu homólogo passa-baixa. Eles geralmente são empregados em amplificadores e dispositivos de áudio, para eliminar o ruído ou 'ruído' gerado pelas baixas frequências inerentes e indesejadas.

A frequência de corte selecionada que deve ser eliminada deve ser baixa o suficiente para não entrar em conflito com a 'boa' resposta de graves. Portanto, a magnitude decidida está normalmente na faixa de 15 a 20 Hz.

Calculando a frequência de corte RC

Precisamente, a mesma fórmula é necessária para calcular esta frequência de corte, portanto, com 20 Hz como o limite de corte, temos:

20 = 1/2 x 3,14 x RC

RC = 125.

Isso indica que, desde que a rede RC seja selecionada de forma que seu produto seja 125, ele permitirá o corte de alta passagem pretendido abaixo dos sinais de 20 Hz.

Em circuitos práticos, esses filtros são normalmente introduzidos no estágio de pré-amplificador , ou no amplificador imediatamente antes de um circuito de controle de tom existente.

Pra Dispositivos Hi-Fi , esses circuitos de filtro de corte são geralmente muito mais sofisticados do que os explicados aqui, para permitir os pontos de corte com maior eficiência e precisão do ponto de pino.

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