Laboratorio: Capacitores e Circuitos RC

Laboratório: Introdução aos Capacitores e Circuitos RC

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

Equipamentos

• Bancada de Eletrônica com fonte de tensão, gerador de funções, multímetro e osciloscópio.

ou

• Simulador de circuitos eletrônicos: SimulIDE.

• Componentes Eletrônicos:
  • Resistores: 1kΩ e 100KΩ
  • Capacitores: 1uF e 47uF

Procedimentos Práticos

Tempo de carga/descarga do capacitor

1. Monte no SimulIDE um circuito com uma fonte de tensão constante com 5 V alimentando um circuito RC série, com resistor de 100 kΩ e capacitor de 47 μF.

   

   V = 5V; R = 100 kΩ; C = 47 μF

2. Utilize o osciloscópio para observar o crescimento da tensão sobre o capacitor no momento em que a fonte de tensão for ligada. O crescimento da tensão sobre o capacitor indica que o mesmo está sendo carregado.
3. Desligue a fonte de tensão (0 V) e meça o tempo para a tensão sobre o capacitor chegar próximo a zero.
4. Ligue novamente a fonte de tensão (5 V) 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.
5. Confira se o valor do tempo de carga/descarga do capacitor está de acordo com o valor teórico. No caso, C = 47 μF e R = 100 KΩ a constante de tempo calculada é de 4.7 segundos. Desta forma, a carga/descarga do capacitor fica em cerca de 23,5 segundos.

Forma de onda da carga/descarga do capacitor

1. Modifique o circuito RC usando o resistor de 1KΩ e o capacitor de 1μF.
2. Substitua a fonte de tensão por um gerador de funções, configurado para gerar uma onda quadrada com amplitude oscilando entre 0V e 5V e frequência de 100Hz.
3. Utilize o osciloscópio para observar a forma de onda sobre o capacitor.
4. Aumente gradualmente a frequência da onda quadrada e observe a forma de onda sobre o capacitor.

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 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.

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 (τ). 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_C), em função da tensão total aplicada (V_T) é dada pela expressão:

$V_{C}(t)=V_{T}(1-e^{-t/\tau })$

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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Evandro.cantu (discussão) 15h39min de 10 de setembro de 2021 (-03)

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