Carga e Descarga do Capacitor (Circuito RC)

Veja o capacitor encher e esvaziar e entenda a constante de tempo τ = R · C.

Laboratório

t = 1,00 τ = 1 s · vC = 7,59 V (63%) · i = 441,5 µA

A animação percorre 5 τ em 4 segundos e recomeça; o tempo real está escrito acima. Pontos: sentido convencional da corrente.

Resultado

Constante de tempo τ
1 s
Até 99% (5 τ)
5 s
Corrente inicial (V / R)
1,2 mA
Energia com carga total
7,2 mJ

τ = R · C = 10 kΩ × 100 µF = 1 s

Aviso Legal: Material didático. Capacitores podem guardar carga perigosa mesmo desligados: descarregue com um resistor antes de manusear, e respeite a polaridade e a tensão máxima dos eletrolíticos.

Como um capacitor carrega

Um capacitor são duas placas condutoras separadas por um isolante. Ligado a uma fonte através de um resistor, ele vai acumulando carga e a tensão entre as placas (vC) sobe. Mas não sobe em linha reta:

  • No começo, o capacitor está vazio, toda a tensão da fonte fica no resistor e a corrente é a máxima: I₀ = V / R.
  • Conforme carrega, vC se aproxima da tensão da fonte, sobra cada vez menos tensão no resistor e a corrente cai.
  • Quanto menor a corrente, mais devagar ele carrega. Por isso a curva é uma exponencial: rápida no início e cada vez mais lenta.

A tensão no capacitor durante a carga:

vC(t) = V × (1 − e^(−t/τ))

A constante de tempo τ = R × C

O ritmo da carga depende de um só número, a constante de tempo:

τ = R × C (ohms × farads = segundos)

  • Resistência maior: menos corrente, carga mais lenta.
  • Capacitância maior: "cabe" mais carga, enche mais devagar.

Os marcos valem para qualquer circuito RC:

Tempo Carga do capacitor
1 τ 63,2%
2 τ 86,5%
3 τ 95,0%
4 τ 98,2%
5 τ 99,3%

Na prática, considera-se o capacitor carregado depois de 5 τ.

Descarga

Com a chave na posição de descarga, o capacitor carregado vira a "fonte" e descarrega pelo resistor. A tensão cai com a mesma constante de tempo:

vC(t) = V₀ × e^(−t/τ)

Em 1 τ sobram 36,8% da tensão; em 5 τ, menos de 1%. A corrente circula no sentido contrário ao da carga.

Exemplo resolvido

Resistor de 10 kΩ e capacitor de 100 µF, carregando em 12 V:

  1. τ = 10.000 × 0,0001 = 1 s
  2. Corrente inicial: 12 / 10.000 = 1,2 mA
  3. Em 1 s (1 τ): vC = 12 × (1 − e^(−1)) = 12 × 0,632 = 7,59 V
  4. Carregado (5 τ): em 5 s, com 12 × 0,993 = 11,92 V
  5. Energia armazenada: ½ × C × V² = ½ × 0,0001 × 144 = 7,2 mJ

Onde isso aparece

  • Temporizadores: o CI 555 usa o tempo de carga de um RC para gerar atrasos e frequências.
  • Debounce de botão: um RC filtra os repiques do contato mecânico.
  • Filtros: o RC atenua sinais que variam mais rápido que τ (passa-baixa).
  • Fontes de alimentação: os capacitores de filtro carregam nos picos e alimentam o circuito entre eles.
  • Segurança: fontes e inversores desligados ainda podem ter capacitores carregados. Os resistores de descarga ("bleeder") esvaziam esses capacitores em alguns τ.

Perguntas frequentes

O que é a constante de tempo RC? É o produto R × C, em segundos. Em 1 τ, o capacitor chega a 63,2% da carga; em 5 τ, a mais de 99%.

Quanto tempo um capacitor leva para carregar? Cerca de 5 × R × C. Com 10 kΩ e 100 µF, 5 segundos.

Por que 63%? Porque 1 − e^(−1) = 0,632. É o valor da curva exponencial quando t = τ.

Um capacitor sem resistor carrega na hora? Quase: a única resistência é a dos fios, da fonte e a interna do capacitor (ESR), muito pequena. τ fica minúsculo e a corrente inicial, enorme. Por isso se usa resistor de carga em bancos de capacitores grandes.

Para a relação entre tensão, corrente e resistência, veja a lei de Ohm. Para ler o valor do resistor, use o código de cores de resistores.