Circuitos reativos e transitórios

Condições iniciais, respostas RC e RL, RLC livre, amortecimento e fator de qualidade.

TLDR

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Uma resistência transforma energia em calor. Um condensador e uma bobina armazenam energia e podem devolvê-la. Por isso, a saída depende também do estado anterior, não apenas do valor atual da fonte.

Condensador e bobina

Na convenção passiva e com parâmetros constantes,

iC=CduCdt,WC=12CuC2,uL=LdiLdt,WL=12LiL2.i_C=C\frac{du_C}{dt},\quad W_C=\frac12Cu_C^2, \qquad u_L=L\frac{di_L}{dt},\quad W_L=\frac12Li_L^2.

Sem impulsos ideais de corrente, uCu_C é contínua na comutação. Sem impulsos ideais de tensão, iLi_L é contínua. Continuidade não significa valor zero: usa o estado antes de comutar.

Em regime DC estacionário, iC=0i_C=0 e uL=0u_L=0. O condensador ideal equivale a aberto, a bobina ideal a curto. Esta substituição só vale depois de o transitório terminar numa rede que atinge esse regime.

Bobinas sem acoplamento magnético somam indutâncias em série e admitem 1/Leq=∑1/Lk1/L_{\rm eq}=\sum1/L_k em paralelo. Com acoplamento, surgem termos de indutância mútua; estas fórmulas deixam de bastar.

Transitório RC

Para fonte constante UsU_s, resistência RR e condensador em série, Kirchhoff no sentido de carga dá Us=Ri+uCU_s=Ri+u_C. Substituindo i=C duC/dti=C\,du_C/dt e separando a parte forçada da transitória com v=uC−Usv=u_C-U_s,

RCdvdt+v=0.RC\frac{dv}{dt}+v=0.

Separar variáveis dá dv/v=−dt/(RC)dv/v=-dt/(RC), logo v(t)=v(0)e−t/τv(t)=v(0)e^{-t/\tau} com τ=RC\tau=RC. Como v(0)=U0−Usv(0)=U_0-U_s, a solução que respeita uC(0+)=U0u_C(0^+)=U_0 é

uC(t)=Us+(U0−Us)e−t/τ,τ=RC.u_C(t)=U_s+(U_0-U_s)e^{-t/\tau},\qquad\tau=RC.

A corrente é (Us−U0)e−t/τ/R(U_s-U_0)e^{-t/\tau}/R. Para descarga sem fonte, faz Us=0U_s=0; o sinal da corrente fica negativo na referência original de carga. Num circuito maior, usa a resistência de Thévenin vista do condensador para obter τ=RThC\tau=R_{\rm Th}C.

Exemplo: carregar um condensador

Com R=1 kΩR=1\,\mathrm{k\Omega}, C=1 μFC=1\,\mathrm{\mu F} e fonte 5 V5\,\mathrm V, inicialmente descarregado, τ=1 ms\tau=1\,\mathrm{ms}. Aos 2 ms2\,\mathrm{ms},

uC=5(1−e−2)=4,32 V,i=5 e−2 mA=0,677 mA.u_C=5(1-e^{-2})=4{,}32\,\mathrm V, \qquad i=5\,e^{-2}\,\mathrm{mA}=0{,}677\,\mathrm{mA}.

Em t=0+t=0^+, a tensão ainda é zero e a corrente é 5 mA5\,\mathrm{mA}. No limite, a tensão é 5 V5\,\mathrm V e a corrente zero. Após 5τ5\tau, falta menos de 0,7%0{,}7\% da variação total.

A demo usa fonte ideal de 5 V5\,\mathrm V, condensador descarregado e componentes lineares. Mantém CC e duplica RR: a curva demora o dobro a chegar à mesma fração da tensão final e a corrente inicial cai para metade. Se duplicares CC em vez de RR, o atraso também duplica, mas a corrente inicial mantém-se. O mesmo RCRC não determina, sozinho, a corrente.

