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Circuitos de corrente alternada 1 Circuitos de Corrente Alternada (CA) Circuitos resistivos e capacitivos Introdução Neste capítulo, faremos a análise de circuitos de corrente alternada (abreviado por CA ou AC, em inglês), que são os circuitos constituídos por componentes alimentados por fontes de tensão ou corrente alternada. Em contraste com a corrente contínua CC, que tem amplitude constante, a corrente alternada CA tem amplitude dependente do tempo. Na maioria dos casos segue a forma de uma onda senoidal ou harmônica. Na sua origem, o sinal senoidal é produzido no gerador elétrico através da movimentação de uma bobina de cobre dentro de um campo magnético, causando a indução de uma tensão CA. A freqüência é de 60 ciclos/s (Hz), podendo existir também sistemas de geração em 50 Hz. À partir da tensão CA são obtidas os outros tipos de tensões/correntes elétricas que, doravante serão denotados por sinais. Tipos de Sinais Genericamente, além da tensão/corrente senoidal, mostrada no item (a) da Fig. 1, outras formas de sinais de tensão/corrente CA de aplicação em circuitos eletrônicos podem ser descritos como sinais variantes no tempo. (a) (b) (c) (d) Fig. 1 Tipos de sinais variantes no tempo: (a) senoidal ou harmônico, (b) degrau, (c) impulso e (d) rampa. Circuitos de corrente alternada 2 Sinal Senoidal O sinal senoidal, também conhecido por sinal harmônico, é freqüentemente encontrado em sinais de alimentação de energia, por causa das características do sistema de geração e transmissão de energia elétrica. Uma onda senoidal com amplitude e freqüência característicos são as informações que um sinal senoidal possui. A Fig. 2 apresenta um sinal de tensão senoidal, com amplitude Vp e período T. A relação entre o período T e a freqüência f é determinado pela expressão: T 1f = (1) Por questão de normalização, define-se a freqüência angular ω como: fpi=ω 2 (2) Vp -Vp 0 V tω0 pi 2 pi pi 2 3 pi2 T = período Fig. 2 Sinal senoidal Um sinal de tensão senoidal (conforme convenção da Fig. 2) pode ser descrito pela expressão: tsenVV p ω= (3) Uma outra quantidade que está relacionada com o tipo de sinal senoidal é o ângulo de fase, que corresponde à diferença na escala de tempo entre duas ondas senoidais de mesma freqüência, como mostra a Fig. 3. Se considerarmos o ângulo de fase φ na equação da tensão senoidal, resulta: )tsen(VV p φ+ω= (4) Circuitos de corrente alternada 3 V V1 V2 0 tω φ Fig. 3 Ângulo de fase φ entre dois sinais de tensão de mesma freqüência. Forma Complexa de Representação da Onda Senoidal Por questão de conveniência, a representação matemática da equação (4) pode ser ampliada para a forma complexa: )]tsen(j)t[cos(VeVV p)t(jp φ+ω+φ+ω== φ+ω (5) na qual 1−=j . Diagrama Fasorial A representação gráfica de sinais senoidais de mesma freqüência com diferença de fase é feita através do diagrama de Argand, utilizado para representar quantidades numéricas do conjunto dos números complexos. V| | φ φ- V| | Re {V} Im {V} 0 V| |sen φφ V| | sen- φφ φφcosV| | Fig. 4 Diagrama fasorial representando no plano complexo as componentes real (Re) e imaginária (Im) da tensão harmônica V. Circuitos de corrente alternada 4 Circuito Resistivo CA RVS i Fig. 5 Circuito resistivo Sendo a tensão de alimentação expressa como: tsenVV pS ω= ao aplicar a lei de Ohm ao resistor, V = Ri, resulta: tsen R V R Vi pS ω== A potência, calculada pela expressão P = Vi, fornece a seguinte expressão: tseniVP 2pp ω= pela qual, como sen2 ωt ≥ 0, a potência instantânea P(t) será sempre ≥ 0, como mostra o gráfico da potência da Fig. 6. Da Matemática, temos a relação: ( )x2cos1 2 1 xsen 2 −= de onde se conclui que a forma da potência instantânea terá uma freqüência dobrada em relação às freqüências da tensão e corrente instantâneas e, inversamente, o período da potência será metade do período da tensão e da corrente instantâneas, como pode ser observado nos gráficos da Fig. 6. Circuitos de corrente alternada 5 0 tω 0 tω i Vp R/ -Vp R/ pi 2 __ pi pi 2 __ 3 pi2 pi 2 __ 5 pi3 pi 2 __ 7 pi4 VS pi 2 __ 9 pi50 0 pi 2 __ pi pi 2 __3 pi2 pi 2 __ 5 pi3 pi 2 __7 pi4 P pi 2 __9 pi50 pi pi2 pi3 pi 2 __ 7 pi4 pi50 pi 2 __ pi 2 __ 3 pi 2 __ 5 pi 2 __9 Vp i p Vp i p ____ 2 -Vp Vp tω Fig. 6 Diagramas de tensão, corrente e potência versus tempo para o circuito resistivo puro. A potência média Pm é calculada pela fórmula: ∫= T 0 m dt)t(PT 1P (7) de modo que a potência média do circuito resistivo vale 2 iV td.tseniV 2 1P pp 2 0 2 ppm =ωω pi = ∫pi Na forma complexa, tjpS eVV ω = , obtendo-se a partir da lei de Ohm: Circuitos de corrente alternada 6 tj p tjpS eie R V R Vi ωω === de modo que o resistor como elemento de circuito CA não introduz defasagem entre a tensão e a corrente. A Fig. 6 mostra que as curvas de tensão e corrente para o resistor estão em fase, isto é, φ = 0. A Fig. 7 apresenta o diagrama fasorial para a tensão e a corrente. i V Fig. 7 Fasores representando