Como funcionam os circuitos RC

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

Um dos principais usos de um capacitor está na forma de uma unidade de acoplamento que permite a passagem da CA, mas bloqueia a CC. Em quase qualquer circuito prático, você verá alguns resistores ligados em série ao capacitor.

O resistor restringe o fluxo de corrente e causa algum atraso na tensão de alimentação fornecida ao capacitor, causando a acumulação de uma carga no capacitor, proporcional à tensão de alimentação.

Constante de tempo RC

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

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

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

Em um circuito RC, a constante de tempo RC pode ser definida como o tempo necessário para que a tensão aplicada através do capacitor atinja 63% da tensão aplicada.

(Essa magnitude de 63% é realmente preferida para facilitar o cálculo.) Na vida real, a tensão no capacitor pode continuar a aumentar praticamente (mas nunca totalmente) até 100% da tensão aplicada, conforme indicado na figura abaixo.

como funcionam os circuitos rc projetos de circuitos domesticos

O elemento constante de tempo significa o período de tempo como um fator de tempo, por exemplo, em 1 fator de tempo da rede RC, 63% da tensão total acumula, em um período após a constante de tempo 2X , 80% da tensão total se acumula dentro do capacitor Etcetera.

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

Os capacitores nunca são totalmente carregados ou descarregados

Teoricamente, no mínimo, um capacitor não pode ser carregado até o nível de tensão total aplicado; também não pode ser totalmente baixado.

Na verdade, a carga total ou a descarga total podem ser consideradas atingidas dentro de um período de tempo correspondente a 5 constantes de tempo.

Portanto, no circuito como mostrado abaixo, o interruptor de energia 1 causará uma carga “completa” no capacitor em 5 vezes segundos constantes de tempo.

1590054425 945 como funcionam os circuitos rc projetos de circuitos domesticos

Então, quando a chave 1 é aberta, o capacitor pode estar em uma situação em que armazenará uma tensão igual à tensão aplicada real. E manterá essa carga por um período indeterminado, desde que o capacitor não vaze internamente.

Esse processo de perda de carga será realmente extremamente lento, já que no mundo real nenhum capacitor pode ser perfeito; no entanto, por um período significativo de tempo, essa carga armazenada pode continuar a ser uma fonte eficaz da tensão original de “carga total” ”

Quando o capacitor é aplicado com alta tensão, ele pode estar rapidamente em posição de administrar um choque elétrico caso seja tocado, mesmo depois que o circuito for desligado.

Para executar o ciclo de carga / descarga, como mostrado no segundo diagrama gráfico acima, quando a chave 2 está fechada, o capacitor começa a descarregar através do resistor conectado e leva algum tempo para concluir seu processo de descarga.

Combinação RC no oscilador de relaxamento

1590054425 820 como funcionam os circuitos rc projetos de circuitos domesticos

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

Inclui um resistor (R) e um capacitor (C) conectado em série a uma fonte de tensão DC. Para ver fisicamente a operação do circuito, uma lâmpada de neon é usada em paralelo com o capacitor.

A lâmpada se comporta virtualmente como um circuito aberto até que a tensão atinja seu limite de tensão limite, quando acende instantaneamente e conduz a corrente como um condutor e começa a brilhar. A fonte de tensão de alimentação para essa corrente, portanto, deve ser maior que a tensão de ativação 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 voltagem crescente que é desenvolvida através do capacitor.

No momento em que essa carga no capacitor atinge um valor que pode ser igual à tensão do gatilho de neon, a lâmpada de neon acende e começa a acender.

Quando isso acontece, o néon cria um caminho de descarga para o capacitor e agora o capacitor começa a descarregar. Por sua vez, isso causa uma queda de tensão no néon e, quando esse nível cai abaixo da tensão de disparo do néon, a lâmpada se apaga e acende.

O processo agora continua fazendo o néon piscar ON OFF. A taxa ou frequência de piscada depende do valor da constante de tempo RC, que pode ser ajustada para permitir uma taxa de piscada lenta ou rápida.

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

Isso implica que, alterando os valores de RC, a taxa de piscamento do néon pode ser alterada de acordo, dependendo das preferências individuais.

Configuração RC em circuitos CA

Quando um AC é usado em uma configuração RC, devido à natureza alternada da corrente, o meio ciclo AC carrega o capacitor efetivamente e da mesma forma descarrega com o próximo meio ciclo negativo. Isso faz com que o capacitor carregue e descarregue alternadamente em resposta à polaridade variável da forma de onda do ciclo CA.

Por esse motivo, as tensões CA não são armazenadas no capacitor, mas podem passar pelo capacitor. No entanto, esse fluxo de corrente é limitado por uma constante de tempo RC existente no caminho do circuito.

