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CAPÍTULO 3 CIRCUITO RC 3.1 - Introdução Neste capítulo será utilizada a álgebra de fasores, onde será aplicado um método de solução rápida e direta no cálculo de circuito CA em série e em paralelo. As grandezas de tensão corrente e impedância serão abordadas neste aspecto, acrescentando ainda a análise de suas respectivas respostas de freqüências. 3.2 – Circuito RC série A associação série de um resistor com um capacitor possibilita uma diversidade de aplicações, tanto no ramo da eletrônica quanto da elétrica. Tal associação, por exemplo, é considerada como uma célula básica em um filtro RC formado por redes de associações de circuitos RC em série, permitin- do a generalização das equações de suas células e facilitando o cálculo da rede. Por outro lado, tal associação pode ser usada para desacoplamento de sinais, aproveitando a propriedade do capacitor em bloquear a tensão contínua. 3.2.1 – O circuito A representação aqui abordada para circuitos CA, apresenta os valores de seus componentes utilizando números complexos na forma retangular e os valores da fonte na forma polar. Esta técnica José Francisco Castelo Branco Filho 58 facilita os cálculos de tensão e corrente na álgebra de fasores, em qualquer tipo de associação. O circuito RC série representado neste aspecto, é mostrado na Figura 3.1 . 0oE cj X I →→→→ R ++++ −−−− −−−− Figura 3.1 – Circuito RC-Série Em circuitos de associação série, a fonte de tensão é comumente tomada na referência para que possamos simplificar sua análise. O ângulo da impedância pode ser mais facilmente compreendido se o observarmos o circuito do ponto de vista da fonte. Ao aplicarmos uma tensão no circuito da Figura 3.1, irá circular uma corrente no capacitor e no resistor. A presença do capacitor, por si só, fará com que o ângulo desta corrente seja adiantado de 90° devido o comportamento de sua reatância. A presença do resistor junto ao capacitor reduz esse deslocamento angular de corrente, permitindo uma variação entre 0° e -90° (Figura 3.3) que depende da relação entre a reatância capacitiva Xc e a resistência R. Assim, aplicando a 1ª lei de Ohm, o ângulo da impedância do circuito pode ser determinado pela inclinação da sua curva característica V x I, que pode ser obtida em laboratório. A análise de um circuito RC série pode ser facilitada se iniciarmos pelo cálculo de sua impedância. 3.2.2 Impedância A impedância de um circuito é encarada do ponto de vista da fonte conforme mostrado na Figura 3.2. Num circuito RC série, a impedância equivalente do circuito é calculada do mesmo modo que a resistência equivalente num circuito puramente resistivo. R CjX− Z Figura 3.2 – Ilustração da impedância de um circuito RC série Capítulo II - Circuitos RC 59 Assim podemos escrever seu valor complexo como a soma algébrica das impedâncias parciais na forma retangular onde : �� = � − ��� Graficamente é representado num diagrama de impedâncias num plano complexo conforme ilustrado na Figura 3.3. A título de exemplo, foi utilizado um ângulo |θ| < 90° e R > |XC| . j++++ θθθθ R CX−−−− Zɺɺɺɺ j−−−− ++++−−−− Z Figura 3.3 – Diagrama de impedâncias de um circuito RC série. Seu módulo pode ser facilmente obtido aplicando o teorema de Pitágoras no triângulo da Figura 6.3 , resultando em : � = � + �� E seu ângulo obtido da relação trigonométrica a partir da tg (θ) onde :_ � = ���� �−��� � = − ���� ���� � De posse do módulo e do ângulo podemos representar genericamente a impedância na forma polar : �� = ��−�� Como o valor resultante para θ é negativo, podemos afirmar que : Num circuito RC série, o ângulo � possui valor negativo variando entre 0 e -180° . obviamente, para 0° < θ < 180° o circuito deixa de ser capacitivo. Para | θ | > 90º o valor da resistência é negativo. Tais valores se aplica a componentes onde a corrente varia de forma inversamente proporcional à tensão aplicada. Para 0º < θ <180° o circuito deixa de ser capacitivo ; 0º < θ < 90° aplica-se à resistências positivas. 3.2.3 - Tensões A tensão total no circuito RC é dividida no resistor e no capacitor em quedas de tensão conforme José Francisco Castelo Branco Filho 60 mostrado na Figura 3.4. A aplicação da regra do divisor de tensão usada em CC, também válida para CA, é preferida para facilitar o cálculo destas quedas de tensão. 