a tensão e a corrente sobre o resistor. Capacitância A capacitância elétrica é a medida da capacidade de armazenamento de cargas elétricas por um dispositivo (Fig. 8) e é definida pela equação: d AC ε= (8) na qual: ε – permitividade elétrica do meio material entre as placas (C/V.cm) d – distância entre as placas do capacitor (cm) A - área da placa (cm2) d A Fig. 8 Placas planas paralelas para o cálculo da capacitância. Para materiais isolantes, também chamado de materiais dielétricos, a permitividade é expressa em termos da permitividade no vácuo ε0 (= 8,854.10-12 C/V.m) multiplicada pela constante dielétrica do material κ: κε=ε 0 (9) A constante dielétrica κ também é chamada permissividade relativa εr. A Tabela 1 apresenta a constante dielétrica e a rigidez dielétrica, que é a medida da tensão elétrica que um material isolante é capaz de suportar sem conduzir corrente, para diversos materiais isolantes. Circuitos de corrente alternada 7 TABELA 1 – Constante dielétrica e rigidez dielétrica para alguns materiais isolantes Material Constante dielétrica κ Rigidez dielétrica (kV/mm) Alumina Al2O3 (99,9%) Alumina (99,5%) Berília BeO (99,5%) Cordierita Nylon 66 reforçado com 33% de fibra de vidro (seco) Nylon 66 reforçado com fibra de vidro (50% umidade) Poliéster 10,1 9,8 6,7 4,1-5,3 3,7 7,8 3,6 9,1 9,5 10,2 2,4-7,9 20,5 17,3 21,7 A unidade de capacitância no SI é o farad (F), geralmente sendo utilizado frações desta quantidade como µF (10-6 F), nF (10-9 F) e até pF (10-12 F). Capacitores Capacitores são disponíveis em diversos tipos e valores. O valor da capacitância é determinado pela constante dielétrica do material, da sua espessura e da área dos eletrodos. As técnicas construtivas também diferem, dependendo do material dielétrico empregado. A Fig. 9 apresenta alguns arranjos construtivos empregados na fabricação de capacitores. D IEL ÉT R IC O D IEL ÉT R IC OM ET AL D IEL ÉT R IC O F O L H A M ET Á L IC A Fig. 9 Arranjos construtivos para capacitores As simbologias utilizadas para representar esquematicamente os capacitores estão mostradas na Fig. 10. Circuitos de corrente alternada 8 - + - + Fig. 10 Símbolos para o capacitor. A Fig. 11 apresenta os principais tipos de capacitores comerciais e a Tabela 2 lista as suas propriedades. Os maiores valores de capacitância são aqueles para os capacitores eletrolíticos Risco de explosão ! ADVERTÊNCIA Capacitores eletrolíticos não podem ser ligados com terminais de polaridade invertida, sob risco deexplodirem ! Fig. 11 Tipos de capacitores Circuitos de corrente alternada 9 TABELA 2 – Propriedades de capacitores comerciais Tipo Material dielétrico Faixa de capacitância Tensão máxima Variável ar 5 a 500 pF 500 V Cerâmico Titanato de bário 1000 pF a 1 µF 2000 V Óleo Papel com óleo 0,01 a 1 µF 10000 V Mica Mica 100 a 5000 pF 10000 V Filme Mylar, Teflon, poliestireno, policarbonato 0,01 a 50 µF 1000 V Eletrolítico - Tântalo - Alumínio Óxido de tântalo Óxido de alumínio 0,01 a 3000 µF 0,1 a 100000 µF * * Chip cerâmica * A máxima tensão que pode ser aplicada a um capacitor eletrolítico depende do valor da capacitância. Por exemplo, para 100.000 µF, uma tensão de 3 V pode danificar o capacitor, enquanto que para 100 µF, o mesmo tipo de capacitor pode suportar 400 V. Internamente, dependendo da sua construção, o capacitor apresenta resistências e indutâncias, que interferem no comportamento do capacitor em função da freqüência de trabalho. A Fig. 13 apresenta o circuito equivalente real de um capacitor, no qual as resistências representam a fuga de corrente, isto é, a perda de carga por caminhos de baixa resistência no interior e na superfície do capacitor, e a indutância L representa a variação da corrente de fuga. Como a capacitância e a corrente de fuga são diretamente proporcionais à área do capacitor, a resistência RP é inversamente proporcional à capacitância. Os fabricantes geralmente classificam seus capacitores pelo produto de RP e C, em unidades de ohms × farads ou megohms × microfarads. Se convertermos o produto à unidade básica, veremos que, segundo volt coulomb segundo/coulomb voltfaradohm 1 1 1 1 111 =⋅=× A quantidade definida pelo produto RPC é denominado tempo de fuga de corrente do capacitor; quanto maior o seu valor, melhor será a capacidade do capacitor armazenar a carga. A Tabela 3 apresenta os valores de tempo de fuga para diversos materiais dielétricos comumente empregados na confecção de capacitores comerciais. R R LC C VCC S P IL Fig.13 Circuito equivalente do capacitor Circuitos de corrente alternada 10 TABELA 3 – Tempos de fuga de corrente para alguns materiais dielétricos Material MΩ × µF (25oC) Teflon Poliestireno Policarbonato Mylar Vidro Mica Papel Cerâmica Eletrolítico 2.106 1.106 2.105 1.105 1.103 a 1.105 1.103 a 1.105 1.103 a 1.105 1.103 a 1.105 10 a 1000 Analisando-se os valores da Tabela 3, pode-se concluir que um capacitor de poliestireno é muito superior ao capacitor de papel, com base