Um circuito LC é composto por um indutor L e um capacitor C e pode ser obtido a partir de
um circuito RLC removendo o resistor R. Assim como nos circuitos RLC, os circuitos LC podem ser configurados
em série ou em paralelo, cada um com suas próprias características de ressonância e comportamento de frequência.
Essas configurações são amplamente utilizadas em aplicações de filtragem, sintonização e osciladores em eletrônica.
Inicialmente vamos relembrar que a reatância capacitiva é representada, na forma complexa,
como - j XC e a reatância indutiva como + j XL.
Portanto, se esses componentes encontram-se em série, a reatância equivalente será
a soma algébrica das duas reatâncias.
Neste caso, facilmente percebemos que se XL > XC, vamos obter
um circuito indutivo. Caso contrário, ou seja,
XC > XL então teremos um circuito capacitivo.
Levando isso em consideração, a impedância equivalente de um circuito LC
série pode ser escrita como:
eq. 56-01
Na Figura 56-01 vemos um circuito LC série. Os valores dos componentes
fornecidos permite determinar se o circuito é indutivo
ou capacitivo. Como a tensão sobre o capacitor estará 90° atrasada em relação à corrente e
a tensão sobre o indutor estará 90° adiantada em relação à mesma corrente, concluímos
que as tensões sobre o capacitor e sobre o indutor estarão defasadas 180° entre si.
Vamos escrever o valor da impedância equivalente na forma retangular obedecendo a
equação mostrada acima.
Zeq = j (30 - 15) = + j15 Ω
Na forma polar temos:
Zeq = 15 ∠ +90° Ω
Agora que conhecemos o valor da impedância equivalente, podemos calcular o valor da
corrente elétrica que circula pelo circuito. Assim:
I = V / Zeq = 90 ∠ 0° / 15 ∠ +90° A
Efetuando o cálculo encontramos:
I = = 6 ∠ -90° A
Preste atenção que o ângulo - 90° decorre do fato da corrente
estar atrasada em relação à tensão V. Como sabemos, corrente atrasada significa
que o circuito tem predominância indutiva.
De posse do valor da corrente podemos calcular os valores de
VL e VC.
VL = XL I = 30 ∠ +90 6 ∠ -90° V
Repare que transformamos j 30 em 30 ∠ +90°. Efetuando o cálculo, encontramos:
VL = 180 ∠ 0° V
Para o cálculo da tensão sobre o capacitor temos:
VC = XC I = 15 ∠ -90 6 ∠ -90° V
Note que transformamos -j 15 em 15 ∠ -90°. Efetuando o cálculo, encontramos:
VC = 90 ∠ -180° V
Perceba que VL + VC é exatamente a tensão da fonte que alimenta o circuito,
ou seja, 180 ∠0° + 90 ∠ -180° = 90 ∠ 0°. Em outras palavras: obedece a
lei de Kirchhoff.
Dá para perceber em um circuito LC série, se a reatância indutiva for
exatamente igual a reatância capacitiva elas se anulam e, a impedância equivalente
será simplesmente um curto-circuito.
Esta característica é de extrema importância quando tratamos com circuitos e
queremos eliminar (ou pelo menos reduzir drasticamente) uma determinada frequência. Basta
escolhermos valores adequados para L e C. Igualando XC a XL
e trabalhando algebricamente a igualdade, encontramos a equação que relaciona as três variáveis.
Abaixo, mostramos a equação final.
eq. 56-02
Usando L em henry e C em farad obtemos f em hertz.
O circuito mostrado na figura acima (muitas vezes, na literatura técnica, chamado de "trap" ou "armadilha")
é muito utilizado na área de rádio frequência com a finalidade de
eliminar frequências indesejáveis ao bom funcionamento do circuito como um todo.
Veja na Figura 56-02 ao lado a representação das impedâncias envolvidas no problema. No lado esquerdo,
apontando para cima (cor vermelho) temos a reatância indutiva. Apontando para baixo (cor azul)
temos a reatância capacitiva. Estas duas grandezas estão no eixo imaginário.
No lado direito, no eixo vertical (imaginário) temos o resultado de
XL - XC, representado por Zeq, apontando para cima pois XL > XC.
Caso contrário, apontaria para baixo.
Veja na Figura 56-03 a representação das tensões envolvidas no problema. Temos a tensão sobre
o indutor (cor vermelha) na horizontal (0°) e a tensão sobre o capacitor (cor azul) na horizontal
apontando para a esquerda (180°). O resultado da soma fasorial das duas tensões é V (em preto)
apontando para a direita na horizontal (0°).
Note que a corrente I está atrasada 90° em relação à VL e
adiantada 90° em relação à VC .
Neste circuito fica claro que circuitos que contenham só elementos reativos não dissipam potência
média ou real, pois há uma defasagem em 90° entre V e I. Assim, neste caso,
resulta uma potência média NULA, já que P = V I cos 90° = 0 watt, pois cos 90° = 0.
Vamos formar um circuito paralelo com os mesmos componentes utilizados no item anterior.
Neste caso, a tensão tanto sobre o indutor como sobre o capacitor é a mesma.
Veja na Figura 56-04 como ficou o circuito com os componentes em paralelo.
Sabemos que a
corrente no indutor (IL) estará atrasada 90° em relação à tensão e a corrente
no capacitor (IC) adiantada
90° em relação à mesma tensão. Então, a corrente (I) que será fornecida pela fonte de tensão
será a soma fasorial das duas.
Como foi dito anteriormente, podemos usar os mesmos princípios estudados para corrente
contínua para o cálculo da impedância equivalente. Assim, assumiremos a reatância como um
resistor e efetuaremos o cálculo como se fossem dois resistores em paralelo.
Não esquecer que a reatância é um número complexo. Então, podemos escrever:
Zeq = XC XL / (XC + XL)
Zeq = 15 ∠ -90° x 30 ∠ +90° / (- j15 + j30)
Repare que transformamos - j15 em 15 ∠-90° e também
+ j30 em 30 ∠+90° na equação acima. Claro está que, no denominador,
- j15 + j30 = +j15 = 15 ∠+90°. Logo:
Zeq = 450 / 15 ∠ +90°
Efetuando o cálculo, para a impedância equivalente encontramos:
Zeq = 30 ∠ -90° = - j30 Ω
Repare que ao colocarmos os componentes em paralelo, a impedância equivalente (neste caso)
se resume a um capacitor que apresenta uma impedância de 30 ohms.
Vamos calcular as correntes no circuito.
IL = V / XL = 90 ∠0° / 30 ∠+90° = 3 ∠-90° = - j3 A
IC = V / XC = 90 ∠0° / 15 ∠-90° = 6 ∠+90° = j6 A
Podemos calcular o valor da corrente I que circula pela fonte de tensão
fazendo a soma fasorial de IC e IL ou usando a lei de Ohm.
Faremos das duas maneiras.
Gostaríamos de salientar que o circuito LC, tanto o circuito série como o paralelo,
a frequência à qual os dois operam é dada pela equação já vista anteriormente e repetiremos aqui
para maior clareza.
eq. 56-02
Então, perceba que ao variarmos o valor de L e/ou o valor de C, estaremos também
alterando a frequência à qual o circuito opera. Esta característica faz com que o circuito LC
paralelo seja amplamente utilizado em osciladores e sintonizadores de RF (tais como rádios AM, FM, TV etc ...),
pois ao variarmos L ou C estaremos variando a frequência de sintonia e, consequentemente,
selecionando a emissora ou sinal no qual estamos interessados.