f = 1MHz ε rms = 10V C = 220pF V Lrms = 39,1V V Crms = 30,0V V Rrms = 4,15V

Transcrição

1 1 Circuito RLC série Quando adicionamos uma resistência ao circuito LC série, como mostrado no diagrama ao lado, o comportamento do circuito é similar ao comportamento do circuito LC sem a resistência, mas existem algumas variações. Com exemplo, para verificar as diferenças, usaremos os mesmo parâmetros utilizados no circuito LC discutido anteriormente, logicamente acrescido do resistor: f 1MHz ε rms 10V L 150µH C 220pF R 100Ω Com o acréscimo do resistor, medimos agora: V Lrms 39,1V V Crms 30,0V V Rrms 4,15V Isto faz sentido? Sabemos como lidar com a diferença entre V Lrms e V Crms, que é aproximadamente 9V, mas agora temos V Rrms com aproximadamente 4 volts. Como podemos converter uma voltagem de alimentação de 10V em uma voltagem de 13V? Ou estamos esquecendo alguma coisa? Como vimos anteriormente, temos que levar em consideração a diferença de fase. Entre a voltagem e a corrente em cada um do s três elementos do circuito. O diagrama de vetores à direita ilustra este conceito. Uma vez que temos um circuito série, a corrente é a mesma em todo o circuito e, portanto a estamos usando como referência (fase 0 ), mostrada em vermelho no diagrama. A voltagem no resistor é V R, em fase com a corrente e mostrada em verde. O vetor azul V L e está a +90, enquanto que o vetor dourado representa V C, que está a -90. Uma vez que V L e V C são diametralmente opostos, a voltagem reativa total é V L -V C. É este vetor diferença eu está somado com V R para encontrar V T mostrado em ciam no diagrama, e que é igual a ε Já sabemos que ε rms 10V. Agora podemos ver que também ε rms é um vetor soma de (V L -V C ) e V R. Por causa da presença de R, o ângulo de fase entre V T e I será arctan((v L -V C )/V R ), e poderá variar de -90 até +90.

2 2 Como sempre, o cálculo da voltagem e da corrente neste circuito será baseado na aplicação da Lei de Ohm. As expressões básicas são: Uma vez que temos um circuito série, o valor de I em cada expressão é o mesmo, ou seja, II L I C I R e será o valor de referencia para os cálculos. Precisarem também do valor de ω (2πf) para determina X L e X C. Pra f1mhz, ω 2πf 6, ,3 e completando nossos cálculos temos: ,3 x 0, ,4778Ω ,43156Ω ,3 x 220 x 10 ( ) + % (942, ,43156) % 240,79297 Ω &'( &'( , ,529452)* &'( &'( 0, , ,1405 &'( &'( 0, , ,04371 &'( &'( 0, , ,-( ) +. (39, ,04371) + 4, % 10 A voltagem do gerador obtida é exatamente 10V que é o valor inicialmente especificado. Portanto nossos cálculos conferem e nossos resultados são válidos. Um resultado da adição de uma resistência ao circuito aumentar sua impedância e, portanto reduzir a corrente através do circuito. Como isso afeta a na ressonância, quando X L X C?i

3 3 Efeito de R na ressonância Nas frequências muito baixas, o Capacitor C ser comportará como um circuito aberto e virtualmente nenhuma corrente atravessará o circuito. Nas frequências altas o indutor L se comportará como um circuito aberto e nenhuma corrente atravessará o circuito. Entretanto, nas frequências intermediárias, X C e X L terão valores moderados e a diferença entre eles serão pequenas. Na ressonância a diferença será zero e apenas R irá limitar a corrente fluindo no circuito. O gráfico à direitas mostra os valores os valores normalizados da corrente que atravessa um circuito RLC num intervalo de frequências angulares que vai de 1% da frequência de ressonância até 100 vezes a frequência de ressonância. Fora deste intervalo, como pode ser extrapolado do gráfico, nenhuma corrente significante atravessará o circuito. Dentro deste range, a corrente dependerá primariamente do valor de R. Para obter ω 0 igual a 1, temporariamente ajustamos os valores de L para 1 henry, C para 1 faraday e usamos a frequência em rad/s. Também assumimos um valor normalizado de ε1 volt. Desta forma podemos obter facilmente os valores da corrente apenas ajustando o valor de R. (Estes valores são usados apenas para obter um gráfico normalizado, uma vez que temos o gráfico, podemos mudar os valores dos componentes e o teremos ainda o mesmo comportamento do gráfico ao redor da frequência de ressonância, desde que a razão L/C não se altere. Adiante veremos o que acontece quando esta razão se altera.) Em um circuito completamente normalizado, teremos R1Ω. Assim teremos uma corrente de 1 ampere fluindo no circuito na ressonância, como indicado pela curva verde do gráfico. Da mesma forma, se ajustarmos o valor de R para 2Ω, a corrente na ressonância será 0,5A, como mostrado na curva azul. As outras curvas mostram o que acontece se reduzimos o valor de R para 0,5Ω (curva amarela) e para 0,1Ω (curva vermelha).

