Circuito RC com entrada senoidal


Problema

Suponha o mesmo circuito analisando antes:

circuito_RC_low_pass

Mas agora vamor injetar uma onda senoidal na entrada deste circuito, o que acontece?

Neste caso:

Vin(t)=Vmsin(ωt)

e que Vm=5 V e inicialmente f=100 Hz.

Como: ω=2πf, teremos

ω=628,32 (rad/s)

A equação diferencial do circuito RC continua sendo (ver Resolvendo usando equação diferencial do circuito):

RCdVoutdt+Vout=Vin

subtituindo Vin como sendo a onda senoidal, teremos agora:

0,001dVoutdt+Vout=5sin(ωt)

 

Resolvendo usando equação diferencial

Agora não podemos simplesmente procurar uma solução constante.

Procuramos uma solução particular da forma:

Vout,p(t)=Asin(ωt)+Bcos(ωt)

Derivando:

dVout,pdt=Aωcos(ωt)Bωsin(ωt)

Substituímos na equação:

RC[Aωcos(ωt)Bωsin(ωt)]+Asin(ωt)+Bcos(ωt)=Vmsin(ωt)

Agrupando seno e cosseno:

(ABRCω)sin(ωt)+(B+ARCω)cos(ωt)=Vmsin(ωt)

Para que isso seja verdadeiro para qualquer t, os coeficientes precisam ser iguais:

Termo do seno:

ABRCω=Vm (1)

Termo do cosseno:

B+ARCω=0 (2)

Da segunda equação (2) temos que:

B=ARCω

Substituindo na primeira (1):

A(ARCω)RCω=Vm

A+A(RCω)2=Vm

A[1+(RCω)2]=Vm

Assim, descobrimos que:

A=Vm1+(RCω)2

e:

B=VmRCω1+(RCω)2

Portanto:

Vout,p(t)=(Vm1+(RCω)2)sin(ωt)+(VmRCω1+(RCω)2)cos(ωt)

Essa é uma resposta perfeitamente válida, mas existe uma forma mais elegante de "interpretá-la".

Convertendo para notação Amplitude e Fase

Podemos escrever:

Vout(t)=Msin(ωt+ϕ)

Sabemos que, a equação acima representa uma onda senoidal defasada de ϕ graus, então, pela identidade trignométrica do seno de uma soma, podemos re-escrver a equaçao acima como:

Msin(ωt+ϕ)=Msin(ωt)cosϕ+Mcos(ωt)sinϕ

Comparando com nossa expressão, temos:

Mcosϕ=Vm1+(RCω)2

e:

Msinϕ=VmRCω1+(RCω)2

Dividindo uma equação pela outra:

tanϕ=RCω

Portanto:

ϕ=arctan(RCω)

e para amplitude teremos:

M=A2+B2

Depois de uma simplificação, obtemos:

M=Vm1+(RCω)2

Assim, depois que desaparece o transitório, temos:

Vout(t)=Vm1+(RCω)2sin[ωtarctan(RCω)]

Essa equação é importante porque ela permite deduzir que este circuito:

 

Mas ainda temos o transitório!

A solução geral não é apenas a solução senoidal particular.

Temos também a solução homogênea:

Vout,h=Ket/RC

Logo:

Vout(t)=Ket/RC+(Vm1+(RCω)2)sin[ωtarctan(RCω)]

Se o capacitor inicialmente estiver descarregado:

Vout(0)=0

então podemos determinar K.

No instante zero:

0=K+Vm1+(RCω)2sin[arctan(RCω)]

mas como:

sin(arctanx)=x1+x2

e como neste caso:

x=RCω

obtemos:

K=VmRCω1+(RCω)2

Solução completa

Sendo assim, a solução completa é:

Vout(t)=(VmRCω1+(RCω)2)et/RC(a)+(Vm1+(RCω)2)sin[ωtarctan(RCω)](b) (1)

Concluímos que uma resposta de um circuito de primeira ordem possui uma parcela transitória (a) e uma parcela de regime permanente (b).

 

Simulação

Podemos simular uma senóide na entrada deste circuito, oscilando na frequência de 100 Hz

Mas com o objetivo de entender melhor as coisas, vamos adaptar um pouco a eq. (1):

Vout(t)=(VmRCω1+(RCω)2)et/RCy1(t)+(Vm1+(RCω)2)sin[ωtarctan(RCω)]y2(t)

e plotar sobreposto à curva de Vout(t), as curvas para y1(t) (envoltória do período transitório) e y2(t) (resposta em regime permanente).

Código: simula_sin_edo.m.

Na tela de comando deve aparecer:

e deve sugir um gráfico algo como:

circuito_RC_sin_100Hz

Note alguns detalhes no gráfico anterior:

 



Fernando Passold, 13/08/2026.