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
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