nos valores de tempo de fuga. Naturalmente, o custo do capacitor é diretamente proporcional ao tempo de fuga, como também ao valor da capacitância. Análise de circuito com capacitor ideal Um circuito contendo uma fonte de tensão senoidal acoplado a um capacitor ideal, isto é, que contém somente capacitância, é mostrado na Fig. 14. CVS i Fig. 14 Circuito com capacitor ideal Sendo a tensão de alimentação expressa como tsenVV pS ω= e sabendo que a equação que relaciona a tensão V com a carga do capacitor q na forma q = CV, vem que: tcosCVtsenV dt dC dt dVC dt dqi pp ωω=ω=== Mas, )90tsen(tcos o+ω=ω , de mod que podemos re-escrever a equação para a corrente instantânea como: )90tsen(CV)t(i op +ωω= Circuitos de corrente alternada 11 Dessa expressão, pode-se observar que a corrente está “adiantada” 90o em relação à tensão e o ângulo de fase φ = 90o. A potência, calculada pela expressão P = Vi, fornece a seguinte expressão: t2senCV 2 1 tcos.tsenCVP 2p 2 p ωω=ωωω= A Fig. 15 mostra as formas de onda para a tensão, corrente e potência para o circuito capacitivo puro. Pode-se observar novamente que a forma de onda da potência instantânea tem uma freqüência que é o dobro da freqüência da tensão e corrente instantâneas. 0 tω 0 tω i pi 2 __ pi pi 2 __ 3 pi2 pi 2 __ 5 pi3 pi 2 __ 7 pi4 VS pi 2 __ 9 pi50 0 pi 2 __ pi pi 2 __3 pi2 pi 2 __ 5 pi3 pi 2 __7 pi4 P pi 2 __9 pi50 pi pi2 pi3 pi 2 __7 pi4 pi50 pi 2 __ pi 2 __3 pi 2 __ 5 pi 2 __9 -Vp Vp tω ωCVp ωCVp- ωCVp 2 2 ____ ωCVp 2 2 ____ Fig. 15 Diagramas de tensão, corrente e potência versus tempo para o circuito capacitivo. Circuitos de corrente alternada 12 A potência média pode ser calculada para meio ciclo (neste caso, pi/2), a partir da equação 2 p 2/ 0 2 p 2/T 0 m fCV2dt.t2senCV2 1 2/ 1dt).t(P 2/T 1P =ωω pi == ∫∫ pi . Na forma complexa, sendo a tensão expressa como tjpS eVV ω = e sendo a corrente determinada pela equação dt/CdVi = , obtém-se: S tj p tj p CVjeCVjeVdt dCi ω=ω== ωω Na forma inversa, i C ji Cj 1VS ω −= ω = Esta equação mostra a vantagem de se adotar a forma complexa, pelo fato de explicitar a relação algébrica da tensão com a corrente por uma constante de proporcionalidade –j/ωC, tal como a lei de Ohm expressa a relação da tensão com a corrente com a resistência como constante de proporcionalidade para circuitos resistivos. De fato, a constante –j/ωC é fisicamente análoga à resistência, e é denominada de impedância capacitiva ZC e tem dimensão de resistência (ohm): C jZC ω −= (Ω) A Fig. 16 apresenta a representação gráfica dos fasores de tensão e corrente para o capacitor, com ângulo de fase φ = 90o. i V φ= 90o Fig. 16 Fasores representando a tensão e a corrente sobre o capacitor. Uma outra forma de representar os fasores é a chamada forma polar, pela qual a tensão VS é apresentada com o seu valor eficaz Vef e o ângulo de fase φ como: φ∠= efS VV (10) O valor eficaz Vef ou valor quadrático médio (rms – root mean square) de uma quantidade VS é definido pela expressão: Circuitos de corrente alternada 13 ∫== T 0 2 srmsef dtVT 1VV (11) Para uma tensão senoidal VS = Vp sen ωt, o valor eficaz pode ser calculado como: p p 2 0 22 pef V707,02 V tdtsenV 2 1V ≅=ω pi = ∫pi Para efeito de comparação, vamos calcular o valor médio da tensão, Vm, calculado sobre meio-ciclo: p p 0 p 2 T 0 Sm V637,0 V2 tsenV1dtV T 2V ≅ pi =ω pi == ∫∫ pi Assim, a relação entre os valores de pico Vp, o valor eficaz Vef e o valor médio Vm , para uma função senoidal, é: mefp V571,1V414,1V == O diagrama da Fig. 17 ilustra a comparação entre os valores característicos de uma onda senoidal. V 0 tω Vp V m V ef ppV Vp Vp -Vp 0,707 0,637 Vp Fig. 17 Relações entre os valores característicos para uma onda senoidal. Circuito RC série Faremos agora a análise de circuitos contendo um resistor em série com um capacitor, conforme mostra a Fig. 18. Circuitos de corrente alternada 14 R C i + - Vi Fig. 18 Circuito RC em série Dependendo de onde será conectado o terminal de saída da tensão, o circuito RC série recebe o nome de circuito RC integrador ou diferenciador, ou então, respectivamente, circuito filtro passa-baixa e circuito filtro passa-alta. Circuito RC Integrador Na forma esquemática mais conveniente. R C V Vi o i Fig. 19 Circuito RC esquemático Aplicando a lei de Kirchhoff ao circuito da Fig. 19: C/qRiVi += (12) na qual: dt/dqi = (13) e C/qVo = (14) Re-escrevendo (12) na forma diferencial: R V RC q dt dq i =+ (15) Esta equação diferencial possui soluções dependentes da função Vi , que analisaremos para os principais casos. Circuitos de corrente alternada 15 Resposta ao Degrau Consideremos a função Vi como a função degrau, definida matematicamente como: > ≤ = 0 00 t,V t, V S i (16) o que representa uma excitação constante V0 a partir do instante inicial t = 0. O gráfico da Fig. 20 apresenta afunção degrau. V V 0 t = 0 i t S Fig. 20 Gráfico da função degrau Em t = 0, a carga acumulada no capacitor é igual a zero e a equação diferencial pode ser integrada