Circuitos reativos e transitórios

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

TLDR

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Estado e condições iniciais

Na convenção passiva, com C,LC,L constantes:

iC=CuC′,WC=12CuC2,uL=LiL′,WL=12LiL2.i_C=C u_C',\quad W_C=\tfrac12Cu_C^2, \qquad u_L=L i_L',\quad W_L=\tfrac12Li_L^2.
  • Sem impulsos de corrente, uC(0+)=uC(0−)u_C(0^+)=u_C(0^-). Sem impulsos de tensão, iL(0+)=iL(0−)i_L(0^+)=i_L(0^-).
  • Em DC estacionário, o condensador ideal é aberto e a bobina ideal é curto. Não uses estas substituições durante o transitório.

Respostas de primeira ordem

Para fonte constante e componentes em série, U0=uC(0+)U_0=u_C(0^+) e I0=iL(0+)I_0=i_L(0^+) são os valores iniciais. A constante τ\tau mede-se em segundos:

CircuitoRespostaConstante de tempo
RCuC=Us+(U0−Us)e−t/τu_C=U_s+(U_0-U_s)e^{-t/\tau}τ=RC\tau=RC
RLi=I∞+(I0−I∞)e−t/τi=I_\infty+(I_0-I_\infty)e^{-t/\tau}, I∞=Us/RI_\infty=U_s/Rτ=L/R\tau=L/R

No RC, i=(Us−U0)e−t/τ/Ri=(U_s-U_0)e^{-t/\tau}/R. Numa rede maior, usa RThR_{\rm Th} vista pelo condensador. Após 5τ5\tau, resta menos de 0,7%0{,}7\% da variação total.

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

5 V010 ms

A demo parte de condensador descarregado e fonte de 5 V5\,\mathrm V. Duplicar RR ou CC duplica τ\tau; só duplicar RR reduz a corrente inicial para metade. Ver exemplo de carga.

RLC série

Para resposta livre, Lq′′+Rq′+q/C=0Lq''+Rq'+q/C=0, com uC=q/Cu_C=q/C e i=q′i=q'. Define

ω0=1LC,δ=R2L,Q=ω02δ,s±=−δ±δ2−ω02.\omega_0=\frac1{\sqrt{LC}},\quad \delta=\frac R{2L},\quad Q=\frac{\omega_0}{2\delta},\quad s_\pm=-\delta\pm\sqrt{\delta^2-\omega_0^2}.
RegimeCondiçãoResposta livre
SobreamortecidoQ<1/2Q<1/2Aes+t+Bes−tAe^{s_+t}+Be^{s_-t}
CríticoQ=1/2Q=1/2(A+Bt)e−δt(A+Bt)e^{-\delta t}
SubamortecidoQ>1/2Q>1/2e−δt[Acos⁡(ωdt)+Bsin⁡(ωdt)]e^{-\delta t}[A\cos(\omega_dt)+B\sin(\omega_dt)]

ω0\omega_0 mede-se em rad/s\mathrm{rad/s} e δ\delta em s−1\mathrm{s^{-1}}. No último caso, ωd=ω02−δ2\omega_d=\sqrt{\omega_0^2-\delta^2}. Fixa as duas constantes usando tensão e corrente iniciais; corrente nula não implica coeficiente seno nulo.

Com fonte DC, soma a particular UsU_s à resposta livre antes de impor condições. O caso sobreamortecido com carga a partir de zero usa as duas raízes; ver desenvolvimento completo.

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