τ = 1 ms; uC(2 ms) = 4,32 V; i = 0,677 mA.

5 V010 ms

Transitório RL

Kirchhoff dá L di/dt+Ri=UsL\,di/dt+Ri=U_s. Assim,

i(t)=I∞+(I0−I∞)e−t/τ,I∞=Us/R,τ=L/R.i(t)=I_\infty+(I_0-I_\infty)e^{-t/\tau}, \quad I_\infty=U_s/R,\quad\tau=L/R.

Para Us=6 VU_s=6\,\mathrm V, R=3 ΩR=3\,\Omega, L=30 mHL=30\,\mathrm{mH} e I0=0I_0=0, temos τ=10 ms\tau=10\,\mathrm{ms}. Aos 10 ms10\,\mathrm{ms}, i=2(1−e−1)=1,26 Ai=2(1-e^{-1})=1{,}26\,\mathrm A e uL=6e−1=2,21 Vu_L=6e^{-1}=2{,}21\,\mathrm V. A soma Ri+uLRi+u_L recupera 6 V6\,\mathrm V.

RLC e amortecimento

Num RLC série sem fonte, a carga do condensador obedece a

Lq′′+Rq′+q/C=0.Lq''+Rq'+q/C=0.

Já sabes resolver a descarga exponencial de primeira ordem com uma condição inicial. Aqui são precisas duas condições, porque a equação é de segunda ordem: por exemplo q(0)q(0) e i(0)i(0). Define ω0=1/LC\omega_0=1/\sqrt{LC}, δ=R/(2L)\delta=R/(2L) e Q=ω0/(2δ)=L/C/RQ=\omega_0/(2\delta)=\sqrt{L/C}/R. As raízes são s±=−δ±δ2−ω02s_\pm=-\delta\pm\sqrt{\delta^2-\omega_0^2}.

  • Q<1/2Q<1/2: sobreamortecido, q=Aes+t+Bes−tq=Ae^{s_+t}+Be^{s_-t}, sem oscilação.
  • Q=1/2Q=1/2: crítico, q=(A+Bt)e−δtq=(A+Bt)e^{-\delta t}.
  • Q>1/2Q>1/2: subamortecido, q=e−δt[Acos⁡(ωdt)+Bsin⁡(ωdt)]q=e^{-\delta t}[A\cos(\omega_dt)+B\sin(\omega_dt)], com ωd=ω02−δ2\omega_d=\sqrt{\omega_0^2-\delta^2}.

Aqui, qq é a carga na armadura onde entra a corrente de referência ii, de modo que uC=q/Cu_C=q/C e i=q′i=q'. Determina A,BA,B com duas condições iniciais, por exemplo q(0)q(0) e i(0)i(0). A frequência amortecida ωd\omega_d não é ω0\omega_0. Um sistema sobreamortecido pode ter um modo muito lento; aumentar RR não garante retorno mais rápido.

Exemplo: resposta livre

Para L=50 mHL=50\,\mathrm{mH}, C=20 μFC=20\,\mathrm{\mu F} e R=20 ΩR=20\,\Omega, temos ω0=1000 rad/s\omega_0=1000\,\mathrm{rad/s}, δ=200 s−1\delta=200\,\mathrm{s^{-1}}, Q=2,5Q=2{,}5 e ωd≃980 rad/s\omega_d\simeq980\,\mathrm{rad/s}. Se uC(0)=5 Vu_C(0)=5\,\mathrm V e i(0)=0i(0)=0,

uC(t)=5e−200t[cos⁡(ωdt)+200ωdsin⁡(ωdt)].u_C(t)=5e^{-200t}\left[\cos(\omega_dt)+\frac{200}{\omega_d}\sin(\omega_dt)\right].

O termo seno é necessário para a derivada inicial ser zero. Em t=0t=0, a derivada do fator exponencial contribui com −200(5)-200(5); a do seno contribui com ωd(5×200/ωd)\omega_d(5\times200/\omega_d), cancelando-a. O limite final é zero porque não há fonte e R>0R>0.