como: ∫∫ = − tq S dt RC)qCV( dq 00 1 (17) A solução da integral da equação (6) é dada por: ( ) t q S RC tqCVn 0 0 =−− � (18) que, rearranjada em termos de q(t), resulta em: ( )RC/tS eCV)t(q −−= 1 (19) A corrente i é calculada a partir da derivada de (19), de modo que: RC/tS e R V dt dqi −== (20) De (19) também pode-se calcular a tensão Vo: ( )RC/tSo eVCqV −−== 1 (21) Circuitos de corrente alternada 16 O termo exponencial apresenta o denominador RC, cuja dimensão é de tempo. O produto RC representa a constante de tempo para o circuito resistor-capacitor e significa o tempo que um capacitor leva para atingir 0,632VS (= 1 - 1/e) da tensão em regime estacionário durante o carregamento. Se o circuito estiver descarregando, a constante de tempo RC representa o tempo que leva para a tensão atingir 36,8% do seu valor inicial. As Figuras 21 e 22 apresentam as curvas de tensão e corrente em função do tempo normalizado pela constante RC, durante o carregamento do capacitor. Se considerarmos V0 como a tensão em regime estacionário (para t → ∞), na Fig. 21, para t = RC, o valor da tensão normalizada será V/V0 = 0,632; para t = 2RC, V/V0 = 0,865, isto é, a tensão será 86,5% da tensão V0; em t = 3RC, V/V0 = 0,95; em t = 4RC, V/V0 = 0,982 e em t = 5RC, V/V0 = 0,993, isto é, a tensão terá atingido 99,3% do valor estacionário. 0 1 2 3 4 5 6 7 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,632 Te n sã o n o rm a liz a da V /V 0 tempo em constante RC (s) Fig. 21 Curva de tensão em função do tempo para o circuito RC integrador. 0 1 2 3 4 5 6 7 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,368 Co rr e n te n o rm a liz a da , i/i 0 tempo em constante RC (s) Fig. 22 Curva da corrente em função do tempo para o circuito série RC. Circuitos de corrente alternada 17 Filtro Passa-Baixa (Resposta Senoidal) Como visto anteriormente, a resposta de um circuito RC à excitação senoidal produz um sinal de tensão defasado 90o em relação à corrente. Se aplicarmos a análise na forma fasorial, teremos a impedância: CjXRZ += (22) na qual, para um circuito RC C/X C ω−= 1 é denominada reatância capacitiva, de modo que C jRZ ω −= (23) Em notação polar, )RC/(arctg|Z|)R/|X(|arctg|Z|Z C ω−∠=−∠= 1 (24) na qual 222 1 C/R|Z| ω+= é chamada amplitude da impedância. Sendo a tensão de excitação dada por: o efi VV 0∠= (25) na qual Vef é o valor da tensão de excitação eficaz. A corrente é calculada por: )R/|X(|arctg|Z| V Z V I C o i −∠ ∠ == 01 (26) na qual as equações (24) e (25) foram usadas. Re-escrevendo a equação (26) na forma polar: )R/|X(|arctg|Z| V I C ef ∠= (27) A impedância do capacitor é definida como: o C C Z 901 −∠ ω = (28) pela qual, podemos calcular a tensão de saída Vout como: [ ]oCCefCo |X|)R/|X(|arctg|Z|VIZV 90−∠⋅ ∠== Circuitos de corrente alternada 18 )R/|X(|arctg|Z| V|X| C oefC +−∠= 90 (29) Resumindo, a amplitude da tensão de saída é: |Z| |X|V V Cefo = (30) e o ãngulo de fase φ: ω +−=φ RC arctgo 190 (31) Para analisarmos a resposta do circuito RC à excitação senoidal é conveniente expressarmos a razão entre a amplitude da tensão de saída Vout e a amplitude da tensão de entrada Vin: 1 1 1 1 222 22 2 +ω = ω + ω = CR C R C V V i o (32) Esta razão é denominada ganho de tensão do circuito e é utilizada para avaliar o desempenho de circuitos. Tomando-se os valores R = 1 kΩ e C = 1 µF, foram calculados os valores mostrados na Tabela 4. O gráfico do ângulo de fase φ versus a freqüência angular ω é mostrada na Fig. 23, enquanto que a Fig. 24 apresenta o gráfico do ganho de tensão versus ω. Este circuito, com estas características, é chamado filtro passa-baixa, porque ele deixa passar sinais de baixa freqüência com pequena ou nenhuma atenuação. À medida que a freqüência, a atenuação aumenta consideravelmente. TABELA 4 Resposta em freqüência para o filtro passa-baixa. R = 1 kΩ, C = 1 µF ω (rad/s) f (Hz) log ω φ (graus) Vo/Vi log(Vo/Vi) 1 0,16 0 -0,06 1 0,00000 10 1,6 1 -0,57 0,99995 -0,00002 100 15,9 2 -5,71 0,99504 -0,00216 200 31,8 2,3 -11,31 0,98058 -0,00852 1000 159,2 3 -45,00 0,70711 -0,15051 10000 1591,5 4 -84,29 0,0995 -1,00216 50000 7957,7 4,7 -88,85 0,0200 -1,69906 100000 15915,5 5 -89,48 0,0100 -2,00002 500000 79577,5 5,7 -89,89 0,0020 -2,69897 1000000 159154,9 6 -89,94 0,0010 -3,00000 Circuitos de corrente alternada 19 0 1 2 3 4 5 6 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 Ân gu lo d e fa se , φ ( gr au s) log ω Fig. 23 Ângulo de fase versus freqüência angular para o filtro passa-baixa. 