Filtro capacitivo

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UNIP – UNIVERSIDADE PAULISTA
ICET – Instituto de Ciências exatas e tecnológicas
ELETRÔNICA APLICADA
FILTRO CAPACITIVO
Nome: 					 	Turma:		RA:
Tiago Timoteo R. dos Santos 			EA7P12		C43EED-9
Wagner Xavier de Jesus 				EA7P12		C4978F-9
Wallacy Anderson P. da Silva 			EA7P12		C54AFJ-0	
Tiago Timoteo R. dos Santos C43EED-9 EA7P12
Wagner Xavier de Jesus C4978F-9 EA7P12
Wallacy Anderson P. da Silva C54AFJ-0 EA7P12
ELETRÔNICA APLICADA
Trabalho decorrente da matéria de
eletrônica aplicada para obtenção do 
título de graduação em engenharia de controle 
e automação, apresentado à Universidade Paulista – UNIP
Orientador: Prof.º Dr. Luís Lama
 
1. INTRODUÇÃO 
Os capacitores são componentes que tem a função de armazenar a carga elétrica que passa pelo circuito, sendo que quando se liga um capacitor em uma fonte de tensão ele acaba retendo a tensão igual à da fonte que o alimenta logo se desligada a tensão ele continua carregado podendo gerar energia para alimentar o circuito, pois recebem a corrente através de seus dois terminais um com polo negativo que são marcados no capacitor de cinza ou preto para facilitar a identificação a fim de evitar ligações dos polos errados no circuito, e o polo positivo. Contudo ele carrega e descarrega com muita facilidade tendo uma função parecida como de uma bateria, mas com um limite de carga com menor duração.
Quando se tem a necessidade de se utilizar um capacitor no circuito precisa saber a tensão a qual ele vai ser exigido para poder fazer a análise do tipo do capacitor a ser usado, pois se o circuito tiver uma tensão alta, vai precisar de um capacitor que tenha uma capacitância maior para adequá-lo a função usada.
A capacitância nada mais é do que a facilidade de o componente armazenar a carga a qual for exigido, pois quando se têm dois componentes que são separados por um isolante se tem capacitância, havendo em todos os circuitos.
Sendo assim quanto maior a tensão máxima apresentada, maior vai ser a quantidade a se utilizar de isolante entre os condutores fazendo com que o tamanho do capacitor seja maior. Para uma utilização adequada usar sempre um capacitor com a tensão maior do que a do que e usada no circuito, pois se utilizar a mesma pode haver perda de carga, queima, explosão do componente prejudicando o funcionamento ou a total parada.
2. MÉTODO ADOTADO 
Primeiramente mediu-se o valor do resistor com o multímetro na grandeza em resistência, onde o valor deu–se 1000 ohms com a tolerância, depois montou-se o circuito no protoboard, onde se chamará de retificador de meia onda, ou seja, ligando num transformador de 6 volts AC no seu terminal um diodo polarizado direto (anodo) em série e no outro terminal do catodo de um diodo 1N4004, um resistor e um capacitor de 1000uf de 50 volts, os dois em paralelo, por fim, fechando- se o circuito no terminal do transformador. 
Agora alimentando o circuito com 6,0 volts AC, colhe-se os valores na entrada do transformador e na saída, a corrente contínua pura, DC no capacitor nos respectivos polos, com o multímetro, a ponteira vermelha no positivo do capacitor, e depois a outra a ponteira preta no negativo do capacitor, anotando o resultado da tensão, em seguida troque de capacitor, substituindo por 100uf, 10 uf e por último 1 uf, logo em cada um deles anote os valores da corrente contínua pura. Verificar por último a onda de entrada do transformador de AC e a saída da corrente contínua pura nos devidos capacitores no osciloscópio. 
3. OBJETIVOS 
O objetivo principal do experimento de filtro capacitivo e nos mostrar a funcionalidade do capacitor no circuito, propondo a montagem do circuito a fim de medir o AC na entrada do transformador e a corrente pulsante na saída. Para vermos como o capacitor em conjunto com os outros componentes interage na função do circuito, utilizando em duas aplicações que são as retificações de meia onda e onda completa.
Para analisarmos como o capacitor trabalha como filtro no circuito e de se poder trabalhar como alimentador, pois armazena a tensão de entrada e a distribui gradativamente podendo fazer uma função parecida de uma bateria, trabalhando como alimentador do circuito por um período de tempo.
Com a teoria apresentada em Eletrônica analógica e digital podemos ver na pratica a didática apresentada, utilizando o laboratório de ensino para termos contato com o trabalho experimental e sua funcionalidade, que e de grande importância na engenharia. Com a orientação do professor para obtermos o aperfeiçoamento na utilização dos equipamentos do laboratório pois apenas com a praticando vamos ter o desenvolvimento satisfatório como na utilização do multímetro para as medições, no protoboard para a montagem correta dos circuitos propostos, e na utilização correta do osciloscópio para fazer a análise do comprimento e variação de tempo das retificações de meia onda e onda completa.