0oE ++++ −−−− ++++ −−−−−−−− ++++ RV←←←← CV←←←← E↑↑↑↑ Figura 3.4 – Representação das tensões no circuito RC Aplicando o divisor de tensão no circuito da Figura 6.4, na forma fasorial, obtemos no resistor : ��� = ��� �� onde ��� = ������ ����° = ��� ��� A queda de tensão no capacitor é calculada por : ��� = ����� �� sendo ��� = �� �����° ����� ���°� = �� �� � �(����°) 3.2.4 – Corrente O fasor de corrente pode ser facilmente calculado utilizando a 1ª lei de Ohm : � = ���� = �� ��° ����� onde � = �� = �� ���° Como o valor de θ é positivo para um circuito capacitivo, podemos afirmar que : Capítulo II - Circuitos RC 61 O ângulo da corrente no circuito RC série é positivo onde θ varia entre 0° e 180° . Semelhantemente ao ângulo da impedância, podemos concluir que para θ > 180° o circuito deixa de ser capacitivo. De posse dos fasores de ��� , ��� e �� podemos traçar o diagrama fasorial das tensões e da corrente. A Figura 3.5 ilustra este caso, considerando θ < 90° e VR > VC . j++++ θθθθ CVɺɺɺɺ RVɺɺɺɺ j−−−− ++++−−−− Eɺɺɺɺ CIɺ Figura 3.5 – Diagrama fasorial das tensões do circuito RC série para θ < 90° e VR >VC .. No diagrama da Figura 3.5, podemos concluir no circuito RC série que : • A corrente no circuito RC série possui o mesmo ângulo da tensão no resistor. Isto valida o fato em que tensão e corrente estão em fase no resistor. • As tensões VC e VR estão em quadratura onde VC está atrasada em relação a VR . • A corrente no circuito RC série está adiantada da tensão • O ângulo da impedância é negativo e varia entre 0º e -90° em circuitos com resistores • O ângulo da corrente é positivo e varia entre 0° e 90° em circuito com resistores José Francisco Castelo Branco Filho 62 3.2.5 – Fator de Potência O fator de potência de um circuito indica o índice de aproveitamento da energia fornecida pela fonte. Como a potência instantânea em CA depende da tensão e da corrente no mesmo instante de tempo, somente sem defasagem entre estas grandezas é possível obter um fator de potência máximo, como no caso da tensão sobre um resistor, cuja forma de onda é mostrada na Figura 3.6. Neste caso, os valores máximos de Vm e Im acontecem instantaneamente, produzindo uma potência máxima de 5W para Vm=2,5V Im = 2A . Figura 3.6 – Efeito do fator de potência num circuito resistivo Basta uma pequena defasagem na corrente para impossibilitar o produto v x i de atingir o valor máximo Vm x Im , conforme mostrado na Figura 3.7, onde podemos ver que a potência máxima atinge a marca de 4.87W num circuito capacitivo para os mesmos valores de amplitude da Figura 3.6 . Figura 3.7 - Efeito do fator de potência num circuito capacitivo Capítulo II - Circuitos RC 63 Considerando o fator de potência máximo igual a 1 , podemos equacionar a potência usando a regra do produto escalar entre V e I, multiplicado pelo fator de potência, ou seja : " = � #$%& assim obtemos : #$%& = "� onde : P - Potência consumida no circuito. VI - Potênciaentregue ao circuito. ' - Ângulo de defasagem entre a tensão e a corrente cos ' - Fator de potência. O fator de potência pode estar atrasado ou adiantado dependendo do ângulo da corrente em relação à tensão. Para uma corrente adiantada de um ângulo ' da tensão, teremos um fator de potência adiantado. Caso contrário estará atrasado. Fator de potência do circuito RC série O fator de potência para o circuito RC série pode ser calculado no gráfico da Figura 3.5. Aplicando a relação trigonométrica nesta figura, obtemos : #$%� = ��� Como VR = RI e E = ZI , o fator de potência resulta em : #$%� = �� Desta forma, o fator de potência pode ser também obtido do gráfico de impedâncias da Figura 3.3, o que simplifica seu cálculo quando são conhecidos os valores dos componentes. Observando a equação do fator de potência e o gráfico da Figura 3.3, percebe-se que no circuito RC: Para Z >> R, cos � → 0 e � → 90º Para Z ≥ R, cos � → 1 e � → 0º Como o ângulo da corrente varia entre 0° e 90º, conclui-se que : “O fator de potência de um circuito RC série varia entre 0 e 1” . José Francisco Castelo Branco Filho 64 3.2.6 – Domínio do tempo A resposta do circuito no domínio do tempo, mostra a realidade do