0 1 2 3 4 5 6 -3 -3 -2 -2 -1 -1 0 log ωC = 3 lo g(V o/V i) log ω Fig. 24 Ganho de tensão versus freqüência angular para o filtro passa-baixa. A freqüência na qual R = |XC| é chamada freqüência de corte, fC: RC2 1fC pi = (33) Para o circuito analisado, fC = 159,2 Hz Circuito RC Diferenciador O circuito RC série também pode ser utilizado como circuito diferenciador, arranjando-se o resistor e o capacitor segundo o esquema ilustrado na Fig. 25. Circuitos de corrente alternada 20 R C V Vi o i Fig. 25 Circuito RC diferenciador Neste circuito, a tensão Vo é determinada pela tensão sobre o resistor: RiVo = (34) Se considerarmos o estímulo da função degrau, a equação (15) combinada com a equação (16) resultará em: RC/t So eVV − = (35) que corresponde a um decaimento exponencial da tensão com o incremento de tensão do degrau. Observe que este comportamento é o inverso do circuito integrador, calculado na equação (21). A Fig. 26 apresenta o gráfico da curva de tensão Vo em função do tempo normalizado para o circuito diferenciador. 0 1 2 3 4 5 6 7 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Te n sã o n or m al iz ad a V/ V 0 tempo em constante RC (s) Fig. 26 Curva de tensão em função do tempo para o circuito RC diferenciador. Filtro Passa-Alta (Resposta Senoidal) O circuito da Fig. 25 também é utilizado como filtro passa-alta, isto é, um filtro que atenua os sinais de baixa freqüência. Para este circuito, a tensão Vout, calculada sobre o resistor em notação fasorial polar, é descrita por: Circuitos de corrente alternada 21 [ ]oCefo R)R/|X(|arctg|Z|VIRV 0∠⋅ ∠== )R/|X(|arctg|Z| RV C S ∠= (36) A amplitude do ganho é expressa como: 11 222 22 2 +ω ω = ω + = CR RC C R R V V i o (37) e o ãngulo de fase φ: ω = =φ RC arctg R |X| arctg C 1 (38) A freqüência de corte é a mesma para o circuito integrador, ou seja RC/fC pi= 21 = 159 Hz. A resposta do filtro passa-alta para R = 1 kΩ e C = 1 µF está apresentado na Tabela 5, enquanto que as curvas de resposta em freqüência do ganho de tensão e do ângulo de fase estão mostradas, respectivamente, nas Figuras 27 e 28. Observar que as curvas para o filtro passa-alta são imagens invertidas das curvas para o filtro passa-baixa. A interseção das curvas de ganho de tensão com o eixo x conduz ao mesmo valor da freqüência de corte fC, como tinhamos observado no cálculo analítico. Isto significa que o dimensionamento de um filtro RC passa-baixa ou passa-alta pode ser feita simplesmente conhecendo-se os valores de R e C. Considere a possibilidade de inserir um filtro passa-baixa em série com um filtro passa-alta, como ilustrado na Fig. 29. Dependendodos valores de resistência e capacitância empregado nos dois filtros, podemos estabelecer uma faixa de freqüências na qual o sinal de saída será levemente atenuado e fora dessa faixa o sinal será fortemente atenuado. A este tipo de filtro dá-se o nome de filtro passa-faixa ou filtro passa-banda. TABELA 5 Resposta em freqüência para o filtro passa-alta. R = 1 kΩ, C = 1 µF ω (rad/s) f (Hz) log ω φ (graus) Vo/Vi log(Vo/Vi) 1 0,16 0 89,94 0,001 -3,00000 10 1,6 1 89,43 0,010 -2,00002 100 15,9 2 84,29 0,0995 -1,00216 200 31,8 2,3 78,69 0,1961 -0,70749 1000 159,2 3 45,00 0,7071 -0,15051 10000 1591,5 4 5,71 0,9950 -0,00216 50000 7957,7 4,7 1,15 0,9998 -0,00008 100000 15915,5 5 0,57 0,99995 -0,00002 500000 79577,5 5,7 0,11 1,00000 0 1000000 159154,9 6 0,06 1,00000 0 Circuitos de corrente alternada 22 0 1 2 3 4 5 6 -3 -3 -2 -2 -1 -1 0 log ωC = 3 lo g( V o /V i) log ω Fig. 27 Ganho de tensão versus freqüência angular para o filtro passa-alta. 0 1 2 3 4 5 6 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Ân gu lo d e fa se , φ ( gr a u s) log ω Fig. 28 Ângulo de fase versus freqüência angular para o filtro passa-alta. Filtro Passa-Banda (Resposta Senoidal) Se combinarmos um circuito RC passa-baixa em série com um circuito RC passa-alta, teremos um circuito RC que desempenha o papel de um filtro passa-banda, conforme mostra a Fig. 29. A característica de um filtro passa-banda é o de atenuar a amplitude do sinal cuja freqüência esteja fora da banda passante, isto é, das freqüências que estejam abaixo da freqüência de atenuação do circuito do filtro passa-alta e acima da freqüência de atenuação do circuito do filtro passa-baixa. Circuitos de corrente alternada 23 R C Vin R C Vout Fig. 29 Circuito do filtro passa-banda. Circuitos de Corrente Alternada Circuitos indutivos Indutância A indutância elétrica é a medida da capacidade de armazenamento de corrente elétrica por um dispositivo, geralmente com formato de bobina (Fig. 30), conhecido também como indutor. A indutância é definida pela equação: i L φ= (40) na qual: L – indutância da bobina (henry = H) φ – fluxo magnético que atravessa a área interna da bobina (Wb = T.m2) i – corrente que percorre as espiras da bobina (A) ii B →→ Linhas de fluxo magnético Indução magnética Fig. 30 Esquema do indutor. Circuitos de corrente alternada 24 A equação (40) é válida para indutores com núcleo de ar, para os quais a permeabilidade magnética é constante e igual a µ0 = 4pi.10-7 T.m/A. No caso de indutores com núcleo magnético, a indutância é calculada a partir da derivada do fluxo pela corrente: di dL φ= (41) O elemento de circuito indutor opera sob a ação de corrente ou tensão variável, que produzem um campo magnético variável (a) (b) Fig. 31 Símbolos para o indutor (a) com núcleo de ar e (b) com núcleo de ferro. A equação (41) pode se