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V1 = 12 V VR1 = 3,3 V VR2 = 2,69 V VR2 = 8,69 V V2 = 6 V I2 = 10,77 mA I3 = 22,29 mA R1 100 Ω R2 250 Ω R3 390 Ω V1 12 V V2 6 V I1 = 33,06 mA B A ANÁLISE DE CIRCUITOS ELÉTRICOS – ACE CADERNO DIGITAL – 4ª Edição 2º semestre 2004 Professor Alessandro Cunha Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 2 2 21 2 2 2 1 )cos2()()( VVVVVRES Módulo de V1 Módulo de V2 Módulo de VRESULTANTE Sentido do vetor V1 Sentido do vetor V2 Sentido do vetor VRESULTANTE Retas que apóiam os vetores: direção φ Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 3 SUMÁRIO 1 – DIVISORES DE TENSÃO 2 – PONTE DE WHEATSTONE 3 – ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES 4 – LEITURA DE CAPACITORES 5 – VETORES EM ELETROELETRÔNICA 6 – CAPACITORES EM DC 7 – CAPACITORES EM AC 8 – INDUTORES EM DC 9 – INDUTORES EM AC 10 – CIRCUITO RC SÉRIE 11 – CIRCUITO RL SÉRIE 12 – CIRCUITO RC PARALELO 13 – CIRCUITO RL PARALELO 14 – CIRCUITO RLC SÉRIE 15 – CIRCUITO RLC PARALELO 16 – ANÁLISE DE CIRCUITOS POR KIRCHHOFF 17 – ANÁLISE DE CIRCUITOS POR SUPERPOSIÇÃO 18 – TEOREMA DE THEVENIN 19 – TEOREMA DE NORTON 20 – MÁXIMA TRANSFERÊNCIA DE POTÊNCIA 21 – APÊNDICE A: UTILIZAÇÃO DO PROTO BOARD 22 – BIBLIOGRAFIA CONSULTADA Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 4 “Só existe um tipo de pessoa que nunca erra: aquela que nada faz.” a.f.cunha “Quando Alice chega a uma bifurcação, encontra um gato encarapitado numa árvore e lhe indaga:’Você poderia me dizer que caminho sigo a partir daqui?’. O enigmático felino responde: ‘Isso depende muito de onde você quer ir.’ Ele exprime sua indecisão: ‘Não me importo muito com isso’. O gato emite uma sábia opinião:’Então, qualquer caminho é válido’.” Alice no País das Maravilhas Lewis Carrol Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 5 27015021 TT RRRR 420TR 420 12V I R V I T T f T mAIT 5,28 mAVIRV RTR 5,2815011 1 VVR 28,41 mAVIRV RTR 5,2827022 2 VVR 72,72 VVVVVV fRRf 72,728,421 VV f 12 Vcc 12V R1 150ohm R2 270ohm IT V1 VR2 VR1 1 – DIVISORES DE TENSÃO Vejamos o circuito a seguir: É possível calcular a queda de tensão em cada um dos resistores deste circuito. Utilizando a Lei de Ohm: Notamos que é possível comprovar através da 2ª Lei de Kirchhoff (Lei das Malhas) que a tensão da fonte se dividiu proporcionalmente em cada um dos resistores, ou seja: Este é o conceito básico de divisão de tensão, o que acontece em circuitos série. Uma aplicação típica para divisores de tensão é a redução da tensão da fonte para o funcionamento de uma carga. No exemplo a seguir colocamos uma motor de 7 V com resistências de 100 Ω para funcionar no divisor de tensão anterior. Vejamos os resultados obtidos: Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 6 370 27000 100270 100270 2 2 AA Motor Motor A RRRR RR R 97,72AR 97,721501 TAT RRRR 97,222TR 97,222 12V I R V I T T f T mAIT 8,53 mAVIRV RTR 8,5315011 1 VVR 07,81 mAVIRV AA RTAR 8,5397,72 VV AR 93,3 MotorRR2 1002R Vcc 12V R1 150ohm R2 270ohm Motor7V100R MOTOR_VIRTUAL CARGA IMotor IT V1 VR2 VR3 VCARGA IR2 O que aconteceu? Estávamos esperando que o nosso motor fosse alimentado por 7 V e na verdade a tensão que apareceu em seus terminais foi de 3,93 V, ou seja, insuficiente para fazê-lo funcionar. Como, então, projetar um divisor de tensão corretamente? Vejamos o exemplo a seguir, tomando como base o motor anterior. Para o cálculo chuta-se um valor para o resistor R2. Qualquer valor é possível, pois o resistor R1, via cálculo, se adequará ao valor chutado para R2. Um bom chute, que facilita os cálculos é fazer R2 igual ao valor de resistência do motor. Assim: Chutando: Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 7 2 100 2 A Motor A R R R 50AR 50 7V I R V I T A motor T mAIT 140 VVVVVV RRRf A 712 11 VVR 51 mA V R I V R T R 140 5 11 1 7,351R Vcc 12V R1 35.7ohm Motor7V100R MOTOR_VIRTUAL R2 100ohm IT = 140 mA CARGA IMotor = 70 mA 7 V 5 V 7 V IR2 = 70 mA Assim: È possível calcular a corrente total, pois sabemos que a queda de tensão desejada no resistor equivalente RA é de 7 V, para que o motor funcione corretamente. Assim: A tensão no resistor R1 pode ser calculada através da 2ª Lei de Kirchhoff (Lei das Malhas): De posse dos valores de tensão e corrente sobre o resistor R1, podemos calcular o valor de sua resistência ôhmica: O circuito ficará assim: EXERCÍCIO: 1 – Projete divisores de tensão para as cargas dadas a seguir: ITEM Fonte Carga R1 R2 A 12 V 3 V – 222 Ω B 36 V 15 V – 2K7 Ω C 9 V 1,5 V – 150 KΩ D 5 V 2,5 V – 4 Ω Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 8 2 – Deseja-se ligar lâmpadas através de divisores de tensão. Projete-os de acordo com os dados a seguir: ITEM Fonte Carga R1 R2 A 220 V 25 V – 10 W B 110 V 50 V – 60 W C 127 V 32 V – 40 W D 25 V 12 V – 20 W Note que os valores obtidos nos exercícios para os resistores calculados tem, quase sempre, valores quebrados. Não é possível comprar estes resistores comercialmente. Os fabricantes costumam adotar um padrão comercial para resistores de 4 anéis conhecido como Sistema E-24, cujos valores são múltiplos ou submúltiplos de: 10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47, 51, 56, 62, 68, 75, 82 e 91. 3 – Refaça os exercícios 1 e 2 substituindo os valores calculados para R1 e R2 por valores comerciais e verifique se o projeto irá funcionar com estes novos valores.: CALCULADOS Item Exercício 1 Exercício 2 R1 R2 R1 R2 A B C D VALORES COMERCIAIS Item Exercício 1 Exercício 2 R1 R2 R1 R2 A B C D Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 9 Vcc R1 R2 RL EXERCÍCIOS EXTRAS 1 – Faça o cálculo dos divisores de tensão para o circuito a seguir, completando as tabelas apresentadas: Tensão fonte: VF = 12 V Potência fonte: PF = Corrente fonte: IF = ITEM A Tensão (V) Corrente (A) Potência (W) Resistência () R1 400 mA R2 1 W RL 5 V 1 W Tensão fonte: VF = 24 V Potência fonte: PF = Corrente fonte: IF = ITEM B Tensão (V) Corrente (A) Potência (W) Resistência () R1 45 K R2 75 K RL 4 M Tensão fonte: VF = 6 V Potência fonte: PF = Corrente fonte: IF = ITEM C Tensão (V) Corrente (A) Potência (W) Resistência () R1 220 R2 RL 2 V 5 mW Tensão fonte: VF = Potência fonte: PF = Corrente fonte: IF = ITEM D Tensão (V) Corrente (A) Potência (W) Resistência () R1 12 V 1,2 k R2 35 V RL 220 k Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 10 2 – Deseja-se alimentar um Discman através de um divisor de tensão. O Discman tem as seguintes características: tensão de alimentação: 3 V consumo: ½ W Faça um projeto dos divisores de tensão para as seguintes fontes de alimentação, sabendo que a correntemáxima que cada uma das fontes pode fornecer é de 1 A: ITEM Vcc R1 R2 PR1 PR2 A 12 V B 5 V C 13,8 V D 25 V E 100 V F 4,5 V PARTE PRÁTICA OBJETIVO Projetar um divisor de tensão, montá-lo e verificar se os valores medidos conferem com os dados de projeto. MATERIAL NECESSÁRIO COMPONENTES: 3 resistores de ½ w com qualquer valor entre 1 kΩ e 10 kΩ. Anote os valores escolhidos na tabela abaixo: R1 R2 R3 EQUIPAMENTOS: 1 fonte de corrente contínua de 0 a 12 V; 1 proto board; 1 multímetro digital; DIVERSOS: Pedaços de fio wire up para montagem no proto board. Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 11 Vcc R1 R2 R3 Vcc R1 R2 PROCEDIMENTO 1) Projete um divisor de tensão sem carga utilizando os resistores mostrados no diagrama a seguir. Anote os valores que foram calculados na tabela abaixo. Considere que a fonte será ajustada para 10 V. RTOTAL ITOTAL VR1 VR2 IR1 IR2 2) Utilizando o material fornecido, monte no proto board o circuito projetado. Meça os valores pedidos na tabela a seguir. RTOTAL ITOTAL VR1 VR2 IR1 IR2 3) Compare os valores que foram medidos no circuito com os valores que foram projetados. O que se pode concluir? 4) Acrescente uma carga (R3) ao seu projeto e recalcule os valores, colocando o resultado na tabela abaixo, de acordo com o diagrama ao lado. RTOTAL ITOTAL VR1 VR2 VR3 IR1 IR2 IR3 Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 12 5) No circuito montado anteriormente, acrescente a carga (R3) e refaça as medidas, anotando os valores na tabela abaixo. RTOTAL ITOTAL VR1 VR2 VR3 IR1 IR2 IR3 6) Compare os valores que foram medidos no circuito com carga com os valores que foram projetados. O que se pode concluir? RELATÓRIO Faça um relatório da experiência contendo: Os cálculos dos circuitos projetados, com os valores obtidos; Os valores medidos nos circuitos que foram montados; As conclusões das comparações. Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 13 FONTE R1 R2 R3 R4 A B 2 – PONTE DE WHEATSTONE É um circuito utilizado em instrumentação eletrônica, e por meio dele é possível medir, além de resistência elétrica, diversas grandezas físicas como: temperatura, pressão, força, etc. O circuito básico de uma Ponte de Wheatstone pode ser visto a seguir: Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 14 FONTE R3 R4 A B R2 R1 I1 I2 VR2 VR4 ITOTAL I1 I2 VAB DIVISOR 1 DIVISOR 2 É interessante notar que a ponte é composta por dois divisores de tensão ligados em paralelo, como vemos a seguir: EXERCÍCIOS: 1 – Calcule as tensões VA e VB para o circuito mostrado anteriormente e com os dados fornecidos a seguir. Considere a tensão da fonte como sendo 12 V. Item R1 R2 R3 R4 VA VB A 100 100 100 100 B 100 120 100 120 C 220 330 440 550 D 75 12 10 80 O equilíbrio entre VA e VB acontece quando todos os resistores tem valor igual ou quando o divisor 1 é igual ao divisor 2. É nesta condição que se calibra a ponte para utilização como instrumentação. A variação entre VA e VB é diretamente proporcional a grandeza física que se deseja medir. Matematicamente podemos dizer que: VAB = VA - VB Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 15 Vcc R1 R2 R3 R4 00.000 V + - 2 – Calcule o valor de VAB para o exercício 1. Item A B C D VAB 3 – Calcule a tensão VAB para o circuito mostrado anteriormente e com os dados fornecidos a seguir. Item Vfonte R1 = R2 = R3 R4 VAB A 15 V 100 150 B 25 V 200 150 C 30 V 560 1 K D 9 V 1 K 560 EXERCÍCIOS EXTRAS 1 – Para o circuito a seguir, faça os cálculos e complete as lacunas da tabela abaixo: Item Vcc R1 = R2 = R3 RX VR1 = VR2 VR3 VRx Vx A 12 V 10 K 10,54 K B 25 V 1,5 K 1234 C 5 V 180 K 188 K D 50 V 2,2 K 5 K E 4,5 V 470 253 F 10 V 33 K 31,75 K G 13,8 V 560 K 560 K H 6 V 10 10,753 I 20 V 100 112,3 Vx Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 16 12V R1 R2 R3 PT100 00.000 V + - 2 – Um PT 100 é um elemento termoresistor, ou seja, varia a sua resistência de acordo com a temperatura nele aplicada. Na eletroeletrônica suas aplicações na medição e controle de temperatura são muitas. Um dos modos de utilização é o visto no circuito abaixo, em uma ponte de Wheatstone. Sabendo que os resistores R1, R2 e R3 são de valores iguais a 100 calcule: a) qual é o valor da resistência do PT100 se a tensão medida na placa de controle de temperatura é a indicada a seguir: Item Tensão na placa de controle Resistência do PT 100 A 1 V B 0,5 V C -0,75 V D -2,35 V E 0,15 V b) sabendo que em 0 ºC o PT 100 tem uma resistência de 100 e que para cada 1 ºC que a temperatura aumenta, sua resistência aumenta de 1,5 , bem como quando a temperatura diminui de 1 ºC, sua resistência também diminui de 1,5 , calcule qual é a temperatura que esta sendo medida para cada uma das resistências que o PT100 esta marcando no item anterior. Item Resistência do PT100 Temperatura A B C D E PLACA DE CONTROLE DE TEMPERATURA Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 17 Vcc R1 R2 R3 R4 PARTE PRÁTICA OBJETIVO Projetar uma ponte de Wheatstone, montá-la e verificar se os valores medidos conferem com os dados de projeto. MATERIAL NECESSÁRIO COMPONENTES: 6 resistores de ½ w com qualquer valor entre 1 kΩ e 10 kΩ sendo que R1, R2 e R3 sejam de valores iguais e os demais sejam de qualquer valor. Anote os valores escolhidos na tabela abaixo: R1 , R2 e R3 R4 R5 R6 EQUIPAMENTOS: 1 fonte de corrente contínua de 0 a 12 V; 1 proto board; 1 multímetro digital; DIVERSOS: Pedaços de fio wire up para montagem no proto board. PROCEDIMENTO 7) Projete uma Ponte de Wheatstone utilizando os resistores mostrados no diagrama a seguir. Anote o valor que foI calculado na tabela abaixo. Considere que a fonte será ajustada para 10 V. VAB A B Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 18 8) Utilizando o material fornecido, monte no proto board o circuito projetado. Meça o valor pedido na tabela a seguir. VAB 9) Compare o valor que foI medido no circuito com o valor que foI projetado. O que se pode concluir? 10) Na ponte projetada mude o resistor R4 pelo resistor R5 e refaça os cálculos, anotando o valor de VAB. VAB 11) No circuito montado anteriormente mude o resistor R4 pelo resistor R5 e refaça a medida de VAB, anotando seu valor. VAB 12) Na ponte projetada mude o resistor R5 pelo resistor R6 e refaça os cálculos, anotando o valor de VAB. VAB 13) No circuito montado anteriormente mude o resistor R5 pelo resistor R6 e refaça a medida de VAB, anotando seu valor. VAB 14) Compare os valores que foram medidos no circuito os valores que foram projetados. O que se pode concluir? RELATÓRIO Faça um relatório da experiência contendo: Os cálculos dos circuitos projetados, com os valores obtidos; Os valores medidos nos circuitos que foram montados; As conclusões das comparações. Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE20 - 19 R1 R2 R3 R4 A B R5 R1 R2 A B 1 2 1 2 ASSOCIAÇÃO SÉRIE ASSOCIAÇÃO SÉRIE - Um único caminho para a passagem da corrente elétrica, a corrente não se divide; - A tensão se divide entre os resistores da associação; - O fim de um componente (2) está ligado no início do próximo (1); - Se um componente abrir, os demais deixam de funcionar R1 R2 A B 1 2 1 2 ASSOCIAÇÃO PARALELO ASSOCIAÇÃO PARALELO - Mais de um caminho para a passagem da corrente elétrica, a corrente se divide; - A tensão sobre os componentes é a mesma aplicada entre os pontos A e B; - O início dos componentes estão ligados juntos (1) assim como o fim (2); - Se um componente abrir, os demais continuam funcionando 3 – ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES ESTRELA (Y) E TRIÂNGULO () DESAFIO Utilizando seus conhecimentos de associação de resistores (série e paralelo) calcule a resistência equivalente entre os pontos A e B no circuito a seguir. Considere que todos os resistores tem valor igual a 100 . REVISÃO: Associação série e paralelo de resistores Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 20 R1 R2 R3 A B C C A B RA RB RC 2 323121 R RRRRRR RA 3 323121 R RRRRRR RB 1 323121 R RRRRRR RC Como podemos perceber, o desafio anterior não tem solução possível pelo método série ou paralelo, pois as características de cada um deste tipo de associação não está presente em nenhum dos resistores. Como resolver circuitos com este tipo de ligação? A solução está na transformação estrela – triângulo e triângulo – estrela, como veremos a seguir. TRANSFORMAÇÃO ESTRELA – TRIÂNGULO ( - ) Para realizar esta transformação utiliza-se as seguintes equações: EXERCÍCIOS: 1 – Faça as seguintes transformações - : ITEM R1 R2 R3 RA RB RC A 100 200 300 B 1,7 K 2,8 K 1 K C 470 K 110 2,2 K D 12 12 24 Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 21 C A B RA RB RC R1 R2 R3 A B C CBA BA RRR RR R 1 CBA CB RRR RR R 2 CBA CA RRR RR R 3 TRANSFORMAÇÃO TRIÂNGULO – ESTRELA ( - ) Para realizar esta transformação utiliza-se as seguintes equações: EXERCÍCIOS: 2 – Faça as seguintes transformações - : ITEM RA RB RC R1 R2 R3 A 12 12 24 B 1,7 K 2,8 K 10 K C 300 200 150 D 76 K 530 K 12 K DESAFIO – SOLUÇÃO Já é possível resolver o desafio do início deste tópico. Para isto, basta realizar uma transformação de - :envolvendo os resistores R1, R2 e R3. Faça as contas e verifique que a resistência equivalente entre os pontos A e B tem um valor de 100 . Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 22 R1 R2 R3 R4 R5 EXERCÍCIOS: 3 – Calcule o valor da resistência equivalente entre os pontos marcados dos circuitos a seguir: a) b) c) ITEM Resistência Equivalente A B C EXERCÍCIOS EXTRAS 1 – Qual o valor da resistência equivalente entre os pontos A e B para os valores de resistores fornecidos na tabela: Item R1 R2 R3 R4 R5 Req A 10 K 15 K 5 K 20 K 1 K B 1,5 K 0,5 K 2,5 K 3,5 K 1,5 K C 180 220 470 330 680 A B A A A B B B Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 23 R1 R2 R3 R4R5 R6R7 2 – Qual o valor da resistência equivalente entre os pontos A e B para os valores de resistores fornecidos na tabela: Item R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 Req A 10 K 10 K 10 K 10 K 10 K 10 K 10 K B 920 K 150 K 470 K 330 K 220 K 180 K 820 K C 15 22 47 82 18 33 68 PARTE PRÁTICA OBJETIVO Calcular o valor da resistência equivalente em uma associação triângulo ou estrela, montar e verificar se os valores medidos conferem com os dados calculados. MATERIAL NECESSÁRIO COMPONENTES: 7 resistores de ½ w com qualquer valor entre 1 kΩ e 10 kΩ. Anote os valores escolhidos na tabela abaixo: R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 EQUIPAMENTOS: 1 proto board; 1 multímetro digital; DIVERSOS: Pedaços de fio wire up para montagem no proto board. B A Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 24 R1 R2 R3 R4 R5 R1 R2 R3 R4R5 R6R7 PROCEDIMENTO 15) Calcule o valor da resistência equivalente para o circuito a seguir utilizando os resistores escolhidos. RAB 16) Utilizando o material fornecido, monte no proto board o circuito projetado. Meça o valor pedido na tabela a seguir. RAB 17) Compare o valor que foI medido no circuito com o valor que foI projetado. O que se pode concluir? 