comportamento das ondas de tensão e corrente, exibindo em formas de onda, suas variações de amplitude no tempo, seu deslocamento de fase em relação à origem e suas distorções. Tal abordagem se torna essencial na aplicação de projetos, uma vez que mostra claramente os valores máximos de amplitude da onda, que implica no limite de tensão suportado por um componente numa certa freqüência. Por outro lado, o deslocamento de fase permite o cálculo da potência média do circuito através do fator de potência, possibilitando um dimensionamento correto em função da potência máxima suportada pelos componentes. No circuito RC série, temos a tensão instantânea fornecida pela fonte provocando duas quedas de tensão instantâneas e, como efeito, uma corrente instantânea. Tensão da fonte Idealmente, a tensão instantânea da fonte é matematicamente representada por : � = �> ?�@ (A�) que em função do valor eficaz, resulta : � = √ � ?�@ (A�) Tensão no resistor A tensão instantânea vR no resistor pode ser obtida do fasor de tensão ��� dado anteriormente, resultando : C� = √ ��� ?�@(A� + �) Tensão no capacitor A tensão instantânea vc no capacitor pode ser obtida do fasor de tensão ��� , resultando : C� = √ �� �� ?�@(A� + � − ��°) Corrente A corrente instantânea ic no circuito pode ser obtida do fasor de corrente � � , resultando : Capítulo II - Circuitos RC 65 D� = √ �� ?�@(A� + �) Formas de onda das tensões (a) (b) Figura 3.8 – a) Circuito C.A. , RC série, b) Formas de onda de tensão Para Erms=5V, f = 1(KHz), R=1(KΩ) e C = 100(nF) . No gráfico da Figura 6.8, podemos notar a defasagem de 0º da tensão da fonte v e sua amplitude de 5√ volts. A tensão vr, com amplitude de 3,76V está adiantada da tensão vc de 90º e atrasada em relação à tensão da fonte v. Isto comprova o diagrama fasorial anteriormente abordado. O instante inicial das senóides de vc e vr são dados em milisegundos, de onde se pode calcular o ângulo de defasagem considerando α = ω.∆t em radianos e f = 1KHz. E = FG���(�, �H�I − �, HI�I)G��I (rd) E = -4.7124 (rd) = 90º José Francisco Castelo Branco Filho 66 Portanto, no diagrama das formas de onda, pode-se perfeitamente determinar o comportamento do circuito, se capacitivo ou indutivo, baseado nas defasagens entre tensões ou entre tensão e corrente. Formas de onda da tensão e da corrente Figura 3.9 –Formas de onda da tensão e da corrente de um circuito RC série para : Erms=5V, f =1(KHz), R=1(KΩ) e C =100(nF) . A Figura 3.9 ilustra a defasagem no tempo entre tensão e corrente do circuito RC série para valores respectivos aos componentes citados. Pode-se visualizar claramente o adiantamento da corrente em relação à tensão, indicando um fator de potência adiantado. O ângulo de defasagem α, em radianos, pode ser calculado através da diferença angular entre Өv e Өic a partir os instantes de tempo mostrados na Figura 3.9 . Considerando, E = A (� − �G) Obtemos : E = FG���(G − �, HI�I)G��I (�J) E = G. ���K (�J) Convertendo para graus, E = LK. HL º Que está dentro do limite de defasagem angular equacionados anteriormente para o circuito RC série. Capítulo II - Circuitos RC 67 3.2.7 – Resposta de frequência A resposta de freqüência de um circuito RC série, exibe como aspectos principais, o limite de corrente no capacitor e a faixa de freqüência de operação em que estas correntes são significativas dependendo de sua aplicação. Tais parâmetros são fundamentais para aplicação em projetos, garantindo um dimensionamento adequado do capacitor e garantindo seu desempenho no circuito. 3.2.7.1 Mapeamento das curvas O mapeamento das curvas de resposta de freqüência tem grande significado na aplicação de projetos. Identificando-se faixas de freqüência em função da inclinação da curva, podemos evitar consumo de potência ativa, deixando de operar em regiões de inclinações muito baixas, garantindo assim, eficiência energética no desempenho do circuito. Além disso, podemos dimensionar com mais precisão os componentes do circuito, para responder a uma específica freqüência, tal que forneça potência reativa para correção de fator de potência, por exemplo. Tal aplicação pode ser utilizada em filtros, FACTS e fontes de reativo, que são circuitos utilizados para melhorar a qualidade da energia em