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1 Eletrotécnica Geral ANÁLISE DE CIRCUITOS EM CORRENTE CONTÍNUA 2 Corrente Elétrica • Representada pela taxa de movimento de cargas elétricas em uma superfície (dq/dt); – Uma carga elétrica é formada quando um átomo perde ou ganha um elétron na sua camada de valência; – Sua unidade é o Ampère (A) (André-Marie Ampère – físico francês), ou seja, 1 C/s (coulomb/segundo); – A carga do elétron e do próton têm o mesmo valor: 1,6 x 10-19 C. Corrente Elétrica – Adota-se a corrente elétrica (I ou i) como sendo o movimento de cargas positivas sabendo-se que em um condutor o fluxo de cargas é negativo (de elétrons); • O fluxo de elétrons pode ser contínuo ou alternado: – O fluxo contínuo é o que se movimenta somente em um sentido; – O fluxo alternado é o que ora se movimenta em um sentido ora em sentido contrário. 3 Tensão Elétrica • Ao aproximarmos dois corpos eletrizados com cargas elétricas de mesmo sinal, eles repelem-se e, quando eletrizados com cargas elétricas de sinais opostos, eles atraem-se. • A energia para efetuar este trabalho é denominada energia potencial elétrica. • Quanto maior a eletrização do corpo, maior a força de atração ou repulsão. 4 Tensão Elétrica • O trabalho realizado para se deslocar uma carga de um ponto a outro por unidade de carga é chamado de potencial elétrico. • A unidade da tensão elétrica é o Volt, representado pela letra V, e simbolizado pelas letras V ou E. 5 Tensão Elétrica • Modos de geração de tensão elétrica – Por atrito (ex. lã com âmbar); – Por calor (ex. termopar); – Por pressão (ex. microfones, captadores); – Por luz (ex. fotocélula); – Por eletrólise (ex. pilhas e baterias); – Por magnetismo (ex. geradores); 6 Força Eletromotriz (f.e.m.) • Consiste na energia convertida em energia elétrica por unidade de carga; • A f.e.m. nos terminais do gerador constitui a tensão ou d.d.p. necessária à circulação de corrente. A potência fornecida pelo gerador é: 7 Potência Elétrica • A circulação de corrente elétrica em um condutor provoca o seu aquecimento, pela sua “resistência” à passagem da corrente elétrica. • A potência dissipada por efeito Joule é dada por P=R.I2 para I constante; 8 Resistência Elétrica • Depende das características geométricas do condutor, bem como do material que o constitui: 9 2ª lei de Ohm Resistência Elétrica • A resistência elétrica de um condutor é variável com sua temperatura. • O mesmo acontece para a resistividade elétrica do material. 10 Resistência Elétrica • A resistividade de um material em função da temperatura é dada por: ρT = ρ0 (1+ α0T) . • Ex.: – Para o cobre: ρ20C = 0,0174 Ω mm 2 / m e α20C = 0,00393 C -1 – Para o alumínio: ρ20C = 0,0283 Ω mm 2 / m e α20C = 0 0,00403 C -1 11 Condutância • Pode-se definir, ainda, a condutância, G, e a condutividade do material, σ, como sendo o inverso da resistência e da resistividade, respectivamente. 12 Lei de Ohm* • A partir de suas medidas experimentais, chegou a conclusão de que os materiais condutores sujeitos a uma diferença de potencial apresentam uma resistência de valor constante à passagem da corrente elétrica. 13 * Físico alemão: Georg Simon Ohm http://www.infoescola.com/wp-content/uploads/2010/01/lei-de-ohm1.jpg Lei de Ohm • A energia transformada em calor pela passagem de uma corrente num condutor é dada por: W = R.I2.t = R.I.q; • A energia necessária para movimentar uma carga entre dois pontos é dada por: W = V.q; • Assim: R.I.q = V.q, ou seja V = R.I 14 1ª lei de Ohm Resistor • Elemento de circuito que possui resistência fixa dentro de limites operacionais. 15 Lei de Ohm • Mesmo mantendo-se fatores físicos constantes, nem todos os materiais seguem a lei de Ohm, são os materiais ditos não ôhmicos. • Ex.: NTC, PTC, Varistor, semicindutores em geral. 16 Lei de Ohm 17 Exercício 1) Para um resistor com R=1 kΩ, com potência máxima de ¼ de Watt, qual a máxima tensão que se pode aplicar nos terminais do mesmo sem causar danos à sua estrutura física? 