18) Agora, utilizando os resistores para o circuito abaixo, recalcule o valor da resistência equivalente. RAB 19) Utilizando o material fornecido, monte no proto board o circuito projetado. Meça o valor pedido na tabela a seguir. RAB 20) Compare o valor que foI medido no circuito com o valor que foI projetado. O que se pode concluir? RELATÓRIO Faça um relatório da experiência contendo: Os cálculos dos circuitos projetados, com os valores obtidos; Os valores medidos nos circuitos que foram montados; As conclusões das comparações. A B B A Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 25 4 – LEITURA DE CAPACITORES De forma geral, os fabricantes de capacitores não utilizam nenhum padrão estabelecido internacionalmente para a identificação e marcação dos componentes. São utilizados diversos tipos de inscrições onde as mais usuais são as descrições gráficas e anéis coloridos pintados, no invólucro do capacitor, trazendo seus respectivos valores de capacitância, de tolerância, de tensão de trabalho, etc. Exatamente por este motivo, a consulta a catálogos de fabricantes é tão importante, pois nele o fabricante especifica como é feita a marcação e codificação de valores em seus produtos. A tabela mostrada a seguir é a mais comumente utilizada pelos fabricantes para a marcação no corpo dos capacitores. Isto não significa que todos os capacitores sigam esta tabela. 1˚ caractere 2˚ caractere 3˚ caractere 4˚ caractere Algarismo Significativo Algarismo Significativo Fator Multiplicador Tolerância de Capacitância Até 10pF Código Acima de 10pF Não tem zero 0 0 = 100 0,1 pF B - 1 1 1 = 101 0,25 pF C - 2 2 2 = 102 0,5 pF D - 3 3 3 = 103 0,5 pF E - 4 4 4 = 104 1,0 pF F 1 % 5 5 5 = 105 G 2 % 6 6 6 = não utilizado H 3 % 7 7 7 = não utilizado J 5 % 8 8 8 = 10-2 K 10 % 9 9 9 = 10-1 M 20 % N 0,05 % S + 50% / - 20% Z + 80 % - 20 % P +100 % / - 0 % Para alguns dos capacitores cerâmicos, que apresentam valores de alta capacitância num volume físico reduzido (devido a alta constante dielétrica) encontramos alem dos dados já ilustrados (valor de capacitância, tolerância e tensão de trabalho), o valor do Coeficiente de Temperatura que define a variação do valor da capacitância dentro de uma determinada faixa de temperatura. O Coeficiente de Temperatura é expresso em “%” ou “ppm/°C” (partes por milhão por °C) e declaram as características de alta estabilidade de capacitância à variação de temperatura. Nesses capacitores de cerâmica os caracteres referentes ao valor capacitivo quando trazem números inteiros (150; 220; etc.), a unidade de medida em pF. Quando indicam números decimais (0,47 ; 0,1; etc.), a unidade de medida é em μF. Temos ainda capacitores quecontem símbolos formados por três caracteres (X7R, Y5F Z5U, etc.), definindo a faixa de variação máxima da capacitância dentro dos limites de variação máximos e mínimos de temperatura. Estes são recomendados a aplicações de acoplamento e desacoplamento de sinais, supressão de transientes em baixas tensões. Para saber o siginifcado de cada composição de símbolos veja a tabela a seguir. Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 26 1˚ caractere 2˚ caractere 3˚ caractere Temperatura Mínima Temperatura Máxima Variação Máxima de Capacitância X = - 55 °C 2 = + 45 °C A = 1.0 % Y = - 30 °C 4 = + 65 °C B = 1.5 % Z = + 10 °C 5 = + 85 °C C = 2.2 % K = + 25 °C 6 = + 105 °C D = 3.3 % 7 = + 125 °C E = 4.7 % F = 7.5 % P = 10 % R = 15 % S = 22 % T = -33% à +22% U = -56% à +22% V = -82% à +22% Temos também capacitores que tem símbolos formados pelo conjunto de caracteres alfanuméricos (NP0, N330 e P100), definindo a faixa de variação da capacitância por graus Celsius (ppm/°C). Estes tem o coeficiente de temperatura linear, definido, com alta estabilidade de capacitância e perdas mínimas, e são recomendados a aplicações em circuitos ressonantes, circuitos de filtragem, compensação de temperatura, acoplamento e filtragem em circuitos de RF. Código Coeficiente de variação em relação a temperatura NPO 0 a 30 ppm/°C N075 - 75 a 30 ppm/°C N150 - 150 a 30 ppm/°C N220 - 220 a 60 ppm/°C N330 - 330 a 60 ppm/°C N470 - 470 a 60 ppm/°C N750 - 750 a 120 ppm/°C N1500 - 1500 a 250 ppm/°C N2200 - 2200 a 500 ppm/°C N3300 - 3300 a 500 ppm/°C N4700 - 4700 a 1000 ppm/°C N5250 - 5250 a 1000 ppm/°C P100 + 100 a 30 ppm/°C Capacitores fabricados dentro do padrão EIA, a tensão máxima de trabalho é identificada por letras, conforme tabela a seguir. Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 27 Caractere / Tensão de Funcionamento A = 100 V J = 2.000 V S = 12.000 V B = 250 V K = 2.500 V T = 15.000 V C = 300 V L = 3.000 V U = 20.000 V D = 500 V M = 4.000 V V = 25.000 V E = 600 V N = 5.000 V W = 30.000 V F = 1.000 V P = 6.000 V X = 35.000 V G = 1.200 Volts Q = 8.000 Volts H = 1.500 Volts R = 10.000 Volts Em capacitor de Poliéster Metalizado, é usado também o código de cores, similar ao utilizado para os resistores. O coeficiente de temperatura varia conforme o sistema usado, e não será tratado aqui. Segue a tabela de cores e exemplos de leitura de capacitores. Cores 1º Anel 2º Anel 3º Anel 4º Anel 5º Anel 6º Anel 1º Sig. 2º Sig. Múltiplo Tolerância Tensão C. T. Preto 0 20% Marrom 1 1 0 1% Vermelho 2 2 00 2% 250V Laranja 3 3 000 Amarelo 4 4 0000 400V Verde 5 5 00000 Azul 6 6 630V Violeta 7 7 Cinza 8 8 Branco 9 9 10% Mostraremos a seguir os tipos mais usuais de capacitores e a sua forma de leitura, com base nas tabelas anteriormente mostradas. CAPACITOR DE POLIESTER (OU FILME) 0,003 = Valor numérico, em µF – 3 nF M = Tolerância, em % – 20 % 400 V = Tensão de trabalho – 400 V Valor lido: 3 nF ± 20 % - 400 V 0,22 µF = Valor numérico, em µF – 220 nF K = Tolerância, em % – 10 % 250 V = Tensão de trabalho – 250 V Valor lido: 220 nF ± 10 % - 250 V 102 = Três primeiros algarismos, ou seja 10·102, em pF – 1000 pF = 1 nF K = Tolerância, em % – 10 % 50 = Tensão de trabalho – 50 V Valor lido: 1 nF ± 10 % - 50 V Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 28 CAPACITOR DE FILME DE POLIESTER METALIZADO CAPACITOR DE EPÓXI CAPACITOR CERÂMICO 4n7 = Valor numérico, em nF – 4,7 nF 400 = Tensão de trabalho – 400 V Valor lido: 4,7 nF - 400 V 150n = Valor numérico, em nF – 150 nF 250 = Tensão de trabalho – 250 V Valor lido: 150 nF - 250 V 68n = Valor numérico, em nF – 68 nF 100 = Tensão de trabalho – 100 V Valor lido: 68 nF - 100 V µ47 = Valor numérico, em µF – 470 nF 100 = Tensão de trabalho – 100 V Valor lido: 470 nF - 100 V 223 = Três primeiros algarismos, ou seja 22·103, em pF – 22000 pF = 22 nF K = Tolerância, em % – 10 % 63 = Tensão de trabalho – 63 V Valor lido: 22 nF ± 10 % - 63 V 154 = Três primeiros algarismos, ou seja 15·104, em pF – 150000 pF = 150 nF M = Tolerância, em % – 20 % 100 = Tensão de trabalho – 100 V Valor lido: 150 nF ± 20 % - 100 V 22 = Dois primeiros algarismos, ou seja 22·100, em pF – 22 pF M = Tolerância, em % – 20 % 1 KV = Tensão de trabalho – 1 KV Valor lido: 22 nF ± 20 % - 1 KV Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 29 K = Temperatura Mínima de trabalho – +25º C 5 = Temperatura Máxima de trabalho – +85º C U = Variação da Capacitância – -56% a +22% 474 = Três primeiros algarismos, ou seja 47·104, em pF – 470000 pF = 470 nF M = Tolerância, em % – 20 % Valor lido: 470 nF ± 20 %, com variação de -56% a +22% dentro da faixa de operação de +25º C até +85º C X = Temperatura Mínima – -55º C 7 = Temperatura Máxima – +125º C R = Variação da Capacitância – ±15% 10 = Dois primeiros algarismos, ou seja 10·100, em pF – 10 pF K = Tolerância, em % – 10 % 1 KV = Tensão de Trabalho – 1 KV Valor lido: 10 pF ± 10 % - 1 KV, com variação de ±15% dentro da faixa de operação de -55º C até +125º C C = Temperatura Mínima – +25º C 0 = Temperatura Máxima – +85º C H = Variação da Capacitância – + 60 ppm/ º C 7 = Único algarismo, ou seja 7·100, em pF – 7 pF D = Tolerância, em % – ± 0,5 pF Valor lido: 7 pF ± 0,5 pF, com variação de + 60 ppm/ º C dentro da faixa de operação de +25º C até +85º C Z = Temperatura Mínima – +10º C 5 = Temperatura Máxima – +85º