re-escrita como: di dt dt dL ⋅φ= (42) de modo que, dt diL dt d = φ (43) Sabendo-se pela lei de Faraday do Eletromagnetismo que a variação de fluxo no tempo induz uma diferença de potencial V no circuito elétrico, a equação (43) pode ser escrita como: dt diLV = (44) A potência de um circuito contendo um indutor pode ser calculada como: dt diL 2 1 dt diLiViP 2 === (45) A energia armazenada na forma de campo magnético no indutor pode ser calculada tomando-se a corrente i = 0 em t = 0 até a corrente i no instante t qualquer: 2 i 0 t 0 Li 2 1diLidt dt diLiE === ∫∫ (46) Circuitos de corrente alternada 25 Transformador de tensão O transformador é um elemento de circuito constituído por dois indutores acoplados magneticamente por um núcleo de material ferromagnético, através do qual a energia de um indutor é transferido a outro. As suas principais aplicações são para a elevação ou redução da tensão ou corrente, com mínima dissipação de energia por envolver prioritariamente campo magnético (campo não-dissipativo). Para as aplicações eletrotécnicas (50/60 Hz), geralmente o núcleo é de ferro puro ou de ligas de ferro, especialmente de Fe-Si por apresentar baixas perdas histeréticas. Para aplicações em altas freqüências o núcleo é constituído de material de alta resistividade elétrica, como os ferritas, de modo a minimizar as perdas por correntes parasitas. A Fig. 32 mostra os símbolos do transformador com núcleo de ar e com núcleo de ferro. (a) (b) Fig. 12 Símbolo para o transformador (a) com núcleo de ar e (b) com núcleo de ferro. Devido à importância de transformadores em circuitos eletrônicos e de instrumentação, faremos o cálculo das relações entre tensão e corrente para um transformador. Um transformador é um dispositivo magnetoelétrico constituído por dois enrolamentos (um primário, o outro secundário) conectados magnéticamente pelo núcleo de material magnético, conforme mostra a Fig. 33. : Área de seção transversal do núcleo : Comprimento do circuito magnético A C � C Primário Secundário i 1 i 2 1V 2V 1N 2N : Número de espiras Fig. 33 Transformador com núcleo de ferro. Para o cálculo das relações de tensão e corrente no transformador, consideremos inicialmente a lei de Ampère: Circuitos de corrente alternada 26 ∫ =⋅ C idH � � �� (47) Admitindo H constante em � C, então o campo magnético produzido pelo indutor 1 pode ser calculado à partir da integral de (47) como sendo: C iN H � 11 = (48) O fluxo magnético induzido no núcleo de ferro é dado por: CA.HA.B µ==φ (49) O fluxo magnético produzido pelo indutor 1: C CAiN � 11µ =φ (50) Derivando o fluxo no tempo: dt diAN dt d C C 11 ⋅ µ = φ � (51) de modo que: dt d ANdt di C C φ ⋅ µ = 1 1 � (52) Se considerarmos a resistência elétrica do condutor desprezível, então: dt d AN L dt diLV C C φ ⋅ µ ⋅=⋅= 1 1 1 � (53) Considerando que a indutância de um toróide pode ser calculada como: C CANL � 2µ = (54) que, substituindo em (53), resulta na equação: Circuitos de corrente alternada 27 dt dNV φ⋅= 11 (55) Embora esta equação tenha sido calculada para um núcleo toroidal, ela pode ser generalizada para qualquer geometria de núcleo, contanto que o fluxo enlaçado pelo núcleo não sofra espraiamento e seja constante em � C. A tensão induzida no indutor 2 será gerada pela variação do fluxo magnético dφ/dt no circuito magnético. Para calculá-la, vamos utilizar a lei de Faraday. ∫ φ=⋅ m dt ddE � � �� (56) onde � m é o comprimento de uma espira no circuito 2. Considerando que o circuito magnético possui elevada permeabilidade, ou seja, φ=φ=φ 21 e, consequentemente, dt d dt d dt d φ = φ = φ 21 , de modo que: dt dNVdEN m φ ⋅==⋅∫ 222 � ��� (57) ou seja, dt dNV φ⋅= 22 (58) À partir das equações (55) e (58), podemos escrever a relação entre as tensões V2 e V1: 1 2 1 2 N N V V = (60) Para o cálculo da relação entre as correntes i2 e i1., podemos considerar que o fluxo nos dois indutores é aproximadamente idêntico, de modo que: C C C C AiNAiN �� 2211 µ = µ (61) da qual vem que: 2211 iNiN = (62) ou seja: 2 1 1 2 N N i i = (63) Circuitos de corrente alternada 28 As equações (60) e (63) são empregadas para o cálculo de um transformador ideal, isto é, um transformador para o qual: (a) O fluxo da bobina secundária é totalmente enlaçado pelo fluxo na bobina primária; (b) Não há perdas no ferro e nem nos condutores; (c) O núcleo não está saturado e a sua permeabilidade magnética é linear com relação ao campo magnético H. Podemos observar que quando o número de espiras no primárioé maior do que no secundário, o transformador abaixa a tensão e eleva a corrente no secundário e vice-versa. Circuitos RL O elemento de circuito indutor é comumente empregado juntamente com o resistor como filtro para sinais de alta freqüência em analogia com os circuitos RC e também na modelagem de circuitos de potência como motores , geradores e transformadores, acoplados a cargas resistivas. R i V i L Fig. 34 Circuito RL em série A equação que descreve o circuito da Fig. 34 