2) Para circuitos série e paralelo com dois resistores R1=330 Ω e R2 = 750 Ω, e uma tensão de 10 V, qual resistor ira dissipar maior potência nos dois casos? 18 Exercício (cont.) 3) Se os resistores da questão anterior possuem tolerâncias de ±5% e ±10%, respectivamente, quais as tensões máximas e mínimas podem surgir nos terminais de cada resistor? 4) Para o gráfico seguinte pede-se: Qual corresponde à associação em série e em paralelo. Obtenha os valores de R1 e de R2. 19 Exercício (cont.) 20 21 Condutores • Os metais são bons condutores de eletricidade: – Apresentam elétrons livres que são os que se encontram mais afastados do núcleo e libertam-se facilmente das últimas camadas do átomo, movimentando-se livremente pelo material e facilitando o movimento de cargas elétricas. Isolantes • Isolantes de eletricidade ou dielétricos são os materiais que apresentam os elétrons fortemente ligados ao núcleo do átomo, dificultando o movimento de cargas elétricas. • Como exemplos, temos a borracha, o vidro e a mica. 22 23 Semicondutores • Átomos de materiais com 4 elétrons (germânio, silício) em sua camada mais externa permitem o estabelecimento de ligações muito estáveis, por meio do compartilhamento dos elétrons externos pelos átomos vizinhos (ligação covalente). 24 Semicondutores dopados • Quando se faz a adição de materiais com 3 ou 5 elétrons em sua camada de valência à estrutura de um semicondutor, os átomos vizinhos terão suas ligações covalentes incompletas ou com excesso de elétrons. • Respectivamente produz-se os materiais semicondutores tipo P ou tipo N. 25 Propriedades físicas • Maior área maior capacidade de condução de corrente; • Maior comprimento maior capacidade de suportar tensões; Bipolos • Bipolo elétrico é qualquer dispositivo elétrico com dois terminais acessíveis, mediante os quais pode ser feita a sua ligação a um circuito. • O comportamento elétrico de um bipolo pode ser obtido a partir de sua característica externa, ou curva característica, que é representada pela função V = f ( I ). 26 Classificação dos bipolos • Lineares e não lineares, conforme sua curva característica, seja uma reta ou não, respectivamente. • Passivos e ativos, conforme sua curva característica cruze a origem ou corte o eixo dos coordenadas cartesianas em dois pontos. 27 Exemplos de bipolos 28 Convenções para bipolos • Para a representação de correntes e tensões em bipolos utiliza-se: – Convenção do receptor: a corrente positiva entra no terminal positivo do bipolo; usualmente utilizada para bipolos passivos. – Convenção do gerador: a corrente positiva sai pelo terminal positivo; usualmente utilizada para bipolos ativos. 29 Exemplo bipolo • Determinar a tensão nos terminais do bipolo ativo. 30 Exemplo bipolo (cont.) • Resolução analítica: – Para o bipolo ativo: V = E – r.I – Para o bipolo passivo: V = R.I • Resolvendo para I e V: I = E / (R + r) = 6 / (0,18 + 0,02) = 30 A V = R.I = 0,18 x 30 = 5,4 V 31 Exemplo bipolo (cont.) • Resolução gráfica: 32 Ponto de operação Fonte de Corrente 33 Associação de bipolos • Bipolos associados em série são percorridos pela mesma corrente e sua tensão resultante é dada pela soma das tensões individuais. 34 Associação de bipolos • Na associação em paralelo de bipolos a tensão terminal dos bipolos é igual e a corrente total é dada pela soma das correntes individuais. 35 Associação de bipolos • Pode-se representar o bipolo equivalente de diversas fontes de corrente em termos de uma fonte de tensão: 36Exemplo associação de bipolos • Para o circuito com dois bipolos ativos e um passivo, sendo R1=0,02 Ω; R2=0,08 Ω, R3= 0,20 Ω, E1= 5 V e E2= 10 V. Pede-se: a) O bipolo equivalente da associação série- paralelo dos três bipolos; b) A corrente Ι e a tensão nos terminais V, do bipolo equivalente quando alimentar, entre seus terminais A e B, uma resistência R de 10Ω. 37 Circuito do Exemplo anterior 38 a) b) Representação de bipolos • Resistor: • Indutor: • Capacitor: 39 Bipolos não Lineares • A resolução analítica de redes que contam com bipolos não lineares geralmente é obtida através de processo iterativo, mas é bastante simplificada utilizando-se procedimentos gráficos. 