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Como funcionam os circuitos RC

Em um circuito RC, uma combinação ou R (resistor) 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 é na forma de uma unidade de acoplamento que permite a passagem de CA, mas bloqueia a CC. Em quase qualquer circuito prático, 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 alimentada 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 megaohms C = capacitância em microfarads.

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

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

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

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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.

Após uma constante de tempo de 5, quase (mas não exatamente) 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.

Capacitores nunca são totalmente carregados ou descarregados

Teoricamente, no mínimo, um capacitor não pode de forma alguma carregar até o nível de tensão total aplicado; nem pode ser completamente descarregado.

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

Portanto, no circuito mostrado abaixo, ligar a chave 1 causará uma carga “cheia” no capacitor em 5 x segundos de constante de tempo.

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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 ele manterá essa carga por um período de tempo indefinido, desde que o capacitor tenha zero vazamento interno.

Este processo de perda de carga será realmente extremamente lento, já que no mundo real nenhum capacitor pode ser perfeito, no entanto, por certo período de tempo significativo, 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 posição de fornecer 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 no Oscilador de Relaxamento

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

Inclui um resistor (R) e um capacitor (C) ligados em série a uma fonte de tensão CC. Para poder ver fisicamente o funcionamento do circuito, uma lâmpada de néon 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 instantaneamente liga e conduz a 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 é desenvolvida através do capacitor.

No momento em que essa carga no 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 neon cria um caminho de descarga para o capacitor e agora o capacitor começa a descarregar. Isso, por sua vez, causa uma queda na tensão através do néon e quando esse nível fica abaixo da tensão de disparo do néon, a lâmpada desliga e desliga.

O processo agora continua fazendo com que o neon 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, alterando os valores de RC, a taxa de intermitência do neon pode ser alterada de acordo com a preferência individual.

Configuração RC em Circuitos CA

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, são permitidas passar pelo capacitor. No entanto, esta passagem de corrente é restringida por uma constante de tempo RC existente no caminho do circuito.

Os componentes RC decidem por quanto percentual da tensão aplicada o capacitor é carregado e descarregado. Simultaneamente, o capacitor também pode fornecer uma leve resistência à passagem da CA por meio 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 CA

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

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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 esta 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 1/10.000 = 0,1 milissegundos.

Dito isto, para permitir esta frequência, cada ciclo implementa duas características de carga/descarga em relação à função do capacitor de acoplamento, que são 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 permitir 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% da tensão aplicada.

Otimizando a Constante de Tempo RC

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

Para ilustrar isso, digamos que a resistência normal de entrada de um transistor de baixa potência pode 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 alcançado 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 superior a 63% passasse pelo capacitor).

Em termos práticos, um valor de capacitância muito maior geralmente pode ser implementado; que pode ser tão grande quanto 1µF ou até mais. Isso normalmente pode fornecer resultados aprimorados, mas, pelo contrário, pode causar redução na eficiência da condução 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 em circuitos de acoplamento.

Usando a rede RC em FILTER CIRCUITS

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

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Se olharmos para o lado da entrada, encontraremos um resistor conectado em série com uma reatância capacitiva, causando 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 no 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, fará com que a reatância diminua, resultando na tensão de saída aumentar a proporcionalidade (mas uma parte significativa da tensão de entrada será descartada pelo resistor ).

O que é Frequência Crítica

Para garantir um acoplamento eficiente do sinal AC, temos que considerar o fator chamado frequência crítica.

Nesta frequência, o elemento de valor de reatância tende a ser tão afetado que nesta condição o capacitor de acoplamento começa a bloquear o sinal ao invés de conduzir eficientemente.

Em tal situação, a proporção de volts(out) / volts(in) começa a diminuir rapidamente. Isso é demonstrado abaixo em forma diagramática básica.

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O ponto crítico, chamado 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 π = 3,1416

Mas 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 deste tipo de filtro é caracterizada pela sua frequência de corte e pela taxa através da qual a relação volts(in) / volts(out) começa a cair acima do limite de frequência de corte.

Este 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 relação volts(in)/volts(out) e também fornece uma resposta de frequência precisa curva.

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FILTROS RC LOW-PASS

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

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É possível calcular valores de componentes exatos para esses filtros. Como exemplo, um filtro de raspagem 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 PASSA ALTA RC

Os filtros passa-altas são projetados para operar no sentido inverso. Eles atenuam as frequências que aparecem abaixo da frequência de corte, mas permitem todas as frequências iguais ou acima da frequência de corte definida sem atenuação.

Para realizar essa implementação de filtro passa-alta, os componentes RC no circuito são simplesmente trocados entre si, conforme indicado abaixo.

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Um filtro passa-alta é semelhante ao seu homólogo passa-baixa. Estes são geralmente empregados em amplificadores e dispositivos de áudio, para se livrar do ruído ou “estrondo” gerado pelas baixas frequências inerentes e indesejadas.

A frequência de corte selecionada que deve ser eliminada deve ser baixa o suficiente para que não entre 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, assim, 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 de forma que seu produto seja 125, habilitará o corte passa-alto pretendido abaixo 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.

Para dispositivos Hi-Fi, esses circuitos de filtro de corte geralmente são 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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