C U = Variação da Capacitância – -56% a +22% .0033 = Valor numério, em µF – 3,3 nF ± 20% = Tolerância, em % – ± 20 % Valor lido: 3,3 nF ± 20 %, com variação de -56% a +22% dentro da faixa de operação de +10º C até +85º C Z = Temperatura Mínima – +10º C 5 = Temperatura Máxima – +85º C P = Variação da Capacitância – ± 10% 2200 = Valor numérico, em pF – 2200 pF = 2,2 nF K = Tolerância, em % – ± 20 % Valor lido: 2,2 nF ± 20 %, com variação de ± 10% dentro da faixa de operação de +10º C até +85º C Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 30 CAPACITOR DE POLIESTER METALIZADO N2200 = Coeficiente de variação de capacitância – de-2200 a + 500 ppm / º C 47pF = Valor numérico, em pF – 47 pF ± 20% = Tolerância, em % – ± 20 % Valor lido: 47 pF ± 20 %, com variação de-2200 a + 500 ppm / ºC 20 = Valor numérico, em pF– 20 pF ± 20% = Tolerância, em % – ± 20 % 50 VAC = Tensão de trabalho AC – 50 VAC 400 VDC = Tensão de trabalho DC – 400 VDC Valor lido: 20 pF ± 20 % – 50 VAC – 400 VDC 200n = Valor numérico, em nF– 200 nF Z = Tolerância, em % – + 80% e - 20 % 12 V = Tensão de trabalho DC – 12 VDC Valor lido: 200 nF + 80% e - 20 % – 12 VDC MARROM = 1º Dígito – 1 PRETO = 2º Dígito – 0 LARANJA = 3º Dígito – 103 BRANCO = 4º Dígito – ± 10 % VERMELHO = 5º Dígito – 250 V Valor lido: 10·103 pF ± 10 % – 250 V LARANJA = 1º Dígito – 3 LARANJA = 2º Dígito – 3 LARANJA = 3º Dígito – 103 BRANCO = 4º Dígito – ± 10 % VERMELHO = 5º Dígito – 250 V Valor lido: 33·103 pF ± 10 % – 250 V Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 31 PARTE PRÁTICA OBJETIVO Ler o valor nominal de diversos tipos decapacitores e medi-los com um capacímetro, comparando os valores medidos e calculados. MATERIAL NECESSÁRIO COMPONENTES: 2 cartelas com 10 capacitores cada fornecidas pelo professor. Anote o número de cada cartela na tabela a seguir: Cartela 01 Cartela 02 EQUIPAMENTOS: 1 multímetro digital com capacímetro; PROCEDIMENTO 21) Faça a leitura de cada capacitor da cartela e anote os valores obtidos na tabela a seguir. CARTELA 01 Capacitor Valor nominal Tolerância Detalhes C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 CARTELA 02 Capacitor Valor nominal Tolerância Detalhes C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 32 22) Utilizando a escala de medida de capacitância no multímetro digital, meça os valores de cada um dos capacitores que você leu anteriormente, colocando os valores medidos na tabela a seguir. CARTELA 01 Capacitor Valor medido Detalhes C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 CARTELA 02 Capacitor Valor medido Detalhes C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 23) Compare os valores que foram lidos das marcações nos capacitores com os valores medidos com o multímetro. O que se pode concluir? RELATÓRIO Faça um relatório da experiência contendo: As tabelas com os valores lidos; As tabelas com os valores medidos; As conclusões das comparações. Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 33 5 – VETORES EM ELETROELETRÔNICA GRANDEZAS ESCALARES Algumas grandezas físicas são possíveis de representar apenas com valores escalares (número) e uma unidade de medida, ou seja, são compreensíveis apenas com um parâmetro. Alguns exemplos são: a) Temperatura: a temperatura na sala é de 20º C. Esta informação é completa, ou seja, ao saber que a temperatura em uma sala é de 20 (número escalar) º C (unidade de medida), entende-se o que está acontecendo naquela região referente ao calor. b) Tempo: já se passaram 3 horas, 45 minutos e 20 segundos do início do evento. Outra informação completa, ou seja, sabe-se exatamente quanto tempo se passou desde o início do evento. c) Resistência Elétrica: a associação tem 354 (número escalar) Ω (unidade de medida). Notamos que todas as informações anteriores dão a exata noção do que acontece com o fenômeno físico estudado. Quando isto acontece temos uma grandeza escalar. GRANDEZAS VETORIAIS Algumas representações físicas não são completas quando informadas somente um valor escalar (um número) e uma unidade de medida. Estas são conhecidas como grandezas vetoriais e sempre necessitam de 3 parâmetros para existir: a) Um valor numérico: é um número escalar, também conhecido como módulo, que representa a intensidade do fenômeno; b) Uma direção: é a reta onde se apóia o vetor; c) Um sentido: para onde se orienta o vetor. Um vetor pode ter representação gráfica, como mostra o exemplo a seguir. Note que são facilmente identificados os 3 parâmetros citados anteriormente: Valor escalar: módulo do vetor Reta que apóia o vetor: direção do vetor Para onde aponta o vetor: sentido do vetor Vetor Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 34 Vejamos alguns exemplos que já usamos de grandezas vetoriais, mas que nem notamos direito serem vetores: a) O carro está a 80 Km / h: esta informação é incompleta, pois os únicos parâmetros fornecidos foram o módulo (80), valor escalar da velocidade e a unidade de medida (km / h). Para sabermos exatamente o que acontece com o veículo, precisamos saber a sua direção (na Rodovia Anhanguera – é a reta que serve de apoio ao carro) e o seu sentido (indo para Campinas – sentido norte do Estado de São Paulo). b) Aplicou uma força de 10 N sobre a mesa: só temos o parâmetro do módulo (10), que é o valor escalar e a unidade de medida (N). Falta informar sua direção (a mesa estava sobre o piso) e o seu sentido (da esquerda para a direita). c) O atacante chutou a bola e fez o gol: apesar da emoção, faltam todas as informações vetoriais: qual a força que o atacante usou para chutar a bola (módulo)? Em qual campo de futebol estava acontecendo o jogo (direção) e para que lado ele chutou a bola (sentido). RESULTANTES DE SISTEMAS VETORIAIS Como os vetores representam grandezas físicas, é possível que duas ou mais grandezas estejam interagindo ao mesmo tempo em um corpo. O que isto causa? Uma resultante vetorial! Como calcular? É o que veremos agora. a) Vetores com mesma direção, mesmo sentido e módulos diferentes: Módulo de V1 Retas que apóiam os vetores: direção Módulo de V2 Sentido dos vetores Sentido do vetor Módulo de VRESULTANTE = V1 + V2 Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 35 22122212 )cos2( VVVVVRES 0cos90 b) Vetores com mesma direção, sentidos diferentes e módulos diferentes: c) Vetores com direção, sentido e módulo diferentes: Matematicamente, o cálculo do vetor resultante é dado por: Vejamos um caso especial. Se: Teremos então: Módulo de V1 Retas que apóiam os vetores: direção Módulo de V2 Sentido do vetor V2 Sentido do vetor: é o sentido do vetor de maior intensidade (maior módulo) Módulo de VRESULTANTE = V2 – V1 Módulo de V1 Módulo de V2 Módulo de VRESULTANTE Sentido do vetor V1 Sentido do vetor V2 Sentido do vetor VRESULTANTE Retas que apóiam os vetores: direção φ Sentido do vetor V1 Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 36 02 2122212 VVVVVRES 022212 VVVRES 22212 VVVRES 2221 VVVRES Este é o famoso teorema de Pitágoras. Encontrando VRES: APLICAÇÃO DE VETORES EM SISTEMAS ELÉTRICOS Vamos tomar como exemplo uma tensão senoidal. Uma senóide pode ter a sua representação gráfica e vetorial como mostramos a seguir: EM GRÁFICO: Valor máximo positivo da senóide: + VPICO Valor máximo negativo da senóide: - VPICO 0º 90º 180º 270º 360º Valor eficaz da senóide: 2 PICO eficaz V V Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 37 EM VETOR: DEFASAGEM ENTRE SENÓIDES Uma senóide tem uma defasagem quando existe uma diferença em graus se comparada com o ponto de início de uma senóide de referência. A defasagem pode ser positiva se a senóide está adiantada com relação a senóide de referência, ou negativa se a senóide está atrasada em relação a senóide de referência. Vejamos os exemplos a seguir: DEFASAGEM POSITIVA (ADIANTADA) EM GRÁFICO: Módulo = VEFICAZ 0º Note que na representação vetorial, o eixo horizontal (direção) para a direita (sentido) representa o 0º da senóide. Esta será sempre a referência para a representação de qualquer outra senóide, como veremos a seguir. O tamanho do vetor representado é equivalente ao valor eficaz da senóide que se representa. 0º 90º 180º 270º 360º Quando a senóide vermelha (senóide de referência) está em 0º, seu valor escalar é igual a 0. No mesmo instante (0º), a senóide azul já está com seu valor escalar igual ao valor de pico positivo, valor que a senóide vermelha só vai atingir 90º depois da senóide azul. Diz-se, então que a senóide azul está 90º adiantada quando comparada com a senóide de referência vermelha. Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análisede Circuitos Elétricos – ACE 20 - 38 EM VETOR: DEFASAGEM NEGATIVA (ATRASADA) EM GRÁFICO: EM VETOR: 0º 90º 180º 270º 360º 0º 270º Quando a senóide vermelha (senóide de referência) está em 0º, seu valor escalar é igual a 0. Porém, a senóide azul só terá o seu valor igual a 0 quando a senóide de referência vermelha já estiver em 90º. Diz-se, então que a senóide azul está 90º atrasada quando comparada com a senóide vermelha. Atrasada em relação a referência Adiantada em relação a referência 0º 90º Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 39 INVERSÃO DE FASE Inversão de fase acontece quando se tem uma senóide com 180º de defasagem em relação a senóide de referência, como se vê abaixo: EM GRÁFICO: EM VETOR: COMPARAÇÃO VETORIAL DE SENÓIDES EM SISTEMAS ELÉTRICOS Ao ligarmos duas fontes de corrente contínua em série, a tensão resultante na saída será a soma algébrica do módulo (valor da tensão) das duas fontes. Já a corrente será mesma para as duas. Se ligarmos estas fontes em paralelo (fontes que tenha a mesma tensão), a corrente resultante na saída será a soma algébrica do módulo (valor da corrente) das duas fontes. Já a tensão será a mesma para as duas. Veja os exemplos a seguir: 0º 90º 180º 270º 360º 0º 180º Oposta em relação a referência Quando a senóide vermelha (senóide de referência) está em 0º, seu valor escalar é 0 e a senóide azul também tem seu valor escalar igual a 0. Só que a senóide vermelha vem de valores negativos e a senóide azul vem de valores positivos. Quando ambas estão em 90º a senóide vermelha está no pico positivo e a senóide azul está no pico negativo. Diz-se, então que a senóide azul é oposta a senóide vermelha, ou tem inversão de fase. Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 40 A 12V B 6V A 25V B 50V A 50V B 50V A 12V B 12V A 1V 60Hz 0Deg B 1V 60Hz 90Deg Já com fontes de corrente alternada, a tensão (no caso de ligação série) ou a corrente (no caso de ligação paralelo) devem ser somadas vetorialmente, e não mais linearmente como era feito em fontes DC. Vejamos os exemplos a seguir: DUAS FONTES EM SÉRIE – CORRENTE IGUAL, TENSÃO DIFERENTE EM GRÁFICO: VAB = 12 V + 6V VAB = 18 V VAB = 50 V VAB = 25 V + 50V VAB = 75 V VAB = 12 V IAB = ITOTAL IAB = ITOTAL IAB = I1 + I2 IAB = I1 + I2 0º 90º 180º 270º 360º V1 V1 V2 V2 Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 41 2221 VVVAB 22 11 ABV 2ABV 4142,1ABV 1 21 1 2 1 2 tanarctantan V V V V V V 1arctan 1 1 tan 1 45 A 1V 60Hz 0Deg B 1V 60Hz 270Deg EM VETOR: Teremos que VAB é dada pela soma vetorial, ou seja: Já o cálculo do ângulo é feito utilizando trigonometria: DUAS FONTES EM PARALELO – CORRENTE DIFERENTE, TENSÃO IGUAL EM GRÁFICO: O cálculo do módulo será: 0º 90º Módulo de V1 Módulo de V2 Módulo de VAB φ I1 I2 0º 90º 180º 270º 360º I1 I2 Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 42 2221 III AB 22 11 ABI 2ABI 4142,1ABI 1 21 1 2 1 2 tanarctantan I I I I I I 1arctan 1 1 tan 1 45 EM VETOR: Teremos que IAB é dada pela soma vetorial, ou seja: Já o cálculo do ângulo é feito utilizando trigonometria: EXERCÍCIOS 1 – Para os gráficos mostrados nos itens abaixo, considere a senóide vermelha como sendo a referência. Verifique a relação de fase (atrasada, adiantada, em oposição) da senóide azul em relação a senóide vermelha. Considerando que cada quadrado do gráfico corresponde a 10 V, calcule o módulo do vetor resultante da soma das duas senóides. Faça a representação vetorial destas duas senóides. a) O cálculo do módulo será: 0º 270º Módulo de I1 Módulo de I2 Módulo de IAB φ 0º 90º 180º 270º 360º V1 V2 Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 43 b) c) d) 0º 90º 180º 270º 360º V1 V2 0º 90º 180º 270º 360º V1 V2 0º 90º 180º 270º 360º V1 V2 Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 44 Vcc R C S Vcc R S R Vcc I MÁX 6 – CAPACITORES EM DC CARGA DO CAPACITOR Vamos utilizar um capacitor inicialmente descarregado (Vc = 0) e colocá-lo no circuito a seguir: No exato instante em que fecharmos a chave S, dispararemos um cronômetro que medirá o tempo decorrido. Assim, o momento em que fechamos a chave é t = 0 s. Como o capacitor está completamente descarregado, ao fechar a chave toda a corrente que é fornecida pela fonte é acumulada direto nas placas de sua armadura. A placa conectada ao pólo positivo da fonte fornece elétrons, e a placa conectada ao pólo negativo recebe elétrons da fonte. Devido a esta característica, no instante t = 0 s podemos considerar o capacitor como um curto-circuito, ou seja: Como o capacitor passou a ser um curto, fica fácil calcular a corrente que passa pelo circuito, através da Lei de Ohm. Logo iremos perceber que esta corrente é o valor máximo que pode passar pelo circuito. Assim, podemos escrever que: O capacitor é considerado um curto-circuito quando t = 0 s t = 0 s – Instante em que a chave S é fechada e começa a circular a corrente Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 45 t MÁXt eII tI MÁX I e t CR FCR 63 1011010 ms10 31010 10V I R Vcc I MÁXMÁX mAIMÁX 1 Só que, com o passar do tempo, o capacitor começa a acumular cargas em suas armaduras e a quantidade de elétrons que as placas recebem ou doam à fonte diminui. Por isso a corrente que passa pelo circuito também diminui. Para a fonte é como se o capacitor começasse a apresentar uma certa “resistência” à passagem da corrente elétrica (o nome correto para isto é a reatância capacitiva). E esta “resistência” ocorre de modo exponencial, o que é representado pela equação a seguir: Vamos detalhar esta equação: Mas o que é uma constante de tempo? Com um capacitor ligado a um resistor a constante de tempo é dada por: Utilizando a equação da corrente do capacitor é possível plotar um gráfico da corrente ao longo do tempo, o que é mostrado na figura a seguir. Para isso vamos considerar que o circuito é formado com um resistor de 10 KΩ, um capacitor de 1 µF e uma fonte de 10 V. Teremos uma constante de tempo de: A corrente máxima será de: É a corrente que passa pelo capacitor em qualquer instante de tempo t. Assim, para saber a corrente no capacitor quando o cronômetro marcar 2 s, basta substituir 2 s em tudo o que tiver t e realizar o cálculo para saber o valor Valor máximo de corrente que pode passar pelo capacitor. Isto ocorre quando t = 0 s, como vimos anteriormente, e pode ser calculado pela expressão anterior. Logaritmo neperiano, ou seja, um logaritmo na base 2,718281828.... Instante de tempo em que se deseja conhecer a corrente que passa pelo capacitor, como explicado em I(t). Constantede tempo RC do circuito (veremos a diante o que é isso). Utiliza a letra do alfabeto grego (lê-se tal). Em segundos (s) Em ohms (Ω) Em farads (F) Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 46 CR VVVcc )(tR IRV Ct VIRVcc )( C t MÁX VeIRVcc C t Ve R Vcc RVcc Teremos, então, o seguinte gráfico: A partir da equação da corrente do capacitor e utilizando a 2ª Lei de Kirchhoff (Lei da Malhas), podemos escrever a equação da tensão no capacitor. Acompanhe o raciocínio a seguir. Da Lei das Malhas, para o circuito anterior, tiramos a seguinte expressão: A tensão no resistor, em qualquer instante de tempo, será dada pela aplicação da Lei de Ohm, ou seja: Substituindo na equação anterior: A corrente em qualquer instante é a mesma tanto para o capacitor como para o resistor, uma vez que eles estão ligados em série. Substituindo a equação de I(t), que representa a corrente em qualquer instante, na equação anterior teremos: Por sua vez, a corrente máxima é conseguida no instante t = 0 s, quando o capacitor está em curto, como vimos anteriormente. Substituindo temos: Em t = 0 s a corrente assume o seu valor máximo, ou seja, IC = 1 mA Em t = 10 ms (uma constante de tempo), o valor da corrente já caiu 63,21%, ou seja, IC = 367,9 µA Em t = 50 ms (cinco constantes de tempo), o valor da corrente já caiu 99,32%, ou seja, IC = 6,8 µA Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 47 C t VeVccVcc t C eVccVccV t C eVccV 1 Simplificando: O que queremos descobrir, não se esqueça, é a equação da tensão no capacitor. Vamos isolar VC. Então: Colocando VCC em evidência, teremos, finalmente, a equação do capacitor: Utilizando a equação da tensão do capacitor é possível plotar um gráfico da tensão ao longo do tempo, o que é mostrado na figura a seguir. Para isso vamos considerar que o circuito é formado pelos mesmos valores usados anteriormente. A constante de tempo, é claro, será a mesma. Teremos, então, o seguinte gráfico: Espero que já tenham