40 Bipolos não Lineares • Resolução analítica: fixa-se um valor arbitrário I(0) da corrente impressa no bipolo passivo. A partir dessa corrente determina-se, através da curva V(1)=f(I(0)), a tensão em seus terminais. A partir dessa tensão calcula-se a corrente fornecida pelo bipolo ativo. 41 Bipolos não Lineares • Resolução analítica: Repete-se o procedimento até que diferença entre os valores das correntes em duas iterações sucessivas seja não maior que uma tolerância pré-estabelecida. • Resolução gráfica: como em regime permanente, as tensões nos terminais dos dois bipolos e suas correntes devem ser iguais, o ponto de operação será dado pela interseção das duas curvas. 42 Redes de bipolos • Uma rede de bipolos é um conjunto de bipolos ligados entre si. – Nó - um ponto qualquer da rede no qual se reúnem dois ou mais bipolos distintos; – Ramo (ou lado) - qualquer dos bipolos da rede cujos terminais estão ligados a dois nós distintos; – Malha - qualquer circuito fechado da rede. 43 Exemplo de Rede de Bipolos 44 A rede de bipolos da figura conta com 6 nós, 10 ramos e várias malhas (por exemplo: ramos 1-2-3, ramos 4-5-7-8, ramos 1-10-5-7-9, etc.). Leis de Kirchhoff • 1ª Lei: A soma algébrica das correntes aferentes a um nó qualquer de uma rede de bipolos é nula. 45 Leis de Kirchhoff • 2ª Lei: A soma algébrica das tensões medidas ordenadamente nos ramos de uma malha é nula 46 Resolução de Circuitos CC • Qualquer circuito elétrico CC composto por bipolos lineares, pode ser resolvido pelo emprego das leis de Ohm e de Kirchhoff, resultando em sistemas de 2r equações e 2r incógnitas. 47 Exemplo Circuito CC • A rede conta com 4 ramos e 3 nós e tem- se 8 incógnitas (V1, V2, V3, V4 e Ι1, Ι2, Ι3, Ι4). 48 Exemplo Circuito CC (cont.) • Aplicando-se a lei de Ohm aos quatro bipolos resultam as equações: • Aplicando-se a 1ª Lei de Kirchhoff, a dois nós, resultam as equações: 49 Exemplo Circuito CC (cont.) • Aplicação da 2ª Lei de Kirchhoff a (r - n +1 = 2) malhas: • Obtém-se, assim, um sistema de 8 equações a 8 incógnitas. 50 Exemplo Circuito CC (cont.) • Substituindo-se as equações da Lei de Ohm nas equações referentes à 2ª Lei de Kirchhoff, tem-se o seguinte sistema de equações equivalente: 51 Exemplo Circuito CC (cont.) • Pelas leis de Ohm: 52 Exercício • Determinar a potência consumida ou fornecida pelos bipolos do circuito abaixo: 53 Trazer na próxima aula • Montar as matrizes B, M e K 54 Correntes Fictícias de Maxwell • Este método é uma simplificação das leis de Kirchhoff. O procedimento utilizado no método é o de se fixar, para cada uma das m = r - n + 1 malhas independentes da rede, uma corrente fictícia para a qual adota-se um sentido de circulação. 55 Exemplo Método Maxwell • Adotam-se as correntes fictícias α e β para as malhas independentes I e II, respectivamente. 56 Exemplo Método Maxwell • Aplicando a 2ª Lei de Kirchhoff para as duas malhas, tem-se: • Substituindo-se os valores das correntes de ramos pelo das de malha, isto é: Ι1 = Ι2 = α, Ι3 = α - β e Ι4 = β, resulta: 57 Exemplo Método Maxwell • Resolvendo-se o sistema de equações obtém-se: α = 50,662 A e β = 0,9934 A. • Logo as correntes nos ramos são: Ι1= Ι2 = 50,662 A Ι3 = 49,668 A e Ι4 = 0,9934 A 58 Abordagem Matricial • No circuito abaixo aplicando-se a LTK e rearranjando em termos das excitações: 59 Vetor excitação Vetor variáveis Matriz de resistências Abordagem Matricial • Montagem direta das matrizes – Matriz : É dada pela soma algébrica das fontes de tensão. A tensão será positiva se a corrente sair pelo terminal positivo da mesma; – Matriz : • O elementos da diagonal principal Rii são obtidos pela soma das resistências da malha i. • Os demais elementos Rij têm o valor da resistência equivalente do ramo comum à malha i e j com sinal negativo (-). 60 Abordagem Matricial • Casos particulares: – Existência de fontes de corrente em paralelo com uma condutância (resistência) efetuar a conversão de fontes; – Correntes arbitradas em qualquer sentido seguem as regras anteriores considerando que, nos elementos fora da diagonal principal, da matriz terão sinais positivos se as correntes nestes resistores tiverem o mesmo sentido. 