Fazendo as anotações das instruções passadas para verificar se o circuito foi montado de maneira correta para evitar gerar erros nas medições e evitar danificar os componentes e o entendimento das ligações de meia onda e completa. Para se ter a noção de que o filtro capacitivo impede a passagem de corrente alternada em algumas frequências.
4. MATERIAIS UTILIZADOS
4.1. Protoboard
Ela é também conhecida como matriz de contato. A protoboard consiste de uma placa de alumínio sobre a qual são presos conjuntos de estruturas plásticas vazadas. A protoboard apresenta abaixo dos quadrados de plástico, uma série de duas lâminas, entre as quais os fios ou os componentes serão conectados, estabelecendo um contato elétrico, aceita somente projetos de baixa potência (2 a 3 Amperes).
4.2. Multímetro 
É também conhecido como VOM (Volt-Ohm-Miliamperímetro), Ohmimetro, Multiteste ou Tester é um instrumento destinado a medida de grandezas elétricas. Em eletricidade existem três grandezas básicas (tensão, corrente e resistência elétrica) que o multiteste ou multímetro mede com precisão e, baseados nelas, podemos empregar este instrumento numa infinidade de aplicações. Para cada situação é utilizado um tipo de multímetro visando um melhor resultado de acordo com cada característica dos aparelhos. No caso desse experimento foi utilizado um multímetro com características mais apropriadas para baixa tensão.
4.3. Diodo 
O díodo é um componente eletrônico que tem a função de deixar a passagem de corrente somente em um sentido. Na polarização direta, haverá condução onde a corrente circulará. Ao contrário, a polarização reversa não terá nenhuma corrente circulando. O díodo é um elemento formado por uma junção de dois materiais semicondutores o silício ou germânio, um do tipo N e o outro do tipo P, que são designadas através da dopagem do silício ou do germânio com arsênio (As), antimônio (Sb) e o fosforo (P) que são chamados de “impurezas”. Esses elementos formam uma ligação pentavalente, onde se tem cinco átomos na camada de valência. 
Por serem pentavalentes, um dos elétrons da camada de valência fica livre, tornando-se “elétron livre”, como mostra a figura 1.
FIGURA 1 – Cristal de silício com impureza de arsênio
FONTE: www.geocities.ws/semicondutores, 2018
Como os elétrons são cargas negativas, e o número de elétrons livres é maior que o número de lacunas, estes semicondutores são chamados de tipo “N”. Já os semicondutores do tipo P são formados por ligação trivalente, ou seja, existem três elétrons na camada de valência. O alumínio (Al), o boro (B) e o gálio (Ga) são os elementos que são dopados no silício, e por terem três elétrons na camada de valência as ligações formam lacunas como mostra a figura 2.
FIGURA 2 – Cristal de silício com impureza de alumínio
FONTE: www.geocities.ws/semicondutores, 2018
	Por serem trivalentes, as ligações formam lacunas quem são consideradas cargas positivas, assim esse semicondutor é chamado de tipo “P”. A junção dos dois semicondutores (tipoN e P) formam o diodo, assim quando é polarizado diretamente os elétrons livres ganham força e rompem a barreira de potencial, assim atravessam a junção. Já na polarização reversa os elétrons negativos são atraídos para o potencial negativo e não tem energia para atravessar a junção. 
	O semicondutor N é chamado de Catodo (K) e na polarização direta ele deve receber sempre o potencial negativo da alimentação. Já o semicondutor P e chamado de Anodo (A) e deve receber o potencial positivo da alimentação na polarização direta, assim a junção PN passa a conduzir tensão, caso contrário não há condução de energia entre a junção. A figura 3 mostra o diodo e sua simbologia.
FIGURA 3 – Diodo e sua simbologia
FONTE: www.google.com.br/diodon4004 - 2018
Agora é necessário compreender um fato importante que acontece na polarização direta do diodo, a queda de tensão. O diodo tem sua queda de tensão de 0,3V para germânio e 0,7V para o Silício, isso devido a sua resistência a passagem da corrente, ou seja, é uma tensão mínima para que os elétrons da camada N tenham força para vencer a barreira de potencial e circular para a camada P. Essa queda de tensão fica sobre o diodo quando polarizado diretamente, e apenas passa a conduzir tensão quando o valor estiver acima da queda de tensão. No caso da polarização reversa o diodo funciona como um bloqueador, ou seja, ele não conduz corrente enquanto a tensão estiver abaixo da tensão de ruptura que nesse caso é 400 Volts.