Os componentes RC decidem quanto da tensão aplicada o capacitor cobra e descarrega. Simultaneamente, o capacitor também pode fornecer uma leve resistência à passagem de CA através da reatância, embora essa reatância basicamente não consuma energia. Seu principal impacto está na resposta de frequência envolvida no circuito RC.

ACOPLAMENTO RC EM CIRCUITOS AC

O acoplamento de um estágio específico de um circuito de áudio a outro estágio através de um capacitor é uma implementação comum e generalizada. Embora a capacitância pareça ser usada independentemente, ela pode realmente estar envolvida com uma resistência em série integral simbolizada pelo termo “carga”, como mostrado abaixo.

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Essa resistência, auxiliada pelo capacitor, resulta em uma combinação de RC que pode ser responsável por gerar uma certa constante de tempo.

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

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

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

Portanto, o período para uma funcionalidade solitária de upload / download será de 0,05 milissegundos.

A constante de tempo RC necessária para permitir esta operação deve satisfazer o valor de 0,05 milissegundos para atingir 63% do nível de tensão CA fornecido e, essencialmente, um pouco menos para permitir que mais de 63% da tensão aplicada passe.

Otimização da constante de tempo RC

As estatísticas acima nos dão uma idéia do melhor valor possível do capacitor de acoplamento a ser usado.

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

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

Na prática, um valor de capacitância muito maior geralmente pode ser implementado; que pode ser tão grande quanto 1 µF ou até mais. Normalmente, isso pode fornecer melhores resultados, mas, pelo contrário, pode causar uma redução na eficiência de acionamento do acoplamento CA.

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

Uso da rede RC nos CIRCUITOS DO FILTRO

A figura a seguir mostra um layout RC padrão implementado como um circuito de filtro.

1590054426 183 como funcionam os circuitos rc projetos de circuitos domesticos

Se olharmos para o lado da entrada, encontramos uma resistência conectada em série com uma reatância capacitiva, o que causa uma queda de tensão nos dois elementos.

Caso a reatância do capacitor (Xc) seja maior 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, o que resultará em aumento da proporcionalidade da tensão de saída (mas uma parcela significativa da tensão de entrada cairá devido à resistência)

O que é frequência crítica?

Para garantir um acoplamento eficiente do sinal CA, devemos considerar o fator chamado frequência crítica.

Nesta frequência, o elemento de valor de reatância tende a ser tão afetado que, nessa condição, o capacitor de acoplamento começa a bloquear o sinal em vez de conduzir com eficiência.

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

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O ponto crítico, chamado ponto de queda ou frequência de corte (f), é avaliado como:

fc = 1 / 2πRC

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

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

fc = 1 / 2πT

onde T é a constante de tempo em segundos.

A eficiência de trabalho desse tipo de filtro é caracterizada por sua frequência de corte e pela velocidade com que a razão volts (entrada) / volts (saída) começa a cair acima do limite da frequência de corte.

Este último é geralmente representado como (alguns) dB por oitava (para cada frequência duplicada), conforme indicado na figura a seguir, que mostra a relação entre dB e a relação volts (entrada) / volts (saída) e também fornece uma resposta Curva de frequência precisa.

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FILTROS RC DE BAIXA PASSE

Como o nome sugere, os filtros passa-baixo 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 mais atenuação.

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Os valores exatos dos componentes podem ser calculados para esses filtros. Como exemplo, você pode criar um filtro de arranhões padrão que normalmente é usado em amplificadores para atenuar frequências maiores que, digamos, 10 kHz. Este valor específico significa a frequência de corte esperada do filtro.

FILTROS RC DE ALTA PASSAGEM

Os filtros passa-alto são projetados para trabalhar de trás para a frente. Atenuam frequências abaixo da frequência de corte, mas permitem todas as frequências iguais ou superiores à frequência de corte definida sem atenuação.

Para alcançar essa implementação do filtro passa-alto, os componentes RC no circuito são simplesmente trocados entre si da seguinte maneira.

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Um filtro passa-alto é semelhante ao seu equivalente de passa-baixo. Eles geralmente são usados ​​em amplificadores e dispositivos de áudio para eliminar o ruído ou “ruído” gerado por baixas frequências inerentes e indesejadas.

A frequência de corte selecionada a ser removida 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.

Cálculo da frequência de corte RC

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

20 = 1/2 x 3,14 x RC

RC = 125.

Isso indica que, desde que a rede RC seja selecionada para que seu produto seja 125, permitirá o corte alto esperado abaixo dos sinais de 20 Hz.

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

Para dispositivos hi-fi, esses circuitos de filtro de corte geralmente são muito mais sofisticados do que os explicados aqui, para permitir pontos de corte com maior eficiência e precisão de ponto de pino.

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FONTE

Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)

Pode conter erros de tradução

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Veja na FONTE até ser revisado o post.

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