61 Abordagem Matricial • Casos particulares: – Fontes de corrente sem possibilidade de conversão considera-se que existe uma tensão a ser determinada nas extremidades da fonte. – Fontes controladas monta-se as equações diretamente. 62 Abordagem Matricial • Assim tem-se • Sendo Δ o determinante da matriz pode- se calcular as correntes incógnitas: • Onde Δ1, Δ2 e Δ3 são calculados a partir da substituição das colunas 1, 2 e 3 de por . 63 Abordagem Matricial • Exemplo: 64 Abordagem Matricial • Exemplo (cont.), assim, • I1 = 7760/775 10 A • I2 = 6 A • I3 = 2 A 65 Exercício • Usando o método das correntes fictícias de Maxwell e a abordagem matricial no circuito abaixo, determinar qual resistor dissipa maior potência. 66 R1 270 R2 820 R3 820 R4 470 R5 560 V1 9V 0 V2 3V Princípio da Superposição • A corrente (ou tensão) num dos ramos de uma rede de bipolo lineares é igual à soma das correntes (ou tensões) produzidas nesse ramo por cada um dos geradores, considerados separadamente, com os outros geradores inativos. 67 Princípio da Superposição • Gerador Inativo: – Tratando-se de gerador de tensão, sua f.e.m. é curto-circuitada, permanecendo no circuito, somente a resistência interna; – Tratando-se de gerador de corrente, o gerador ideal é aberto, permanecendo no circuito somente a condutância interna do mesmo. 68 Exemplo Superposição • Determinar, pelo método da superposição, a corrente no resistor R da rede da figura. 69 Exemplo Superposição • Deve-se determinar as correntes, I’ e I”, com o gerador 1 ativado e o gerador 2 desativado, e vice-versa. A corrente total pela resistência R é dada por: I = I’ + I”. 70 Exemplo Superposição • Cálculo de I’: transformando-se o gerador de corrente em gerador de tensão e, associando-se as resistências R e r2 em paralelo, calcula-se a corrente Ι1. 71 Exemplo Superposição • Cálculo de I’’: associando-se em paralelo R com r1 = 1/g1 = 1/0,5 = 2,0 Ω resulta resistência equivalente dada por • Assim, 72 Princípio da Linearidade • A linearidade é uma combinação da propriedade de homogeneidade (também conhecida como escalonamento ou proporcionalidade) e da propriedade aditiva. 73 Escalonamento ou Proporcionalidade • A homogeneidade expressa o fato de que se a entrada de um sistema (excitação) for multiplicada por uma constante, a saída (resposta) também será multiplicada pela mesma constante. R × (k × i) = k × (R × i) = k × v 74 Propriedade Aditiva • A propriedade de adição expressa o fato de que a resposta deum sistema constituído de várias entradas será a soma das respostas individuais consideradas separadamente. V1 = R1.I1 e V2 = R2.I2 v = R × i1 + i2 = R × i1 + R × i2 v = V1 + V2 75 Princípio da Linearidade • Um circuito será considerado linear se todos os seus componentes possuírem a propriedade de homogeneidade e a propriedade aditiva. • Circuitos com fontes independentes, fontes dependentes, capacitores lineares, indutores lineares e resistores lineares, são lineares. 76 Princípio da Linearidade • Deve-se observar que as propriedades de homogeneidade e aditiva não se aplicam à potência, mas apenas a correntes e tensões. • A potência deve ser calculada considerando-se a corrente e a tensão total. 77 Exercício • No exemplo anterior, qual a corrente I se as fontes tivessem seus valores duplicados? • No circuito abaixo calcular V e I sobre Rx: 78 I1 500mA V1 20V R1 100 Rx 200 R2 200 Divisor de Tensão • Seja o circuito resistivo série: • O valor da tensão V2 será, • A equação pode ser estendida para n resistores. 79 Divisor de Corrente • Seja o circuito da figura: • A equação é utilizada para associação em paralelo de dois resistores. 80 Equivalente de Thévenin • Consiste basicamente em substituir-se uma parte de uma rede de bipolos lineares por um gerador de tensão ideal em série com uma resistência. 