redes de energia elétrica. O caso particular em que as tensões são iguais no resistor e no capacitor para uma determinada freqüência fR, é determinante para gerar uma freqüência de referência. Assim, inspecionado a curva, podemos estimar as freqüências que limitam uma faixa específica, relacionando estes limites com fR, dentro de um padrão de inclinação identificado no espectro. Tais padrões, uma vez identificados, podem ser generaliza- dos para diferentes valores de componentes de um circuito. Resposta de freqüência da impedância A resposta de freqüência da impedância é dada pelo módulo da impedância em função da freqüência ao longo de uma faixa ou banda, onde podemos escrever : �(N) = � + ��(N) José Francisco Castelo Branco Filho 68 �(N) = O� + G ( FN�) Aplicando os limites da faixa de freqüência na equação acima obtemos : Para f → 0 ∴ → Z( f ) → ∞ Para f → ∞ ∴ → Z( f ) → R Fisicamente, os circuitos equivalentes em tais limites são representados conforme as figuras 3.10 (a) e (b) . E R ∞∞∞∞====CX 0====f R 0====CX ∞∞∞∞====f0 oE ++++ −−−− (a) (b) Figura 3.10 – Circuitos equivalentes para os limites extremos da faixa de freqüência. Portanto, o capacitor se comporta como um circuito em aberto na tensão contínua e um curto- circuito numa tensão alternada de alta freqüência. Graficamente, as curvas traçadas nestes limites são mostradas como exemplo na Figura 3.11 Figura 3.11 –Resposta de freqüência da impedância Para f =1KHz, Erms=5V, R =1K e C =100nF Capítulo II - Circuitos RC 69 Podemos observar na Figura 3.11 que em f igual a fR, o valor da impedância Z se torna igual ao da resistência R. Abaixo de fR , Z e Xc são maiores que R e acima de fR , Xc é menor que R e Z tende a ao valor de R. Observa-se que para valores maiores que 3(KHz) a curva de Xc se tornapraticamente paralela a da resistência. Isto revela um comportamento linear no circuito nestas freqüências, eliminado o efeito capacitivo. Por outro lado, para freqüências abaixo de 0,5(KHz), a curva Xc se torna mais inclinada e o efeito capacitivo mais acentuado, tornando Z praticamente igual a XC. Portanto, podemos concluir que somente em algumas faixas de freqüências, é possível obter com eficiência o uso do efeito capacitivo produzido pelo capacitor no circuito. Resposta de frequência da corrente A resposta de freqüência para a corrente é calculada aplicando a lei de Ohm nos módulos da tensão e da impedância em função da frequência ; �(N) = ��(N) onde �(N) = �Q� + G( FN�) Aplicando os limites para a faixa de freqüência, obtemos: Para f → 0 ∴ IC ( f ) → 0 Para f → ∞ ∴ IC ( f ) → �� Analisando a equação de Ic(f) podemos observar que a corrente cresce exponencialmente com a freqüência atingindo um valor limitado somente pelo resistor, conforme a curva mostrada na Figura 3.12, obtida em simulação computacional no programa Matlab. Nela pode-se observar que, no limite, a corrente tende a 5(mA) quando XC tende a zero . José Francisco Castelo Branco Filho 70 Figura 3.12 –Resposta de freqüência da corrente para: f =100Hz, Erms= 5V , R =1K e C =100nF. Resposta de frequência da tensão no resistor A resposta de freqüência da tensão no resistor é obtida aplicando-se o divisor de tensão no resistor, envolvendo a resistência, o módulo do fasor de tensão da fonte e o módulo da impedância complexa do circuito RC série. ��(N) = ��(N) � Desmembrando a impedância, teremos: ��(N) = �Q� + �� � Elevando ao quadrado ambos os membros da equação de VR(f) e dividindo por R2 o numerador e denominador da fração, chega-se a : ��(N) = �QG + G( FN��) Onde a tensão VR(f) depende da frequência, do módulo da tensão da fonte, da resistência e da capacitância do circuito RC série. Aplicando os limites da faixa de freqüência, na equação de VR(f), podemos traçar a curva de resposta de freqüência. Para N → � ∴ ��(N) → � Para N → ∞ ∴ ��(N) → � Capítulo II - Circuitos RC 71 Portanto, baseado na equação de VR(f),, podemos prever que a tensão no resistor cresce assintotica- mente de 0 para E quando aumentamos a freqüência numa faixa de 0 a ∞ . Resposta de frequência da tensão no capacitor A resposta de freqüência da tensão no capacitor é obtida aplicando-se o divisor de tensão no capacitor, envolvendo o módulo da reatância capacitiva, o módulo do