pode ser expressa como: iVdt diLRi =+ (64) Para obtermos a solução da equação diferencial ordinária (64), vamos estabelecer dois tipos de estímulo em Vi: a função degrau e a função senoidal. Enquanto no primeiro tipo de estímulo vamos resolver analiticamente (64), no segundo tipo, o tratamento será o mesmo aplicado para o circuito RC senoidal, isto é, solução por fasores. Resposta do circuito RL série ao degrau. Novamente, consideremos a função Vi como a função degrau, definida matematicamente como: Circuitos de corrente alternada 29 > ≤ = 0t,V 0t,0 V S i (65) o que representa uma excitação constante V0 a partir do instante inicial t = 0. O gráfico da Fig. 35 apresenta a função degrau. V V 0 t = 0 i t S Fig. 35 Gráfico da função degrau Em t = 0, a corrente aplicada ao circuito é armazenada no indutor na forma de campo magnético, em analogia à carga acumulada no capacitor no circuito RC. A equação diferencial (64) pode ser integrada por separação de variáveis, como: ∫∫ = − t 0 i 0 s dt L R i R V di (66) cuja solução é dada por: ( )τ−−= /ts e1 R Vi (67) na qual: R L =τ (68) é a constante de tempo do circuito RL. A tensão sobre o indutor é calculada a partir da equação: τ− == /t SL eVdt diLV (69) As Figuras 36 e 37 apresentam as curvas de corrente normalizada (i/i0, onde i0 = VS/R) e de tensão sobre o indutor normalizada (VL/VS) versus tempo normalizado (t/τ). A resposta do circuito RL é semelhante à do circuito RC para um estímulo na forma degrau. Entretanto, algumas diferenças cumpre enfatizar: primeiro, a corrente vai de zero até o valor em regime, pois quando a tensão degrau é aplicada, i = 0 e di/dt = máximo; segundo, a força eletromotriz induzida sobre o indutor (VL) é alta no início mas, à medida que VL diminui, a corrente aumenta e, concomitantemente, di/dt decresce (pois, VL = Ldi/dt). Ambas as curvas apresentam comportamento exponencial (crescimento na corrente e decaimento na tensão). Circuitos de corrente alternada 30 No circuito RL, a constante de tempo τ = L/R determina a taxa de crescimento e de decaimento da curva exponencial, de maneira análoga à constante τ = RC no circuito RC. 0 1 2 3 4 5 6 7 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 C o rr e n te n o rm a liz a da , i/i 0 tempo em constante τ = L/R Fig. 36 Curva de corrente normalizada em função do tempo t/τ para o circuito RL em série. 0 1 2 3 4 5 6 7 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Te n sã o no rm a liz a da , V L /V S tempo em constante τ = L/R Fig. 37 Curva de tensão normalizada sobre o indutor para o circuito RL em série. Resposta do circuito RL série à excitação senoidal. O circuito RL comporta-se como um circuito divisor de tensão dependente da freqüência. Para uma corrente de excitação senoidal (iL = i0 sen ωt), a tensão VL sobre o indutor aumenta com a freqüência, pois: Circuitos de corrente alternada 31 )90tsen(LitcosLi dt diLV o00L +ωω=ωω== (70) Esta equação estabelece que a tensão está adiantada 90o em relação à corrente. Este comportamento é exatamente o oposto ao do circuito capacitivo, no qual a tensão está atrasada 90o em relação à corrente. A reatância indutiva XL é definida como: LXL ω= (71) A impedância de um indutor ideal é expressa como: LjjXZ LL ω== (72) que é representado em notação fasorial como: o LL 90XZ ∠= (73) Para um circuito RL em série, podemos desenvolver as expressões para o ganho de tensão e para o ângulo de fase de maneira análoga ao circuito RC. Se o fasor de tensão Vin for expresso como: o 1in 0VV ∠= e a impedância do circuito RL como: )R/X(arctgXRjXRZ L2L2L ∠+=+= (74) Aplicando a expressão: Z VIZIV =⇒= , resulta: )R/X(arctg XR VI L2 L 2 1 −∠ + = (75) Como no circuito RC em série, a tensão de saída no circuito RL pode ser lida de duas formas distintas: sobre o resistor (circuito integrador) e sobre o indutor (circuito diferenciador), conforme mostrado na Fig. 38. Circuitos de corrente alternada 32 R V Vin out i L R V Vin out i L (a) (b) Fig.38 Circuito RL (a) integrador e (b) diferenciador. Quando a tensão é lida sobre o resistor, o ganho de tensão do circuito é dado por: )R/L(arctg LR R)R/X(arctg XR R Z R V V 222L2 L 2 in R ω−∠ ω+ =−∠ + == (76) A amplitude do ganho é calculada como: 222 in R LR R V V ω+ = (77) e o ângulo de fase por: )R/L(arctg ω−=φ (78) Quando a tensão é lida sobre o indutor, o ganho de tensão se torna: )R/L(arctg90 LR L)R/X(arctg90 XR X Z Z V V o 222L o 2 L 2 LL in L ω−∠ ω+ ω =−∠ + == (79) A amplitude do ganho é calculada como: 222 in L LR L V V ω+ ω = (80) e o ângulo de fase por: )R/L(arctg90o ω−=φ (81) A potência consumida num indutor ideal é zero porque, como no caso do capacitor, o ângulo de fase entre a tensão e a corrente é de 90º. Para um indutor real, a potência consumida é calculada a partir da resistência elétrica do fio utilizado no enrolamento da bobina. Circuitos de corrente alternada 33 Como a reatância indutiva é dependente da freqüência e como um indutor real possui resistência, uma