RLC ligado a uma fonte contínua

Com fonte constante UsU_s, a equação para a tensão passa a

LCuC′′+RCuC′+uC=Us.LCu_C''+RCu_C'+u_C=U_s.

A solução particular é uC=Usu_C=U_s. Somamos-lhe a solução livre e determinamos as duas constantes com uC(0)u_C(0) e i(0)=CuC′(0)i(0)=Cu_C'(0). É a passagem necessária no problema do recurso de 2 de fevereiro de 2026; a fonte muda a particular, sem mudar as raízes da equação homogénea.

Corrente de carga sem oscilação

Com uC(0)=0u_C(0)=0 e i(0)=0i(0)=0, a equação de Kirchhoff no instante inicial dá Li′(0+)=UsLi'(0^+)=U_s. A corrente começa em zero, mas a sua derivada não. Para t>0t>0, derivar Li′+Ri+uC=UsLi'+Ri+u_C=U_s dá

Li′′+Ri′+i/C=0.Li''+Ri'+i/C=0.

No caso sobreamortecido, as raízes s+>s−s_+>s_- são reais e negativas. Escrevemos i=Aes+t+Bes−ti=Ae^{s_+t}+Be^{s_-t}. A corrente inicial impõe B=−AB=-A; a derivada inicial impõe A(s+−s−)=Us/LA(s_+-s_-)=U_s/L. Assim,

i(t)=UsL(s+−s−)(es+t−es−t),t≥0.i(t)=\frac{U_s}{L(s_+-s_-)}\left(e^{s_+t}-e^{s_-t}\right),\qquad t\ge0.

Por exemplo, R=300 ΩR=300\,\Omega, L=10 mHL=10\,\mathrm{mH}, C=1 μFC=1\,\mathrm{\mu F} e Us=6 VU_s=6\,\mathrm V dão ω0=10000 rad/s\omega_0=10000\,\mathrm{rad/s}, δ=15000 s−1\delta=15000\,\mathrm{s^{-1}} e Q=1/3Q=1/3. As raízes são cerca de −3819,66-3819{,}66 e −26180,34 s−1-26180{,}34\,\mathrm{s^{-1}}:

i(t)≃0,02683(e−3819,66t−e−26180,34t) A.i(t)\simeq0{,}02683\left(e^{-3819{,}66t}-e^{-26180{,}34t}\right)\,\mathrm A.

A corrente é positiva depois de fechar o interruptor e tende para zero. Integrá-la dá a carga final ∫0∞i(t)dt=CUs=6 μC\int_0^\infty i(t)dt=CU_s=6\,\mathrm{\mu C}.

Há duas escalas temporais: uma só exponencial de descarga RC não satisfaria simultaneamente i(0)=0i(0)=0 e i′(0)=Us/Li'(0)=U_s/L.

Tempo de decaimento

No regime fracamente amortecido, a amplitude decai com tempo 1/δ1/\delta, mas a energia média decai com tempo 1/(2δ)1/(2\delta). A interpretação de QQ como radianos até a energia cair por um fator ee é aproximada quando QQ é grande.

Exercícios

Condensador com carga inicial

Um RC tem τ=2 ms\tau=2\,\mathrm{ms}, fonte constante 10 V10\,\mathrm V e tensão inicial no condensador 2 V2\,\mathrm V. Calcula a tensão aos 2 ms2\,\mathrm{ms}.

Pista

A tensão inicial não desaparece quando ligamos a fonte.

Solução

uC(τ)=10−8/e=7,057 Vu_C(\tau)=10-8/e=7{,}057\,\mathrm V. Em zero recupera 2 V2\,\mathrm V e no limite chega a 10 V10\,\mathrm V.

Erros frequentes

A fórmula 10(1−e−t/τ)10(1-e^{-t/\tau}) pressupõe condensador inicialmente descarregado.