4 4 Note que para baixos valores de R a corrente na ressonância atinge valores de pico altos, mas cai rapidamente quando a frequência muda. Para Valores maiores de R, a curva é mais achatada e temos correntes de ressonância menores. Este é a relação comportamental entre a largura de banda (intervalo de frequências para o qual a corrente diminui para 0,707 do seu valor máximo) e corrente máxima e o valor de R é crítico para o controle deste fator. Mudando a relação L/C Podemos mudar o valor da relação L/C sem mudar o valor da frequência de ressonância. Para tanto devemos ter certeza de que o produto LC não se altere. Neste caso, mudamos o valor das duas reatâncias pra uma dada frequência qualquer se mudar a frequência de ressonância. Por exemplo, se temos L1H e C1F, LC1 e L/C1. Entretanto se L2H e C0.5F, ainda teremos LC1, mas agora L/C4. Ou, se L0,5H e C2F, L/C0,25. Mudando L e C dessa maneira, mudamos os valores de X L e X C na ressonância e ao redor dela, sem mudar a frequência de ressonância. Desta forma controlamos a impedância total do circuito nas proximidades da frequência de ressonância e damos ao resistor R, maior ou menor controle sobre a corrente na ressonância. O resultado é a mudança no intervalo de frequências em que o circuito irá conduzir quantidades significantes de corrente. Os três gráficos a seguir ilustram isto: L/C4 L/C1 L/C0,25 Quando fazemos os gráficos desta maneira, torna-se claro que quando L/C cresce, limitamos o circuito a permitir passagem de corrente numa banda num intervalo de frequências cada vez menor (largura de banda cada vez menor). Por outro lado, se reduzimos o valor de L/C alargamos a banda que permite passagem de corrente significativa no circuito. Isto é muito importante quando lidamos com este tipo de circuito trabalhando como filtros, e especialmente em circuitos sintonizados.

5 5 Circuito RLC paralelo O diagrama ao lado mostra três componentes conectados a um gerador, em paralelo. Mantendo consistência com nossos exemplos anteriores, usaremos neste exemplo os mesmos valores dos componentes, exceto para R.: ε rms 10V f 1MHz L 150µH C 220pF R 100Ω (ω ,3rad/s) (X L 942,4778Ω) (X C 723,43156Ω) E de acordo com a Lei de Ohm : &'( &'( 10 0, ,61033 ma 942,4778 &'( &'( 10 0, ,823008mA 723, &'( &'( 10 0,01 10mA 100 Se medirmos a corrente fornecida pela fonte encontraremos I mA, apenas 0,5mA a mais do que a corrente que atravessa o resistor, I R. Temos agora 10mA de corrente resistiva e aproximadamente 3,2mA de corrente reativa e a corrente total medida é apenas 10,5mA. Já estava na hora de esperarmos por isso, pois estamos familiarizados com as razões para tal aparente discrepância. Mesmo assim vamos completar o exercício e estudar o circuito com um pouco mais de detalhes. a a Como já vimos, o diagrama de vetores ao lado conta-nos estória. Como temos um circuito paralelo, a voltagem V (ε) é mesma sobre todos os componentes do circuito Agora é a corrente que possui fases e amplitudes diferentes em cada componente. Como a voltagem sobre os componentes é a mesma, usaremo-la como referência (ângulo de fase 0 ).A corrente sobre o resistor está em fase com a voltagem, portanto I R aparece também com fase 0. A corrente no indutor está atrasada em relação à voltagem e aparece com fase -90. A corrente no capacitor se adianta em relação à voltagem, e aparece com fase +90. Como I C é maior do que I L, a corrente reativa resultante é capacitiva, co fase +90.

6 6 Agora, a corrente total I T (I) é o vetor soma da corrente reativa com a corrente resistiva. Uma vez que R é significativamente maior do que (I C I L ), a impedância total Z do circuito é preponderantemente resistiva e o vetor representativo de I tem um pequeno ângulo de fase, como mostrado na figura. Como sempre, com os vetores acima temos uma clara ideia de como correntes atravessam cada componente do circuito, quais são as relações entre elas e com a corrente total fornecida pela fonte. De fato poderíamos desenhar os vetores em escala com precisão suficiente para realizarmos os cálculos e determinar suas magnitudes e ângulos de fase, entretanto, pela limitação em precisão destas medidas é sempre melhor calcular algebricamente e comparar os resultados finais com os valores do circuito real. Continuemos então com as relações básicas:, onde I X é a reatância total e φ é o ângulo de fase da corrente I. Substituindo os valores numéricos que temos, obtemos: (13, ,61033) ,503395)* 13, , ,3 10 Estes valores conferem com os valores medidos para a corrente fornecida pela fonte e também com o diagrama de vetores mostrado anteriormente. Quando X L X C Quando um circuito deste tipo opera na ressonância, temos que X L X C, o que implica que I L I C. Portanto, I C -I L 0, e a corrente fornecida pela fonte é I R. Este é de fato o caso. Na ressonância, uma corrente circula por L e C sem deixar estes dois componentes, e a fonte somente precisa fornecer corrente para compensar as perdas. Neste caso, R representa as perdas energéticas dentro do circuito e é o único componente que drena corrente da fonte. A impedância efetiva do circuito é nada mais do que R e a corrente fornecida pela fonte está em fase com a voltagem.