81 Rede de bipolos lineares + bipolo Z. Circuito equivalente de Thévenin. Equivalente de Thévenin • A tensão entre os terminais A e B quando o bipolo Z foi removido corresponderá à tensão de vazio do circuito equivalente de Thévenin. • Ligando-se os terminais A e B em curto circuito determina-se a corrente de curto- circuito, I0, do circuito equivalente de Thévenin. 82 Equivalente de Thévenin • Para a determinação da resistência, ou da condutância, interna, pode-se também proceder da seguinte forma: – Desativam-se os geradores internos; – A rede resultante é composta, então, somente por bipolos passivos. A resistência desta rede, vista dos terminais A e B, é a resistência do gerador equivalente de Thévenin. 83 Equivalente de Thévenin • Determinação da tensão equivalente (a) e da corrente de curto-circuito (b): 84 a) b) Equivalente de Norton • A rede também pode ser substituída por um gerador de corrente, com corrente de curto ΙCC = Ι0 e condutância interna g = 1/r = Ι0 /V0. 85 Rede de bipolos lineares + bipolo Z. Circuito equivalente de Norton. Exemplo Thévenin/Norton • Para o circuito da figura determinar o equivalente de Thévenin visto dos pontos A e B. 86 Exemplo Thévenin/Norton • Para se obter o circuito equivalente, deve- se calcular a tensão em vazio e a resistência equivalente: 87 Exemplo Thévenin/Norton • A tensão V0 pode ser calculada transformando-se o gerador 1 em gerador de tensão (E1=100V e r1=2Ω). • Assim, a corrente Ι1 e a tensão Vo são dadas por: • A resistência de Thévenin é obtida pelo paralelo das resistências: 88 Exemplo Thévenin/Norton • Substituindo-se a parte da rede vista dos pontos A e B pelo gerador equivalente de Thévenin resulta o circuito: • O valor da corrente I é o mesmo valor obtido no exemplo anterior, onde foi aplicado o princípio da superposição de efeitos. 89 Exercício • No circuito abaixo, determinar a corrente I utilizando o equivalente de Thévenin. 90 Teorema de Millman • Contempla um método usado para reduzir fontes de tensão em paralelo a apenas uma. 91 Teorema de Millman • Em princípio é necessário se converter as fontes de tensão em série com resistências em fontes de corrente com condutâncias em paralelo. 92 Teorema de Millman • Assim, 93 Teorema de Millman • Exemplo: no circuito abaixo, determine a corrente pela resistência de 5 Ω pelo teorema de Millman e por Thévenin (Resp.: I = -0,533 A) 94 Máxima Transferência de Potência • Utilizado quando se deseja obter a máxima transferência de potência para uma carga resistiva RL. • Para tanto utiliza-se o equivalente de Thévenin para se determinar a corrente que passa pela carga RL. 95 Máxima Transferência de Potência • A potência transferida é dada por, • Para RL=0 ou RL=, potência fornecida à carga é nula. Assim, para se encontrar o ponto de máxima potência calculamos a derivada: dPL/dRL = 0 96 Máxima Transferência de Potência 97 Máxima Transferência de Potência • A potência transferida será máxima quando RL = RTh, ou seja, quando a potência transferida é máxima, a eficiência é de 50%; • Neste ponto, seu valor é de: 98 Exercício • Demonstrar a condição para que a máxima transferência de potência ocorra, bem como qual o seu valor, a partir de seu equivalente Thévenin. • Sabe-se que: [f(x)/g(x)]’ = [f’(x)g(x)-f(x)g’(x)]/ [g(x)]2 99 Fontes Controladas • Nas fontes controladas ou dependentes, a tensão/corrente depende ou é controlada por uma tensão ou uma corrente existente em outra parte do circuito. 100 Fontes Controladas • Exemplo de fonte de tensão controlada por tensão: • LTK: -6-V1+3V1+6.i = 0 • Lei de Ohm: V1 = -2.i -6 + 2.i + 3.(-2.i) + 6.i = 0 i = 3 A 101 Fontes Controladas • Exemplo de fonte de tensão controlada por tensão: • LCK: -4 + i1 – 2.i1 + v/2 = 0 • Lei de Ohm: i1 = v/6 -4 + v/6 – 2.v/6 + v/2 = 0 v= 12 V 102 Fontes Controladas • Para o circuito abaixo calcule i1 e i2: i1 = v1/4 = 12/4 = 3 A i2 = v2/6 = 3.{3.v1/[4+(3//6)]}/6 = 2 A 103 Fontes Controladas • Exercício: Calcular i para o circuito abaixo 104 50 0 −15𝑖 = 25 −5 −20 −5 10 −4 −20 −4 24 𝐼1 𝐼2 𝐼3 𝑖 = 𝐼1 − 𝐼3
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