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Classificar o amortecimento

Um RLC série livre tem L=10 mHL=10\,\mathrm{mH}, C=1 μFC=1\,\mathrm{\mu F} e R=400 ΩR=400\,\Omega. Classifica a resposta e indica a forma geral, sem calcular os coeficientes iniciais.

Pista

Compara δ=R/(2L)\delta=R/(2L) com ω0=1/LC\omega_0=1/\sqrt{LC}.

Solução

Q=ω0/(2δ)=0,25<0,5Q=\omega_0/(2\delta)=0{,}25<0{,}5: sobreamortecido. A carga tem forma q=Aes+t+Bes−tq=Ae^{s_+t}+Be^{s_-t}, com s±=−δ±δ2−ω02s_\pm=-\delta\pm\sqrt{\delta^2-\omega_0^2}, ambos negativos. Os dois coeficientes vêm das condições iniciais.

Confere a tua resposta:

  • Calcula ω0 = 10000 rad/s e δ = 20000 s⁻¹.
  • Obtém Q = 0,25 e identifica sobreamortecimento.
  • Usa duas exponenciais reais e duas condições iniciais.

Erros frequentes

Não uses a frequência ω02−δ2\sqrt{\omega_0^2-\delta^2} como um número real neste caso.

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O termo seno de uma resposta livre

A tensão de um RLC série livre é uC(t)=e−150t[Acos⁡(600t)+Bsin⁡(600t)]u_C(t)=e^{-150t}[A\cos(600t)+B\sin(600t)], com tt em segundos. Sabemos que uC(0)=3 Vu_C(0)=3\,\mathrm V e i(0)=0i(0)=0, com i=CuC′i=C u_C'. Determina AA e BB.

Pista

A condição da corrente dá a derivada inicial da tensão.

Solução

A tensão inicial dá A=3 VA=3\,\mathrm V. A corrente nula exige −150(3)+600B=0-150(3)+600B=0, logo B=0,75 VB=0{,}75\,\mathrm V. Só 3e−150tcos⁡(600t)3e^{-150t}\cos(600t) teria derivada inicial −450 V/s-450\,\mathrm{V/s} e violaria a condição de corrente.

Confere a tua resposta:

  • Obtém A = 3 V pela tensão inicial.
  • Deriva a resposta e usa uC′(0) = i(0)/C = 0.
  • Obtém B = 0,75 V e preserva ambas as condições iniciais.

Erros frequentes

Não derives só o seno e o cosseno: o fator exponencial também contribui. Corrente inicial nula não obriga o coeficiente do seno a ser zero.

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RLC série ligado a fonte DC

Um RLC série com R=20 ΩR=20\,\Omega, L=50 mHL=50\,\mathrm{mH} e C=20 μFC=20\,\mathrm{\mu F} parte de condensador descarregado e corrente nula. Em t=0t=0 liga-se fonte DC Us=5 VU_s=5\,\mathrm V. Obtém uC(t)u_C(t) e i(t)i(t) e verifica as condições iniciais e o limite final. Este é o tipo pedido no recurso de 2 de fevereiro de 2026; a lição desenvolve a resposta livre e aqui acrescenta-se o escalão.

Pista

A equação tem segundo membro constante.

Solução

Temos δ=200 s−1\delta=200\,\mathrm{s^{-1}} e ωd=10002−2002≃979,796 rad/s\omega_d=\sqrt{1000^2-200^2}\simeq979{,}796\,\mathrm{rad/s}. A solução particular é 5 V5\,\mathrm V. A condição uC(0)=0u_C(0)=0 dá A=−5 VA=-5\,\mathrm V e uC′(0)=i(0)/C=0u_C'(0)=i(0)/C=0 dá B=−1000/ωd VB=-1000/\omega_d\,\mathrm V. Logo

uC(t)=5[1−e−200t(cos⁡(ωdt)+200ωdsin⁡(ωdt))] V.u_C(t)=5\left[1-e^{-200t}\left(\cos(\omega_dt)+\frac{200}{\omega_d}\sin(\omega_dt)\right)\right]\,\mathrm V.