Se for aplicada uma tensão acima da tensão de ruptura o diodo se rompe e perde suas características, assim como mostrado na figura 4.
FIGURA 4 – Curva característica do diodo 1N4004
FONTE - www.clubedaeletronica.com.br/Eletronica - 2018
4.4. Resistores
O resistor é um semicondutor com três características básicas, limitar a passagem da corrente, gerar calor e dividir a tensão. No experimento realizado em laboratório a finalidade do resistor foi limitar a passagem da corrente, funcionando assim como uma carga no circuito. 
Todo material oferece uma resistência a passagem da corrente elétrica devido a colisão dos elétrons entre si e entre os átomos do material, porém, em um reitor que atua como limitador de tensão, essa resistência a passagem da corrente é controlada através da fabricação do resistor, que geralmente são feitos de carbono ou carvão e apresentam uma resistência interna de acordo com sua característica. Geralmente os resistores vem com faixas de cores impressas em seu corpo, essas cores definem a sua resistência que é medida em Ohms (Ω) como mostra a figura 5.
FIGURA 5 – Resistor
FONTE: http://www.eletronicadidatica.com.br/componentes/resistor, 2018
Para calcular a resistência de um resistor no circuito é aplicado a Primeira Lei de Ohm, onde temos a tensão da fonte de alimentação dividida pela corrente que circula no resistor.
Os resistores são muito utilizados nos circuitos eletrônicos como limitador e divisor de tensão, porém conhecemos um exemplo clássico de resistor com a finalidade de dissipar calor, é o chuveiro, internamente ele tem um resistor que dissipa calor à medida que a corrente passa por ele, realizando o famoso efeito “Joule”. Os resistores eletrônicos seguem um padram de resistência interna que são definidos através das cores em seu corpo, com isso seguem também uma simbologia que está representada na figura 6.
FIGURA 6 – Resistor de 330 Ω e sua simbologia
FONTE: www.google.com.br/eletrônica, 2018
4.5. Osciloscópio
	O osciloscópio é um aparelho indispensável quando se trata de eletrônica, porem ele não se limita somente a eletrônica, é muito usado em projetos e até mesmo na medicina moderna. O osciloscópio é um aparelho projetado para medir tensões na forma de um gráfico em função do tempo, ou seja, o comportamento da tensão em um determinado tempo. Além dessa função de extrema importância o osciloscópio também mede ondas sonoras, vibrações de motores e na medicina ele é utilizado para medir ondas celebrais.
	O osciloscópio permite um diagnóstico rápido e preciso do problema, implicando assim na economia do profissional que o utiliza. No caso do experimento realizado em laboratório, o uso do osciloscópio foi para fins educativos, onde foi possível provar o conteúdo teórico na pratica. 
	4.6. Capacitor
Capacitores ou assim chamados de condensadores são componentes elétricos com a função de armazenar carga elétrica e, por seguida, energia potencial elétrica. Apresentam diversas formas esféricas, cilíndricas ou planas, consistem por dois condutores chamados de armaduras aonde quando energizados, com comportamento de indução geral, armazenam cargas elétricas de mesmo valor exato, portanto com sinais invertidos.
O capacitor aplica-se na eletrônica em diversas formas, como para armazenar energia elétrica, como cargas e descargas em segundos por milhares de vezes. No ramo de eletrônica, o capacitor tanto pode oferecer cargas em poucas oscilações de diferença de potencial, quanto pode absorver cargas elétricas, ele também exerce a função de criar campos elétricos de diversos quantidades.
No caso do experimento o capacitor é utilizado como um filtro capacitivo onde o capacitor tem a função de estabilizar o valor da tensão. Na figura 7 temos a imagem de um capacitor eletrolítico e sua simbologia.
FIGURA 7 – Capacitor e sua simbologia
FONTE: www.google.com.br/eletrônica, 2018
4.7. Transformador
	Os transformadores são componentes essenciais em um circuito eletrônico, eles são utilizados na transformação de tensões e correntes além disso eles também podem ser utilizados na modificação da impedância de um circuito elétrico. 
	Os transformadores se baseiam no princípio das leis de “Faraday” e “Lenz”, ou seja as leis do eletromagnetismo e da indução magnética. Os transformadores são compostos por dois conjuntos de espiras que não tem contato físico entre si, esses enrolamentos são conhecidos como primário e secundário. O dimensionamento de um transformador é feito de acordo com a sua finalidade. O enrolamento primário e o secundário não têm contato físico um com o outro, porem enrolamento primário gera um campo magnético que movimenta os elétrons do enrolamento secundário de acordo com o dimensionamento das espiras. A geração do campo magnético implica na geração de uma indução magnética que é dissipada nas placas de aço laminado ou de silício, onde são enroladas as espiras. 