fasor de tensão da fonte e o módulo da impedância complexa do circuito RC série. ��(N) = ��(N)�(N) � Desmembrando a impedância, teremos: ��(N) = ��(N) � + ��(N) � Elevando ao quadrado ambos os membros da equação de VC(f) e dividindo por XC(f)2 o numerador e denominador da fração, obtém-se : ��(N) = � G + ( FN��) E portanto, VC(f) depende as mesmas variáveis utilizadas no cálculo de VR(f) . Aplicando os limites da faixa de freqüência, na equação de VC(f), obtemos : Para N → � ∴ ��(N) → � Para N → ∞ ∴ ��(N) → � Observando a equação de Vc(f) e os valores obtidos para os extremos da faixa, podemos concluir que a tensão no capacitor decresce assintoticamente de E a 0 quando aumentamos a freqüência de 0 a ∞. Quedas de tensão iguais Observando o circuito RC série, nota-se uma característica importante quando a tensão no resistor é igual a do capacitor para uma determinada freqüência fR. Esta freqüência pode ser calculada tornando a reatância capacitiva Xc igual a R, onde : José Francisco Castelo Branco Filho 72 G FN�� = � resultando : N� = G F�� Como ambos os componentes estão em série, o produto RI é igual a XcI , onde se conclui que Xc igual a R . Substituindo na 2ª equação de VR(f) , obtemos : ��(N�) = �√� + � � que resulta em : ��(N�) = �√ = �>√ √ = �> Isto significa que, quando as tensões estiverem igualmente distribuídas no resistor e no capacitor, seu valor será igual a 70,7% do módulo da tensão da fonte, ou metade do seu valor de pico. Corrente para f = fR O módulo da corrente, neste caso é calculado por : (N�) = ��(N�) = �√� + � = �√ � = �> � Um exemplo prático de resposta de tensões é ilustrado na Figura 3.13 . Para uma clara compreensão do comportamento da resposta das tensões no circuito RC série, é necessário plotar suas curvas em um gráfico. A Figura 3.13 mostra a resposta para um circuito RC série alimentado por uma tensão de 5 volts eficazes, com resistência de 1KΩ e capacitância de 100nF, para uma faixa de freqüências entre 0 a 4fR , onde as curvas de VR(f) ,VC(f) e VR(f) + VC(f) são obtidas através de simulação computacional . Capítulo II - Circuitos RC 73 Figura 3.13 –Resposta de freqüência das tensões para Erms= 5V , R = 1K e C = 100nF. Comportamento de resposta das tensões Podemos observar três curvas na Figura 3.13. A curva VRC indica a soma das tensões para cada freqüência. VR, indica a tensão no resistor, e VC, indica a tensão no capacitor. Notamos, que a soma dos módulos das tensões resulta em uma tensão maior que a tensão total fornecida ao circuito, em todas as freqüências o espectro, uma vez que a tensão eficaz representa um valor médio. Sendo assim, isto não contraria lei de Kirchhoff, pois na prática, tal soma não acontece em um determinado instante de tempo. No ponto em que f igual a fR, há uma mudança de comportamento no módulo das tensões, se compararmos o lado direito e o lado esquerdo desse ponto, onde : Para f < fR → VR(f) < VC(f) Para f > fR → VR(f) > VC(f) Para f = fR → VR(f) = VC(f) Podemos também perceber que a curva de VC inverte sua inclinação para valores de frequência maior que fR. José Francisco Castelo Branco Filho 74 3.2.8 - Exercícios Para um circuito formado por um resistor de 1(KΩ) em série com um capacitor de 100(nF), alimentado por uma tensão ca de 127(V), 60(Hz): a) Calcule a reatância complexa capacitiva. b) Calcule a impedância complexa do circuito. c) Esboce o diagrama de impedâncias. d) Calcule os fasores de tensão: d1) no resistor ; d2) e no capacitor. e) Calcule o fasor de corrente no circuito. f) Esboce o diagrama fasorial completo do circuito. g) Calcule o fator de potência do circuito através do diagrama de impedância. h) Identifique o aspecto reativo do circuito para a frequência dada. i) Calcule a expressão das tensões instantâneas: i1) no resistor; i2) no capacitor. j) Calcule a expressão da corrente instantânea no circuito. Respostas a) 3.4.1- b) a)- TU� = V26,526(Ω) b)- [� = 26545]�^_`,_aº(Ω); c) Fasores: (d1) b� c = 4,784]^_`._a°(b) ; (d2)- b�U = 126,9]�^ i,jk° e) Fasor: l�U = 4,78]^_`._a°(mn) f)- op≅0,038 adiantado h) Capacitivo i)- (i1) tc ≅ 6,77 cos(377u + 87,84°) b; (i2) tv = 179,48 cos(377u − 2,16°) b j)- wv ≅ 6,77 cos(377u + 87,84°)mn
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