Como funcionam os Circuitos Ressonantes (TEL095)

Os circuitos ressonantes são encontrados em praticamente todos os equipamentos de telecomunicações. Eles são responsáveis pela frequência do sinal que deve ser transmitido ou recebido, pela separação de sinais em filtros, pela rejeição de interferências e ruídos e muito mais. Neste artigo, explicamos como este tipo de circuito funciona. Ele faz parte de nosso livro Curso de Eletrônica - Telecomunicações - Vol 5 - Radiocomunicações em que ensinamos o fundamental para este importante ramo da eletrônica.

Todos os objetos possuem uma freqüência própria de vibração. Percebemos isto quando batemos numa taça, num pedaço de metal ou num diapasão. O material de que é feito o objeto, suas dimensões e seu formato determinam esta freqüência. Denominamos esta freqüência de "freqüência de ressonância". Um fato interessante pode ser observado quando dois objetos próximos têm a mesma freqüência de ressonância e fazemos um deles vibrar. Dois diapasões afinados para a mesma freqüência, por exemplo, podem servir de exemplo para um experimentos interessante que envolve este fato. Quando batemos em um emitindo um som, este som faz com que o outro diapasão entre em vibração. Podemos perceber isto aproximando o ouvido do segundo diapasão, conforme mostra a figura 1.

Figura 1- Tocando uma corda de um violão a correspondente do outro também vibra.

Este fenômeno também ocorre com os circuitos eletrônicos. Determinados circuitos eletrônicos também possuem freqüências próprias de vibração, emitindo sinais numa única freqüência quando são excitados. E, circuitos semelhantes que recebam estas freqüências tendem a vibrar de forma mais intensa, recebendo os sinais destas freqüências. No caso, o circuito que faz isso é o circuito ressonante LC mostrado na figura 2.

Figura 2 - O circuito ressonante LC.

Este circuito apresenta algumas propriedades de extrema importância para as radiocomunicações. A primeira delas é a de oscilar numa freqüência única. Assim, tomando o circuito básico da figura 3, vamos supor que o capacitor esteja completamente carregado.

Figura 3 - O capacitor inicialmente se encontra carregado

Nestas condições iniciais, existe um campo elétrico uniforme entre as armaduras do capacitor e nele está armazenada a energia do circuito.

Fechando o interruptor, uma corrente de descarga do capacitor flui através do indutor. Com a descarga do capacitor a corrente criada cria um campo magnético que se expande para o qual é transferida a energia, conforme mostra a figura 4.

Figura 4 - A energia do campo elétrico no capacitor se transfere para o campo magnético do indutor.

Quando a corrente de descarga cessa, toda a energia está no campo magnético do indutor. Neste momento, o campo magnético começa a contrair-se induzindo no indutor uma tensão que carrega o capacitor, mas com polaridade oposta, conforme mostra a figura 5.

Figura 5 - O campo magnético em contração gera uma tensão que carrega o capacitor novamente, mas com a polaridade invertida.

Terminada a contração do campo, com o seu desaparecimento, o capacitor começa agora a descarregar-se novamente, mas com uma corrente oposta à inicial. Esta corrente gera um novo campo magnético invertido que se expande no indutor, conforme mostra a figura 6.

Figura 6 - Campo em expansão pela nova descarga do capacitor.

Novamente, com a descarga completa do capacitor e o campo magnético no máximo, inicia-se uma nova contração com uma nova carga do capacitor com a polaridade original. Um novo ciclo como o descrito tem então início.

Se a carga e descarga do capacitor não ocorresse com perdas o ciclo ocorreria por tempo infinito gerando assim um sinal senoidal cuja freqüência dependeria dos valores do capacitor e do indutor. Na prática, entretanto, os condutores do indutor e do circuito representam uma resistência que absorve energia. Assim, a oscilação que ocorre é amortecida até desaparecer, conforme mostra a figura 7.

Figura 7- oscilação amortecida

Se em cada ciclo produzido a energia perdida for reposta, teremos um sinal de amplitude constante. Isso pode ser conseguido através de circuitos amplificadores, como ocorre nos denominados osciladores. Num oscilador temos um componente (válvula ou transistor) que constantemente repõe a energia perdida em cada oscilação mantendo assim sua intensidade constante. Na verdade, ele até repõe energia a mais de modo que parte dela possa ser aproveitada num circuito externo, conforme mostra a figura 8 .

