Exibir código-fonte para Laboratorio M1K Analog Devices: Capacitores e Circuitos RC

=Laboratório: Introdução aos Capacitores e Circuitos RC=

Este laboratório foi baseado no material disponibilizado pela '''Analog Devices''', fabricante do módulo educacional '''M1K Analog Devices''' : <ref name=lab_2>https://wiki.analog.com/university/courses/engineering_discovery/lab_2</ref>

==Objetivos==
Conhecer os '''capacitores''', que são dispositivos que '''armazenam energia elétrica''' em um campo elétrico. 

Conhecer o princípio de funcionamento dos '''circuitos RC''' de forma a poder explicar como um '''capacitor''' é carregado quando um degrau de tensão é aplicado em seus terminais.

==Equipamento e Materiais==
*Modulo '''Analog Devices M1K''' e software '''Pixelpulse'''
*Componentes Eletrônicos:
**Resistores:  1k&Omega; e 100K&Omega;
**Capacitores: 1uF e 47uF

==Procedimentos Práticos==
===Tempo de carga/descarga do capacitor===
#Identifique os '''resistores''' e '''capacitores''' a serem utilizados no experimento. Observe que os '''capacitores eletrolíticos''' tem polaridade, portanto, devem ser montados no circuito considerando os terminais positivo e negativo.
#Monte na '''matriz de contatos''' o '''circuito RC''' da figura, usando o resistor de 100K&Omega; e o capacitor de 47uF: [[Arquivo:lab_circuitoRC1.png|300px]] <ref name=lab_2/>
#Selecione o '''canal A''' do módulo '''Analog Devices M1K''' para '''Gerar Tensão/Medir Corrente''' e o '''canal B''' para '''Medir Voltagem'''.
#Configure o '''canal A''' para gerar uma '''tensão constante''' com 5 V.
#Conecte o fio do '''canal A''' no terminal desconectado do '''resistor''' de 100K&Omega; enquanto observa o crescimento da '''tensão''' medida sobre o '''capacitor''', mostrada no '''canal B'''. O crescimento da tensão sobre o capacitor indica que o mesmo está sendo '''carregado'''.
#Mude a '''tensão''' gerada pelo '''canal A''' para 0V e meça o '''tempo''' para a '''tensão''' sobre o '''capacitor''' chegar próximo a zero. 
#Mude a '''tensão''' gerada pelo '''canal A''' para 5V e meça o '''tempo''' para a '''tensão''' sobre o '''capacitor''' chegar próximo 5V. Repita quantas vezes achar necessário para ter uma média do '''tempo de carga/descarga''' do '''capacitor'''.
===Forma de onda da carga/descarga do capacitor===
#Monte na '''matriz de contatos''' o '''circuito RC''' da figura,  usando o resistor de 1K&Omega; e o capacitor de 1uF: [[Arquivo:lab_circuitoRC2.png|300px]] <ref name=lab_2/>
#Configure o '''canal A''' para gerar uma '''onda quadrada''' com '''amplitude''' oscilando entre 0V e 5V e '''frequência''' de 100Hz.
#Observe no '''canal B''' a '''forma de onda''' sobre o '''capacitor'''.
#Aumente a '''frequência''' da '''onda quadrada''' e observe a '''forma de onda''' sobre o '''capacitor'''

==Fundamentos sobre o Capacitor==

'''Capacitores''' são dispositivos que '''armazenam energia elétrica''' em um '''campo elétrico'''. Permitem maior fluxo de corrente a medida que a frequência do sinal elétrico aumenta. Para um '''sinal senoidal''', a '''fase da corrente''' é '''adiantada''' de '''90 graus''' em relação a '''tensão'''. A unidade de '''capacitância''' é o '''Faraday (F)'''. 

Um '''capacitor''' é formado por duas '''placas condutoras''' separadas por um  material isolante, chamado '''dielétrico'''. A '''carga''' de um '''capacitor''' é criada pela acumulação ou depleção de elétrons livres em cada placa condutora, produzindo um '''campo elétrico''' no '''dielétrico''', e, por consequência, produzindo um '''tensão elétrica''' entre as placas.