Ao derivar, os termos em cosseno cancelam-se. Como ωd2+2002=10002\omega_d^2+200^2=1000^2, a corrente é

i(t)=5Lωde−200tsin⁡(ωdt)≃0,10206e−200tsin⁡(ωdt) A.i(t)=\frac{5}{L\omega_d}e^{-200t}\sin(\omega_dt)\simeq0{,}10206e^{-200t}\sin(\omega_dt)\,\mathrm A.

Em zero, ambas as grandezas são nulas e i′(0)=5/L=100 A/si'(0)=5/L=100\,\mathrm{A/s}, como exige Kirchhoff. No limite, uC→5 Vu_C\to5\,\mathrm V e i→0i\to0.

Confere a tua resposta:

  • Obtém a tensão com particular 5 V e as duas constantes.
  • Deriva e obtém i(t) = 0,10206… exp(−200t) sin(ωd t) A.
  • Verifica tensão e corrente iniciais nulas e limite final 5 V.

Erros frequentes

Usar só a resposta livre esquece a particular; impor só uma condição inicial deixa uma constante por fixar.

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Duas exponenciais, corrente inicial nula

Em t=0t=0, uma fonte DC de 6 V6\,\mathrm V é ligada a um RLC série com R=300 ΩR=300\,\Omega, L=10 mHL=10\,\mathrm{mH} e C=1 μFC=1\,\mathrm{\mu F}. Antes de ligar, o condensador está descarregado e a corrente é nula. A corrente de referência entra na armadura positiva do condensador.

Classifica o amortecimento e obtém i(t)i(t) para t≥0t\ge0. Verifica a corrente inicial, a sua derivada inicial e a carga total que a corrente entrega ao condensador. Uma exponencial RC bastaria?

Pista

Kirchhoff em 0+0^+ determina i′(0+)i'(0^+), mesmo sendo i(0)=0i(0)=0.

Solução

ω0=10000 rad/s\omega_0=10000\,\mathrm{rad/s}, δ=15000 s−1\delta=15000\,\mathrm{s^{-1}} e Q=1/3<1/2Q=1/3<1/2, logo há sobreamortecimento. As raízes são

s±=−15000±50005(s−1).s_\pm=-15000\pm5000\sqrt5\quad(\mathrm{s^{-1}}).

Para t>0t>0, Li′′+Ri′+i/C=0Li''+Ri'+i/C=0. Escrevemos i=Aes+t+Bes−ti=Ae^{s_+t}+Be^{s_-t}. A condição i(0)=0i(0)=0 dá B=−AB=-A. Kirchhoff no instante inicial dá Li′(0)=6Li'(0)=6, porque a queda resistiva e a tensão do condensador são nulas. Assim,

A=60,01(s+−s−)≃0,02683 A,A=\frac{6}{0{,}01(s_+-s_-)}\simeq0{,}02683\,\mathrm A,i(t)=A(es+t−es−t).i(t)=A(e^{s_+t}-e^{s_-t}).

A fórmula dá i(0)=0i(0)=0 e i′(0)=A(s+−s−)=600 A/si'(0)=A(s_+-s_-)=600\,\mathrm{A/s}. Para t>0t>0, é positiva e tende para zero. A carga entregue é

∫0∞i(t)dt=A(−1s++1s−)=6 μC=CUs.\int_0^\infty i(t)dt=A\left(-\frac1{s_+}+\frac1{s_-}\right)=6\,\mathrm{\mu C}=CU_s.

Uma resposta RC Use−t/(RC)/RU_s e^{-t/(RC)}/R começaria com corrente 20 mA20\,\mathrm{mA}, violando a continuidade da corrente na bobina. A aproximação não descreve o instante inicial deste RLC.

Confere a tua resposta:

  • Obtém Q = 1/3 e raízes reais −3819,66 e −26180,34 s⁻¹.
  • Obtém i = 0,02683 (exp(s+ t) − exp(s− t)) A.
  • Verifica i(0) = 0, i′(0) = 600 A/s e carga final 6 µC.
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