Figura 8 - Sinal de amplitude constante

Quando um circuito LC é excitado ele oscila numa freqüência que depende do indutor e do capacitor.

No entanto, se a excitação for um outro sinal ocorre um fenômeno importante dado pela ressonância. Se a freqüência do sinal excitante for diferente da freqüência natural de oscilação, ou seja, da freqüência de ressonância, ele terá dificuldade em acompanhar as variações deste sinal, e com isso sua impedância será reduzida. Nestas condições, o circuito se comporta como um condutor para o sinal que passará através dele, conforme mostra a figura 9.

Figura 9 - Circuito LC fora da ressonância.

No entanto, se a freqüência do sinal coincidir com a freqüência de ressonância do circuito LC, ele se comportará como um circuito de alta impedância, aparecendo então o sinal em suas extremidades com grande amplitude, conforme mostra a figura 10.

Figura 10 - O circuito LC paralelo na freqüência de ressonância.

Esta característica é aproveitada nos circuitos de sintonia dos receptores. Ligados na entrada de um receptor de rádio, os circuitos ressonantes LC paralelos permitem que apenas sinais de uma determinada freqüência apareçam nas suas extremidades e sejam enviados aos circuitos de processamento, enquanto que os demais são curto-circuitados para a terra, conforme mostra a figura 11 .

Figura 11 - Circuito de sintonia de um rádio receptor

Na prática é comum que o capacitor seja variável de modo que uma certa faixa de freqüências seja varrida e assim selecionadas as estações desejadas. Isso ocorre com os receptores simples.

Uma possibilidade explorada nos circuitos de sintonia LC consiste em se utilizar um capacitor de estado solido cuja capacitância pode ser controlada pela tensão, ou seja, um diodo de capacitância variável ou varicap, num circuito como o da figura 12.

Figura 12- Sintonia feita por varicap

Neste circuito, a tensão aplicada ao diodo de capacitância variável determina sua capacitância e assim a freqüência sintonizada pelo circuito. Esta configuração permite que microcontroladores e outros dispositivos de estado sólido sejam utilizados para realizar a sintonia automática de estações de um circuito.

Mas, os circuitos ressonantes também podem ser formados por um capacitor e um indutor ligados em série, conforme mostra a figura 13.

Figura 13- Circuito LC série.

Nestes circuitos na freqüência de ressonância a impedância apresentada é baixa, enquanto que nas demais, a impedância é alta.

Seletividade - Fator Q

Se analisarmos os circuitos ressonantes, na condição ideal, eles deveriam responder apenas a uma determinada freqüência, rejeitando as demais. Na prática, entretanto, a presença de resistências parasitas no circuito faz com que ele tenda a ter curvas de respostas menos agudas, o que determina o fator de qualidade ou fator Q, que mede sua seletividade. Assim, conforme mostra a figura 14, um circuito com um fator de qualidade mais elevado, tem uma seletividade maior, responde melhor a uma determinada freqüência e rejeitando as demais.

Veja, entretanto que, na prática, não devemos ter um circuito de sintonia cuja seletividade seja máxima, pois isso também vai significa que, na modulação do sinal recebido, quando ele se desloca da sua freqüência, teremos sua perda.

Figura 14- Resposta de um circuito de sintonia LC

O fator Q é dado pela fórmula:

Onde:

Q é o fator Q

R é a resistência associada ao circuito em ?

C é a capacitância em farads

L é a indutância em henry

Na figura 15 temos o circuito equivalente com a resistência associada:

Figura 15 - Circuito RLC

Conclusão

O que vimos é apenas um pouco sobre o funcionamento dos circuitos ressonantes. Podemos aprender muito mais, analisando o modo como eles são usados em osciladores e receptores. Este assunto pode ser encontrado em nosso livro Curso de Eletrônica - Telecomunicações - volume 5 e em muitos outros artigos de nossa seção de Telecom neste site.