notado que existe uma relação direta entre a constante de tempo RC e o valor da tensão e da corrente do capacitor durante a carga. Assim, quanto mais tempo o capacitor fica conectado a fonte, mais a sua tensão tende ao valor da fonte e a sua corrente tende a zero. A relação com a constante de tempo é mostrada a seguir: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 % 63,21 86,46 95,02 98,16 99,32 99,75 99,90 99,96 99,98 99,99 Em t = 0 s o capacitor ainda está descarregado, ou seja, VC = 0 V Em t = 10 ms (uma constante de tempo), o valor da tensão já subiu 63,21%, ou seja, VC = 6,321 V Em t = 50 ms (cinco constantes de tempo), o valor da tensão já subiu 99,32%, ou seja, VC = 9,932 V Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 48 R C S t MÁXC eItI t MÁX eVctVc Em termos práticos, após 5 constantes de tempo, já consideramos um capacitor carregado, ou seja, sua tensão é a tensão da fonte e sua corrente é zero. DESCARGA DO CAPACITOR O processo é exatamente o inverso. Imaginemos um capacitor completamente carregado ao qual ligamos seus terminais através de um resistor ligado em série, como vemos no circuito a seguir: No exato instante em que fecharmos a chave S dispararemos um cronômetro que medirá o tempo decorrido. Assim, o momento em que fechamos a chave é t = 0 s. Como o capacitor está completamente carregado (neste exemplo, vamos supor que o capacitor estivesse carregando com uma tensão de 10 V), ao fechar a chave os elétrons acumulados em suas placas passam através do resistor, indo da região com excesso para a região com falta de elétrons (sentido eletrônico da corrente), gerando uma corrente elétrica. Devido a esta característica, no instante t = 0 s podemos considerar a maior corrente circulante pelo circuito. Com o passar do tempo, mais e mais elétrons já terão se recombinados nos pólos do capacitor, fazendo com que a quantidade de cargas a circular pelo circuito diminua, até chegar a zero. Poderíamos novamente deduzir as equações, porém este não é o objetivo. Basta saber que as equações de tensão e corrente do capacitor durante a descarga. Vamos ficar somente com a análise gráfica da tensão e da corrente na descarga do capacitor, mostradas a seguir. Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 49 A corrente se comporta exatamente igual a carga ou seja: Já a tensão durante a descarga muda quando comparada com a carga. Veja como fica: Em t = 0 s a corrente assume o seu valor máximo, ou seja, IC = 1 mA Em t = 10 ms (uma constante de tempo), o valor da corrente já caiu 63,21%, ou seja, IC = 367,9 µA Em t = 50 ms (cinco constantes de tempo), o valor da corrente já caiu 99,32%, ou seja, IC = 6,8 µA Em t = 0 s a tensão tem seu valor máximo, ou seja, VC = 10 V Em t = 10 ms (uma constante de tempo), o valor da tensão já caiu 63,21%, ou seja, VC = 3,679 V Em t = 50 ms (cinco constantes de tempo), o valor da tensão já caiu 99,32%, ou seja, VC = 68 mV Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 50 EXERCÍCIOS: 1 – Para a tabela a seguir calcule o valor da constante de tempo RC e quanto tempo o sistema irá demorar para atingir 95% da tensão da fonte (3 95%): ITEM Capacitor Resistor Constante RC (): 3 A 22 µF 1 KΩ B 370 nF 3,7 KΩ C 2200 KpF 2,2 KΩ D 580 µF 100 Ω E 2 µF 1 MΩ F 470 nF 10 KΩ G 1 µF 4,3 KΩ H 380 pF 1,5 MΩ 2 – Para a tabela a seguir calcule o valor dos resistores (R) que fazem com que os capacitores estejam completamente carregados em 1 s (5): ITEM Capacitor Resistor Constante RC (): A 22 µF B 370 nF C 2200 KpF D 580 µF E 2 µF F 470 nF G 1 µF H 380 pF 3 – Para a tabela a seguir calcule o valor dos capacitores (C) que associados aos resistores fornecidos estarão completamente carregados em 1 s (5): ITEM Resistor Capacitor Constante RC (): A 1 KΩ B 3,7 KΩ C 2,2 KΩ D 100 Ω E 1 MΩ F 10 KΩ G 4,3 KΩ H 1,5 MΩ Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 51 PARTE PRÁTICA OBJETIVO Verificar o comportamento de carga e descarga de capacitores, calculando, montando medindo e comparando os valores das constantes de tempo RC. MATERIAL NECESSÁRIO COMPONENTES: 3 resistores de ½ w com qualquer valor entre 10 kΩ e 100 kΩ. Anote os valores escolhidos na tabela abaixo: R1 R2 R3 2 capacitores eletrolíticos (polarizados) com qualquer valor entre 1000 µF e 5800 µF. Anote os valores escolhidos na tabela abaixo. C1 C2 EQUIPAMENTOS: 1 proto board; 1 fonte de corrente contínua de 0 a 12 V 1 multímetro digital; DIVERSOS: Pedaços de fio wire up para montagem no proto board; Relógio com cronômetro para marcação do tempo decorrido. PROCEDIMENTO 24) Combinando os 2 resistores e os 3 capacitores escolhidos, calcule todas as possíveis constantes de tempo RC, anotando os resultados na tabela abaixo. Item Equação Resistor Capacitor Constante RC A A = R1 * C1 B B = R2 * C1 C C = R3 * C1 D D = R1 * C2 E E = R2 * C2 F F = R3 * C2 25) Certifique-se que os capacitores fornecidos estão totalmente descarregados antes de inicial a experiência. Caso não estejam, descarregue-os primeiro. 26) Utilizando o proto board monte o circuito a seguir, com os capacitores descarregadose ajustando a tensão da fonte para 10 V. Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 52 Vcc R C S 27) Para cada item da tabela anterior, deixe o circuito ligado por 1 constante de tempo e desligue- o. Retire com cuidado o capacitor do circuito e meça o valor de sua tensão, anotando este valor na tabela a seguir: Item Tensão no capacitor Constante RC A B C D E F 28) Sabendo que em 1 constante de tempo a tensão no capacitor deve atingir 63,21 % da tensão da fonte, e já que a fonte foi ajustada para 10V, a tensão atingida deve ser de: 63,21 % de 10V = 6,321 V 29) Compare os valores medidos nos conjuntos de capacitores e resistores com os valores calculados? O que se pode concluir? RELATÓRIO Faça um relatório da experiência contendo: Os cálculos dos circuitos projetados, com os valores obtidos; Os valores medidos nos circuitos que foram montados; As conclusões das comparações. OBSERVAÇÃO: antes de ligar o circuito prepare o cronômetro de seu relógio, pois você fará medições de tempo. Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 53 Vac S C CAC VV 2 efP VV senVV PAC senVV efAC 2 7 – CAPACITORES EM AC CARGA E DESCARGA DO CAPACITOR Vamos utilizar um indutor inicialmente desenergizado e conectá-lo a uma fonte de tensão alternada como é visto na figura a seguir: Para entendermos o que acontece com o capacitor, precisamos recordar as características de uma tensão alternada (VAC): EM GRÁFICO: EM EQUAÇÕES: Onde os parâmetros utilizados são: VP = valor de pico da senóide; = posição angular da senóide. A partir do momento em que fecharmos a chave S (no instante t = 0 s e na posição angular = 0º), a tensão VAC estará sobre o capacitor. Assim, podemos dizer que: 0º 90º 180º 270º 360º VAC +VPICO -VPICO Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 54 EM VETORES: Já que temos as características da tensão sobre o capacitor, podemos analisar o comportamento da corrente. Como acontece em corrente contínua, quando a chave for ligada (t = 0 s) as placas da armadura do capacitor estão completamente descarregadas. Logo, este pode absorver toda a corrente que a fonte fornecer. Neste instante, a corrente que passa pelo capacitor é máxima. Com o passar do tempo as placas irão se carregando. A quantidade de elétrons na placa se acumula e a tensão do capacitor começa a subir. A quantidade de elétrons que entra no capacitor começa a diminuir, ou seja, a corrente diminui. Este processo irá acontecer até que a tensão da fonte assuma seu valor de pico (em = 90º). Neste ponto VC tem seu valor máximo, que é o valor de pico de VCA. Neste momento, a corrente no capacitor é zero (IC = 0 A). O processo continua com a diminuição do valor de VCA e com a inversão da corrente do capacitor. Vejamos quais são as características da corrente IC: EM GRÁFICO: VEF 0º 0º 90º 180º 270º 360º IC +IPICO -IPICO Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 55 Cf X C 2 1 C AC P X V I PICO cos2cos CefCPC IIII cos2 2 1 cos2 Cf V I X V I ACC C AC C cos22 CfVI ACC 90cos sen 90cos sen 9022 senCfVI ACC C AC ef X V I PICO 2 EM EQUAÇÕES: Todo capacitor, quando ligado em AC apresenta uma “resistência” a passagem da corrente elétrica. Esta “resistência” é conhecida como reatância capacitiva (XC). No instante t = 0 s é a reatância capacitiva que faz com que o capacitor não seja uma curto circuito (como acontece em DC). Esta pode ser calculada pela expressão: Claro que a corrente máxima acontece quando é válida a Lei de Ohm: A corrente do capacitor em qualquer posição angular é dada por: Fazendo as devidas substituições temos: Da trigonometria podemos tirar as seguintes relações: Aplicando-as: O argumento + 90º indica que ao ângulo foi somado mais + 90º ou seja, esta onda (que é a corrente no capacitor – IC) está 90º adiantada em relação a onda (que é a tensão no capacitor – VC). Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 56 EM VETORES: COMPARAÇÃO VETORIAL DE SENÓIDES NO CAPACITOR Façamos, então a comparação entre o que temos de corrente no capacitor e o que temos de tensão, quando este é ligado em uma fonte AC. EM GRÁFICO: EM VETORES: Dependendo do ponto de vista (quem é a referência) podemos ter duas representações vetoriais para os gráfico acima. Veja como: IEF 0º 0º 90º 180º 270º 360º VC / IC +VPICO -VPICO +IPICO -IPICO Tomando a TENSÃO como referência, dizemos que a CORRENTE está adiantada em relação a TENSÃO. 0º 0º 90º 270º 90º IEF VEF Tomando a CORRENTE como referência, dizemos que a TENSÃO está atrasada em relação a CORRENTE. IEF VEF Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 57 Vac S C EXERCÍCIOS: 1 – Dado o circuito a seguir, faça o cálculo dos itens pedidos: Item VAC Capacitor VC IC XC A 127 V – 60 Hz 2 µF B 220 V – 50 Hz 560 nF C 50 V – 100 Hz 3 KpF D 12 V – 75 Hz 3 pF 2 – Para cada um dos itens do exercício 1, tomando a corrente como referência, faça os gráficos de VC X IC: 3 – Para cada um dos itens do exercício 1, tomando a tensão como referência, faça os gráficos de VC X IC: 4 – Determine quem está adiantado e quem está atrasado para cada gráfico dos exercícios 2 e 3: PARTE PRÁTICA OBJETIVO Verificar através de montagem de circuitos o comportamento de capacitores em corrente alternada. MATERIAL NECESSÁRIO COMPONENTES: 1 transformador com primário 110 V / 220 V e secundário de 6 V + 6 V. 3 capacitores de poliéster (despolarizados) com qualquer valor entre 500 nF e 50 µF. Anote os valores escolhidos na tabela abaixo. C1 C2 C3 EQUIPAMENTOS: 1 proto board; 1 fonte de corrente contínua de 0 a 12 V 1 multímetro digital; DIVERSOS: Pedaços de fio wire up para montagem no proto board; Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 58 PROCEDIMENTO 30) Dado o circuito mostrado a seguir, considere que os três capacitores selecionados serão utilizados. Considere também que a freqüência da rede é de 60 Hz e que a tensão no secundário é de 6 V. Calcule o que se pede na tabela: Capacitor Tensão (VC) Corrente (IC) Reatância (XC) C1 C2 C3 31) Utilizando o material fornecido, monte no proto board o circuito projetado. Meça os valores pedidos na tabela a seguir. Capacitor Tensão (VC) Corrente (IC) C1 C2 C3 32) Com os valores medidos, recalcule o valor da reatância capacitiva e do valor do capacitor. Anote os valores na tabela a seguir. Capacitor Reatância (XC) Valor nominal C1 C2 C3 33) Compare os valores medidos com os valores calculados. O que se pode concluir? 34) Considere agora o novo circuito, onde a freqüência da rede é de 60 Hz e que a tensão no secundário é de 12 V. Calcule o que se pede na tabela: Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 59 Capacitor Tensão (VC) Corrente (IC) Reatância (XC) C1 C2 C3 35) Utilizando o material fornecido, monte no proto board o circuito projetado.Meça os valores pedidos na tabela a seguir. Capacitor Tensão (VC) Corrente (IC) C1 C2 C3 36) Com os valores medidos, recalcule o valor da reatância capacitiva e do valor do capacitor. Anote os valores na tabela a seguir. Capacitor Reatância (XC) Valor nominal Valor medido C1 C2 C3 37) Compare os valores medidos com os valores calculados. O que se pode concluir? RELATÓRIO Faça um relatório da experiência contendo: Os cálculos dos circuitos projetados, com os valores obtidos; Os valores medidos nos circuitos que foram montados; As conclusões das comparações. Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 60 0LI Vcc R L S Vcc R S 8 – INDUTORES EM DC ENERGIZANDO UM INDUTOR Vamos utilizar um indutor inicialmente desenergizado (campo magnético no indutor igual a zero) e colocá-lo no circuito a seguir: No exato instante em que fecharmos a chave S, dispararemos um cronômetro que medirá o tempo decorrido. Assim, o momento em que fechamos a chave é t = 0 s. Como o indutor está completamente desenergizado, ao fechar a chave toda a corrente que é fornecida pela fonte tende a passar pelo indutor, que nada mais é do que um fio enrolado. Só que, ao começar a circular, aparece no indutor uma Força Contra EletroMotriz (FCEM), que é uma oposição a variação de campo magnético. Este campo impede que a corrente circule. Devido a esta característica, no instante t = 0 s podemos considerar o indutor como um circuito aberto, ou seja: Como o indutor passou a ser um circuito aberto, não circula corrente, ou seja, em t = 0 s : O indutor cria uma FCEM e o efeito é o mesmo de um circuito aberto. t = 0 s – Instante em que a chave S é fechada e corrente tenta começar a circular. Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 61 t MÁXt eII 1 tI MÁX I e t Vcc R S R Vcc I MÁX Com o passar do tempo, a força contra eletro motriz (FCEM) do indutor começa a diminuir pois a variação da corrente elétrica começa a diminuir, o que começa a permitir uma pequena passagem de corrente. Este aumento da corrente é gradativo até que o a FCEM caia a zero, não havendo mais oposição a passagem da corrente. Neste instante, a corrente será máxima e o indutor poderá ser considerado como um curto-circuito, pois sua resistência é muito pequena quando compara da com a resistência do resistor a ele associado. O circuito e o cálculo da corrente máxima são mestrados a seguir: Este comportamento pode ser descrito matematicamente pela seguinte equação: Vamos detalhar esta equação: É a corrente que passa pelo indutor em qualquer instante de tempo t. Assim, para saber a corrente no indutor quando o cronômetro marcar 2 s, basta substituir 2 s em tudo o que tiver t e realizar o cálculo para saber o valor Valor máximo de corrente que pode passar pelo indutor. Isto ocorre, em termos praticos, após 5, e pode ser calculado pela expressão anterior. Logaritmo neperiano, ou seja, um logaritmo na base 2,71828... Instante de tempo em que se deseja conhecer a corrente que passa pelo indutor, como explicado em I(t). Constante de tempo RL do circuito (veremos a diante o que é isso). Utiliza a letra do alfabeto grego (lê-se tal). Depois de um tempo, o indutor pode ser considerado um curto-circuito. Depois de um certo tempo, a corrente que circula pelo circuito será máxima, pois o indutor vira um curto-circuito. Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 62 R L 3 0 1010 1010 H R L ms1 31010 10V I R Vcc I MÁXMÁX mAIMÁX 1 Mas o que é uma constante de tempo? Com um indutor ligado a um resistor a constante de tempo é dada por: Utilizando a equação da corrente do indutor é possível plotar um gráfico da corrente ao longo do tempo, o que é mostrado na figura a seguir. Para isso vamos considerar que o circuito é formado com um resistor de 10 KΩ, um indutor de 1 H e uma fonte de 10 V. Teremos uma constante de tempo de: A corrente máxima será de: Teremos, então, o seguinte gráfico: A partir da equação da corrente do capacitor e utilizando a 2ª Lei de Kirchhoff (Lei da Malhas), podemos escrever a equação da tensão no indutor. Acompanhe o raciocínio a seguir. Da lei das malhas, para o circuito anterior, tiramos a seguinte expressão: Em segundos (s) Em ohms (Ω) Em henrys (H) Em t = 0 s o indutor é considerado circuito aberto, ou seja, IL = 0 A Em t = 1 ms (uma constante de tempo), o valor da corrente já atingiu 63,21% do valor da corrente total, ou seja, IL = 632,1 µA Em t = 5 ms (cinco constantes de tempo), o valor da corrente já atingiu 99,32% do valor da corrente total, ou seja, IL = 993,2 µA Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 63 LR VVVcc )(tR IRV Lt VIRVcc )( L t MÁX VeIRVcc 1 L t Ve R Vcc RVcc 1 L t VeVccVccVcc t L eVccV A tensão no resistor, em qualquer instante de tempo, será dada pela aplicação da Lei de Ohm, ou seja: Substituindo na equação anterior: A corrente em qualquer instante, para o indutor, é a mesma corrente para o resistor, uma vez que eles estão ligados em série. Assim, a equação mostrada anteriormente pode ser substituída na equação da malha que estamos construindo. Logo: Por sua vez, a corrente máxima é conseguida no instante t = 5, quando o indutor jaá pode ser considerado um curto, como vimos anteriormente. Substituindo temos: Simplificando: O que queremos descobrir, não se esqueça, é a equação da tensão no indutor. Vamos isolar VL. Então: Utilizando a equação da tensão do indutor é possível plotar um gráfico da tensão ao longo do tempo, o que é mostrado na figura a seguir. Para isso vamos considerar que o circuito é formado pelos mesmos valores usados anteriormente. A constante de tempo, é claro, será a mesma. Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 64 Veja como fica: Espero que já tenham notado que existe uma relação direta entre a constante de tempo RL e o valor da tensão e da corrente do indutor durante sua energização, como acontecia na carga do capacitor. Assim, quanto mais tempo o indutor fica conectado a fonte, mais a sua tensão tende a zero e a sua corrente tende ao valor máximo. A relação com a constante de tempo é mostrada a seguir: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 % 63,21 86,46 95,02 98,16 99,32 99,75 99,90 99,96 99,98 99,99 Em termos práticos, após 5 constantes de tempo, já consideramos um indutor energizado, ou seja, sua tensão é zero e sua corrente é máxima. Em t = 0 s a tensão tem seu valor máximo, ou seja, VL = VCC = 10 V Em t = 1 ms (uma constante de tempo), o valor da tensão já caiu 63,21%, ou seja, VL = 3,679 V Em t = 5 ms (cinco constantes de tempo), o valor da tensão já caiu 99,32%, ou seja, VL = 68 mV Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 65 R S L t MÁXL eItI t LL eVtV MÁX DESENERGIZANDO UM INDUTOR O processo é exatamente o inverso. Imaginemos um indutor completamente energizado ao qual ligamos seus terminais através de um resistor ligado em série, como vemos no circuito a seguir: No exato instante em que fecharmos a chave S, dispararemos um cronômetro que medirá o tempo decorrido. Assim,o momento em que fechamos a chave é t = 0 s. Como o indutor está completamente energizado, ao fechar a chave a energia acumulada se dissipará através do resistor, gerando uma corrente elétrica. Devido a esta característica, no instante t = 0 s podemos considerar a maior corrente circulante pelo circuito. Com o passar do tempo, a energia acumulada no indutor, fazendo com que a corrente a circular pelo circuito diminua, até chegar a zero. Poderíamos novamente deduzir as equações, porém este não é o objetivo. Basta saber que as equações de tensão e corrente do indutor durante a desenergização. Vamos ficar somente com a análise gráfica da tensão e da corrente, mostradas a seguir. Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 66 A corrente se comporta assim: Já a tensão fica assim: Em t = 0 s a corrente assume o seu valor máximo, ou seja, IL = 1 mA Em t = 1 ms (uma constante de tempo), o valor da corrente já caiu 63,21%, ou seja, IL = 367,9 µA Em t = 5 ms (cinco constantes de tempo), o valor da corrente já caiu 99,32%, ou seja, IL = 6,8 µA Em t = 0 s a tensão tem seu valor máximo, ou seja, VL = VCC =10 V Em t = 1 ms (uma constante de tempo), o valor da tensão já caiu 63,21%, ou seja, VL = 3,679 V Em t = 5 ms (cinco constantes de tempo), o valor da tensão já caiu 99,32%, ou seja, VL = 68 mV Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 67 EXERCÍCIOS: 1 – Para a tabela a seguir calcule o valor da constante de tempo RL e quanto tempo o sistema irá demorar para atingir 95% da corrente total fornecida pela da fonte (3 95%): ITEM Indutor Resistor Constante RL (): 3 A 22 µH 1 KΩ B 370 H 3,7 KΩ C 2200 mH 2,2 KΩ D 580 mH 100 Ω E 2 H 1 MΩ F 470 µH 10 KΩ G 1 µH 4,3 KΩ H 380 mH 1,5 MΩ 2 – Para a tabela a seguir calcule o valor dos resistores (R) que fazem com que a corrente da fonte seja máxima 1 s (5): ITEM Indutor Resistor Constante RL (): A 22 µH B 370 H C 2200 mH D 580 mH E 2 H F 470 µH G 1 µH H 380 mH 2 – Para a tabela a seguir calcule o valor dos indutores (L) que associados aos resistores fornecidos terão a máxima corrente de fonte em 1 s (5): ITEM Resistor Indutor Constante RL (): A 1 KΩ B 3,7 KΩ C 2,2 KΩ D 100 Ω E 1 MΩ F 10 KΩ G 4,3 KΩ H 1,5 MΩ Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 68 Vcc R L S PARTE PRÁTICA OBJETIVO Verificar o comportamento de energização e desenergização de um indutor, calculando, montando medindo e comparando os valores das constantes de tempo RL. MATERIAL NECESSÁRIO COMPONENTES: 3 resistores de ½ w com qualquer valor entre 10 kΩ e 100 kΩ. Anote os valores escolhidos na tabela abaixo: R1 R2 R3 1 indutor de 1 H. EQUIPAMENTOS: 1 proto board; 1 fonte de corrente contínua de 0 a 12 V 1 multímetro digital; DIVERSOS: Pedaços de fio wire up para montagem no proto board; Relógio com cronômetro para marcação do tempo decorrido. PROCEDIMENTO 38) Calcule a constante de tempo RL do circuito a seguir, anotando o resultado na tabela abaixo. Equação Resistor Indutor Constante RL 1 = R1 / C1 39) Utilizando o proto board monte o circuito a seguir, ajustando a tensão da fonte para 10 V OBSERVAÇÃO: antes de ligar o circuito prepare o cronômetro de seu relógio, pois você fará medições de tempo. Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 69 40) Deixe o circuito ligado por 1 constante de tempo e meça o valor de sua corrente, anotando este valor na tabela a seguir: Tensão no indutor Constante RL 41) Sabendo que em 1 constante de tempo a corrente no indutor deve atingir 63,21 % da corrente máxima fornecida pela fonte, calcule o valor da corrente máxima e qual será o valor de 63,21 % desta corrente, anotando estes valores na tabela a seguir: Corrente máxima 63,21 % 42) Compare os valores medidos com os valores calculados? O que se pode concluir? RELATÓRIO Faça um relatório da experiência contendo: Os cálculos dos circuitos projetados, com os valores obtidos; Os valores medidos nos circuitos que foram montados; As conclusões das comparações. Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 70 LAC VV 2 efP VV senVV PAC Vac S L 9 – INDUTORES EM AC CARGA E DESCARGA DO INDUTOR Vamos utilizar um indutor inicialmente desenergizado e conectá-lo a uma fonte de tensão alternada como é visto na figura a seguir: Para entendermos o que acontece com o indutor, precisamos recordar que as características de uma tensão alternada (VAC), que são: EM GRÁFICO: EM EQUAÇÕES: Onde os parâmetros utilizados são: VP = valor de pico da senóide; = posição angular da senóide. Ao fecharmos a chave S, a tensão VAC estará sobre o indutor. Assim, podemos dizer que: 0º 90º 180º 270º 360º VAC +VPICO -VPICO Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 71 EM VETORES: Já que temos as características da tensão sobre o indutor, podemos analisar o comportamento da corrente. Similarmente como acontece em corrente contínua, quando a chave for ligada (t = 0 s) aparecerá uma força contra eletro motriz (FCEM), o que força a corrente a ter um valor máximo negativo. Com o passar do tempo a FCEM diminui e por conseqüência, a corrente também diminui. Este processo irá acontecer até que a tensão da fonte assuma seu valor de pico (em = 90º). Neste ponto VL tem seu valor máximo, que é o valor de pico de VCA. Mas neste ponto a corrente no indutor será zero (IL = 0 A). O processo continua com a diminuição do valor de VCA e com a inversão da corrente do indutor, agora para valores positivos. Vejamos quais são as características da corrente IL: EM GRÁFICO: VEF 0º 0º 90º 180º 270º 360º IL +IPICO -IPICO Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 72 LfX L 2 L AC P X V I PICO cos2cos CefLPL IIII cos 2 cos Lf V I X V I PICOPICO ACL L AC L 90cos sen 90cos sen 90 2 sen Lf V I PICOACL EM EQUAÇÕES: Todo indutor, quando ligado em AC apresenta uma “resistência” a passagem da corrente elétrica. Esta “resistência” é conhecida como reatância indutiva (XL). No instante t = 0 s o que faz com que o indutor não seja uma curto circuito (como acontece em DC depois de 5) é a reatância indutiva. Esta pode ser calculada pela expressão: Claro que a corrente máxima acontece quando é válida a Lei de Ohm: A corrente do indutor em qualquer posição angular é dada por: Fazendo as devidas substituições temos: Da trigonometria podemos tirar as seguintes relações: Aplicando-as: O argumento - 90º.indica que ao ângulo foi subtraído mais - 90º ou seja, esta onda (que é a corrente no indutor – IL) está 90º atrasada em relação a onda (que é a tensão no indutor – VC). Professor Alessandro Cunha Caderno Digital – Análise de Circuitos Elétricos – ACE 20 - 73 EM VETORES: COMPARAÇÃO VETORIAL DE SENÓIDES NO CAPACITOR Façamos, então a comparação entre o que temos de corrente no indutor e o que temos de tensão, quando este é ligado em uma fonte AC. EM GRÁFICO: IEF 0º 0º 90º 180º
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