Circuitos RC

Sabe aquela luzinha que acende quando você abre a porta do carro e ela vai se apagando aos pouquinhos? Pois é, aquilo é um circuito RC e é ele que vamos experimentar nesse capítulo. Para tanto, teremos que conhecer mais um componente: O capacitor.

O que faz um capacitor?

Um capacitor conectado através de fonte de tensão CC poderá acumular carga que persiste após a fonte ser desconectada. Assim, o capacitor armazena carga como uma pequena bateria recarregável. Esta carga e descarga são muito rápidas e podem ser limitada por um resistor, assim podemos habilitar o capacitor a funcionar como um circuito de tempo.

O capacitor ainda pode ser utilizado como filtro contra “ruídos” elétricos em áudio e na construção de fontes de tensão.

Abaixo podemos ver os símbolos esquemáticos dos capacitores. Note que existem capacitores polarizados, os chamados eletrolíticos, que devem ser conectados corretamente ao circuito, mas a maioria deles possui indicação dos pólos:

Como funciona?

O capacitor basicamente é composto por duas placas condutivas separadas por um isolante chamado dielétrico. O dielétrico pode ser de papel, vidro, poliéster, mica, ar e mesmo o vácuo. Para muitos capacitores o dielétrico dá nome ao próprio capacitor. Assim, um capacitor de poliéster tem este material plástico como isolante ou dielétrico

A relação entre a quantidade de cargas que pode ser armazenada em um capacitor e a tensão (V) que mantém estas cargas nas armaduras é denominada capacitância, ou seja, a capacidade do capacitor (C), sendo medida em farads (F).

Na prática, é comum expressarmos a capacitância de um capacitor através dos submúltiplos do farad:

Microfarad (μF) = 0,000 001 Farad = 10^-6 F
Nanofarad (nF) = 0,000 000 001 Farad = 10^-9 F
Picofarad (pF) = 0,000 000 000 001 Farad = 10^-12 F

Existe uma variante de tipos de capacitores quanto ao seu formato externo.

Quanto a disposição dos terminais, alguns formatos como o radial , por exemplo, são mais indicados para utilização em circuitos impressos, assim como os SMD (surface-mount device).

O material dielétrico usado em sua fabricação determina suas aplicações específicas:

• Cerâmicos: Capacitores pequenos, de baixo custo, adequados para altas frequências. São fabricados com valores de capacitância de picofarads (pF) até 1 microfarad (µF).
• Poliéster: Muito utilizados para sinais AC de baixa frequência. Seu valor típico de capacitância reside na ordem dos nanofarads (nF).
• Tântalo: Alta capacitância e tamanho reduzido. Podem ser polarizados ou não-polarizados. Possuem maior custo de produção em relação aos capacitores eletrolíticos.
• Mica: Não sofrem variação com o tempo, porém, de alto custo de produção.
• Óleo: Alta capacitância e são indicados para aplicações industriais, pois suportam altas correntes e picos de tensão elevados.
• Eletrolíticos: O dielétrico é o óxido de alumínio imerso em uma solução eletrolítica. São polarizados de alto valor de capacitância, muito utilizados em fontes de alimentação. Possuem custo reduzido em relação ao valor da capacitância, porém, proporcionam grandes perdas e seu uso é limitado a baixas frequências.

Circuito RC

O circuito composto de um resistor, um capacitor e uma fonte de tensão ou força eletromotriz (fem), é denominado circuito RC. Veja no exemplo abaixo:

O resistor no circuito pode carregar 63,2% de um capacitor em t segundos, sendo

t = R . C

·       t: chamada de constante de tempo e dada em segundos;

·       R: resistência elétrica, dada em ohms

·       C: capacitância, dada em farads

Isto é, a tensão elétrica no capacitor após “t” segundos de carga é igual à 63,2% da tensão elétrica de carga. Na prática, pode-se considerar que o capacitor carrega-se totalmente após 5 constantes de tempo.

Exemplo de Carga de um Capacitor

Vejamos agora um exemplo para confirmar os cálculos. Utilizaremos para tanto o circuito modelo da figura abaixo:

Após uma constante de tempo RC, o capacitor carrega com 63,2% da tensão da fonte.( 63,2% de V ).

t= R . C  

t= 100.10³ * 100.10^-6 

t = 10 segundos

Assim, após 10 segundos o capacitor terá uma carga de 63,2% de V) e após 5.R.C, o capacitor está praticamente carregado com a tensão da fonte (99,3% de V).

t = 5*R*C = 5. (100.10³ * 100.10^-6)

t = 50000.10^-3 segundos

t = 50 segundos

Nota-se que a função do resistor R é controlar o tempo de carga do capacitor. O tempo de carga depende diretamente do produto R.C.

Observemos a tabela abaixo que nos permite acompanhar a evolução da carga no capacitor de nosso exemplo:

Depois do tempo de carga (5*R*C), o capacitor fica completamente carregado, a corrente torna-se nula e a diferença de potencial no resistor é igual a zero. Dessa forma a ddp (diferença de potentcial ou queda de tensão) final nos terminais do capacitor é igual à da bateria (Vt = Vc).

A tabela a seguir mostra o processo inverso que é a descarga do capacitor:

Experimento 7.1

Vamos olhar para nosso circuito prático:

Lista de Material

- Bateria 9 V

- Capacitor eletrolítico 100µF

- Resistor 100KΩ

- Resistor 330Ω

- Led

- Chave 3 posições (SPDT)

- Protoboard

- Multímetro

O objetivo dele é medir a tensão sobre o capacitor com a passagem do tempo. Após isso, vamos implementá-lo para vermos na prática a carga e descarga do capacitor.

Tente montá-lo na protoboard e coloque o multímetro sobre o capacitor.Lembre-se que o capacitor é eletrolítico, logo, tem polaridades. Atente para a correspondência entre o capacitor e as ponteiras do multímetro (Vermelho=positivo, preto=negativo).

O ideal seria um osciloscópio, aí você poderia ver a curva de carga e descarga do capacitor de forma real. Mas este é um instrumento caro demais para nossas intenções atuais.

Primeiro você precisará soldar três pedaços de fio nos terminais da chave como na figura abaixo:

Quando a chave estiver na posição (1), ou seja, estiverem em contato o terminal positivo da bateria e o resistor, o capacitor se carrega. Faça isso e observe no multímetro o valor da tensão sobre o capacitor subir até o máximo.

Quando a chave estiver na posição (3), ou seja, estiverem em contato o terminal negativo da bateria e o resistor, o capacitor se descarrega. Faça isso e observe no multímetro a tensão sobre o capacitor cair até praticamente zero.

Observe que utilizamos garras jacaré para facilitar nossas medições, conectando-as às ponteiras do multímetro e aos terminais do capacitor. Lembre-se de observar as polaridades.

Agora vamos implementar nosso circuito e colocar em paralelo com o capacitor um resistor e um led. Assim:

Devemos observar o led acender lentamente com a chave na posição (1). Depois coloque a chave na posição (3) e observe o led apagar-se. Lembre-se, o tempo de carga e descarga pode ser determinado pelo resistor em série com o capacitor. Experimente colocar um resistor ou, quem sabe, um potenciômetro com um valor maior e observar o que acontece. Faça medições, experimente.

Autor

Marcos Pizzolatto

Referências

http://www.sabereletronica.com.br/artigos/2353-tudo-sobre-capacitores

http://www.eletronicadidatica.com.br/componentes/capacitor/capacitor.htm