propriedade denominada fator de qualidade Q de um indutor é definida e é expressa como: R XQ L= (82) Quanto maior o fator de qualidade para uma dada freqüência, menor será a resistência elétrica da bobina. Circuitos LC Os circuitos LC são comumente empregados em filtros de alta freqüência e também em circuitos sintonizados, principalmente em transmissão de sinais de rádio-freqüência. Eles apresentam como principal característica a ressonância, isto é, a capacidade de amplificar um sinal a uma dada freqüência de sintonia, daí o fato de serem largamente utilizados em circuitos de recepção de sinais de rádio, nos quais os sinais fora da freqüência de ressonância são filtrados e o sinal na freqüência de ressonância é ampliado. Existem dois tipos de circuitos LC: série e paralelo. Ambos os circuitos são constituídos por um capacitor e um indutor. A Fig. 39 apresenta os circuitos LC série e paralelo. L C LC (a) (b) Fig. 39 Circuitos LC (a) série e (b) paralelo. A ressonância ocorre quando as reatâncias indutiva e capacitiva forem iguais, CL XX = , ou seja, LC 1 C 1L 2 =ω⇒ ω =ω (83) Para uma dada combinação de L e C, isto ocorrerá somente em uma única freqüência, que pode ser calculada de (83), sabendo que f = ω/2pi: Circuitos de corrente alternada 34 LC2 1f0 pi = (84) Chamamos de ressonância ou freqüência de ressonância, a freqüência de oscilação própria do circuito. A física do processo de ressonância pode ser explicada em termos simples através dos circuitos esquemáticos desenhados na Fig. 40. Vamos supor que, inicialmente, uma tensão seja aplicada entre os terminais do capacitor. Quando isto ocorrer, o capacitor se carregará (Fig. 40a). A energia armazenada no capacitor na forma de energia elétrica UE é expressa como: 2 E CV2 1U = (85) Consideremos, agora que o capacitor está carregado, que a tensão de alimentação seja removida. Quando a tensão for retirada, o capacitor terá o potencial V, queconectado a um indutor descarregado, tenderá a anular o potencial elétrico, gerando uma corrente através do indutor (Fig. 40b). Esta corrente induzirá um campo magnético quando circular pelo indutor. Quando o potencial no capacitor for zerado, toda a energia do circuito estará armazenada no indutor na forma de energia magnética UB (Fig. 40c): 2 B Li2 1U = (86) Quando a corrente cessar, o campo magnético começará a diminuir, criando assim por indução nas espiras do indutor, uma corrente contrária à que lhe criou. Esta corrente carregará o capacitor com polaridade contrária a anterior. Observe o sentido das setas das linhas equipotenciais elétricas no capacitor nas Fig. 40d e 40e. Quando o campo magnético se findar, a corrente deixará de circular e o capacitor estará carregado (Fig. 40e). Novamente, o processo de descarga do capacitor e de carga do indutor é retomado (Fig. 40f e 40g) e continuará assim, indefinidamente. Este tipo de circuito oscilador recebe o nome de circuito tanque, pois os elementos capacitor e indutor agem como reservatórios de energia. Na prática, circuitos LC são ideais, pois capacitores e indutores reais possuem perdas e a dissipação da energia na forma de calor levará ao consumo da energia fornecida pela fonte externa no início do processo. Se medíssemos a variação de tensão sobre o capacitor ou o indutor veríamos um sinal alternado de forma senoidal e freqüência própria de ressonância. Em freqüências inferiores e superiores à freqüência de ressonância, a impedância do circuito LC série (Fig. 40a) aumenta, enquanto que a corrente diminui. Da mesma forma, próximo ou igual à freqüência de ressonância, a impedância diminui e a corrente aumenta. Em circuitos ressonantes paralelo (Fig. 40b), próximo à freqüência de ressonância, a impedância aumenta e a corrente diminui. No caso contrário, ou seja, quando a freqüência estiver distante da freqüência de ressonância, a corrente aumentará e a resistência diminuirá. Circuitos de corrente alternada 35 Fig. 40 Ciclo de oscilação de um circuito LC não-dissipativo. Os gráficos de barra representam a energia magnética (UB) e elétrica (UE) armazenada, respectivamente, no indutor e no capacitor (Halliday, 1993). O grau com que estas mudanças ocorrem com freqüências superiores e inferiores a de ressonância é uma medida de “habilidade” do circuito de separar (discriminar) freqüências. Essa habilidade é calculada através do fator de qualidade do circuito, e que pode ser calculado para circuitos indutivos e capacitivos: R XQ L= ou R XQ C= (87) Acrescentando-se um resistor em série com o circuito série, ou em paralelo com o circuito paralelo, aumenta-se a faixa de passagem ou, em outras palavras, diminui-se o Q. Referências bibliográficas DIEFENDERFER, A.J. Principles of electronic instrumentation. Philadelphia, PA: Sauders College Publishing, 1979. HALLIDAY, D., RESNICK, R., WALKER, J. Fundamentals of physics – Extended with modern physics. New York: John Wiley, 1993.
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