Uma '''carga elétrica''' (Q) sobre um '''capacitor''', produz uma '''tensão''' (V) entre as placas, em função da '''capacitância''' (C), segundo a relação:

<math>V (Voltz) = \frac{Q (Coulomb)}{C (Faraday)}</math>

ou, isolando a carga elétrica:

<math>Q = C V</math>

A '''corrente elétrica''' é definida como a quantidade de '''carga elétrica''' por unidade de '''tempo'''. É expressa matematicamente como a '''derivada da carga elétrica no tempo''':

<math>I(t) =  \frac{dQ(t)}{dt} = C \frac{dV(t)}{dt}</math>

ou seja, a '''corrente''' no capacitor é função da '''derivada da tensão no tempo''', multiplicada pela capacitância. 

A derivada indica que a corrente elétrica no capacitor é maior quanto maior for a variação da tensão. Desta forma, para uma '''tensão senoidal''', quanto maior a '''frequência''', maior o fluxo da '''corrente'''. Para uma '''tensão constante''', a '''corrente''' no capacitor é '''zero'''.

==Fundamentos sobre o Circuito RC==

Num '''circuito RC''' série, quando um '''degrau de tensão''' é aplicado, inicialmente toda '''tensão''' aparece toda sobre o '''resistor''', pois o '''capacitor''' está descarregado e a tensão sobre ele é zero. A corrente inicial que fluirá no circuito será dada pela '''Lei de Ohm''' (I = V / R) e vai ser responsável por iniciar a '''carga''' do '''capacitor'''. A medida que o '''capacitor''' vai sendo '''carregado''', a '''tensão''' sobre ele vai aumentando, diminuindo a tensão resultante sobre o '''resistor''', segundo a '''[[Eletricidade Básica|Lei de Kirchhoff das Malhas]]''', e, consequentemente, diminuindo também a '''corrente''' no circuito. Quanto o '''capacitor''' se '''carregar''' totalmente, a tensão de 5V estará toda sobre o capacitor e a '''corrente''' no circuito será reduzida a '''zero'''. 

[[Arquivo:CircuitoRC.png]]

O processo de '''carga do capacitor''' segue uma curva que '''desacelera exponencialmente''' a medida que a tensão sobre o capacitor aumenta. A '''taxa de crescimento''' da '''carga do capacitor''' depende do produto '''RC''', chamado de '''constante de tempo''' (segundos) e é representado pela letra grega tau (&tau;). Numa '''constante de tempo''' o '''capacitor''' é carregado com '''63%''' de sua '''carga'''. Em cinco '''constantes de tempo''' a carga do capacitor chega a 99.3%. O tempo da carga total tende ao infinito, entretanto, na prática, considera-se que em cinco '''constantes de tempo''' o capacitor está carregado. 

Num '''circuito RC''' série, a '''tensão sobre o capacitor''' (V<sub>C</sub>), em função da tensão total aplicada (V<sub>T</sub>) é dada pela expressão:

<math>V_C(t) = V_T (1 - e^{-t/\tau}) </math>

No primeiro circuito, a '''constante de tempo''' era de (100 KΩ)*(47 μF) = 4.7 segundos, fazendo com que a '''carga/descarga''' total do capacitor fosse de cerca de 23,5 segundos.

==Observações e Conclusões==
*'''Capacitores''' armazenam '''energia elétrica'''.
*Quando '''capacitores''' estão sendo '''carregados''' usando uma fonte de '''tensão''' em '''série''' com um '''resistor''', a taxa da carga do capacitor '''desacelera exponencialmente'''.
*Um '''circuito RC''' é caracterizado pelo '''produto RC''', chamado '''constante de tempo'''.
*Em '''uma constante de tempo''' o capacitor é carregado com '''63%''' da tensão aplicada sobre o circuito RC.
*Comumente se aceita que o '''capacitor''' está '''totalmente''' carregado em '''cinco constantes de tempo'''.

==Referências==
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[[Usuário:Evandro.cantu|Evandro.cantu]] ([[Usuário Discussão:Evandro.cantu|discussão]]) 15h40min de 3 de julho de 2020 (-03)
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[[Categoria:Eletrônica]] [[Categoria:IoT]]