	O transformador utilizado em laboratório tem esse mesmo princípio, porem como a finalidade é para uso didático ele dispõe de várias opções de saída de tensão usando um tape central. 
	
O tap central em um transformador nada mais é que uma derivação em um determinado ponto do enrolamento onde se consegue obter uma determinada tensão de acordo com o número de espiras antes da derivação do tap central, ou seja, em cada ponto do enrolamento do transformador é possível obter um valor determinado de tensão. A figura 8 representa um desenho esquemático do funcionamento de um transformador, esse mesmo princípio é empregado no transformador utilizado para este experimento, já a figura 9 traz a simbologia do transformador.
FIGURA 8 – Transformador elétrico
FONTE: www.electronica-pt.com/transformadores, 2018
	
FIGURA 9 – Transformador elétrico e sua simbologia
FONTE: www.electronica-pt.com/transformadores, 2018
5. RESULTADOS 
	5.1. RETIFICADOR DE MEIA ONDA COM FILTRO CAPACITIVO
	O circuito criado na protoboard (representado na figura 10) consiste de um diodo ligado em série (polarizado diretamente no semiciclo positivo) com um resistor que atua como carga, e um capacitor em paralelo com a carga. O funcionamento do circuito está relacionado com o funcionamento do diodo, ou seja, como já vimos o diodo permite a passagem da tensão apenas quando polarizado diretamente, como na saída do transformador temos uma tensão alternada, ela varia entre o ciclo positivo e negativo. Com o diodo no circuito a tensão só passa quando temos o semiciclo positivo como mostrado na figura 11, assim a tensãonão fica mais alternado entre positivo e negativo, porem essa tensão ainda não é continua pura, para isso é preciso estabiliza-la em um valor fixo, é nessa hora que atua o capacitor. 
FIGURA 10 – Circuito retificador de meia onda
FONTE: Timoteo, Tiago, 2018
FIGURA 11 – Circuito retificador de meia onda
FONTE: www.mundodaeletrica.com.br/diodo-retificador, 2018
	Como já sabemos o capacitor é um componente eletrônico que armazena tensão chegando ao mesmo valor da ddp da fonte. Com essa característica o capacitor atua como um filtro no circuito, pois, quando o semiciclo positivo começa a perder tensão o capacitor descarrega a sua tensão interna não deixando o valor da tensão baixar, para fixar melhor a ideia vamos analisar a figura 12, que mostra como fica a onda na carga com a atuação do capacitor.
FIGURA 12 – Atuação do capacitor
FONTE: Timoteo, Tiago, 2018
Notamos que o capacitor carrega a tensão, e quando o semiciclo positivo começa a perder tesão ele descarrega. O valor de que obtemos em Vcc é um valor fixo, portanto é considerado uma tensão continua. Conseguimos analisar o comportamento da onda através do uso do osciloscópio, caso contrário teríamos apenas a teoria do experimento.
Existem alguns critérios que interferem na formação dessa onda é justamente isso que o trabalho aborda. O capacitor tem um tempo para carregar e descarregar, esse tempo é relativo à sua capacitância, e com isso o valor de Vcc diminui ou aumenta de acordo com a capacitância. No experimento trabalhamos com quatro capacitores diferentes cuja os valores são: C1=1000uf C2=100uf C3=10uf e C4=1uf.
Um fato notável na análise do comportamento das ondas é que quanto maior o valor da capacitância maior será o valor de Vcc filtrada, e quanto menor o valor da capacitância menor sera o valor de Vcc, isso é relativo e comprovamos isso coletando os dados, assim como mostrado na tabela 1.
Tabela 1: Dados coletados 
	Capacitor
	Capacitância (uf) 
	Tensão fornecida pela fonte (V)
	Valor da tensão na carga, Vcc filtrada
	C1
	1000uf 
	6,9 V
	8,74 V
	C2
	100uf 
	6,9 V
	8,30 V
	C3
	10uf
	6,9 V
	5,59 V
	C4
	1uh
	6,9 V
	2,96 V
	
	Agora com o auxílio do programa simulador de circuitos eletrônicos vamos reproduzir a forma de onda que o osciloscópio lê na carga RL. O circuito é o mesmo da figura 10, porem com os valores de capacitância diferente. 
	5.2. Forma de onda para C1= 1000uf
FIGURA 13 – Forma de onda para C1
FONTE: Timoteo, Tiago, 2018
	Podemos notar que a forma de onda é continua, ou seja, os capacitores mantem o valor da tensão Vcc fixo em torno de 8,74 V, transformado assim um semiciclo positivo pulsante em continuo.
5.3. Forma de onda para C2= 100uf
FIGURA 14 – Forma de onda para C2
FONTE: Timoteo, Tiago, 2018
	Com a aplicação do capacitor C2 no circuito notamos que a Vcc é um pouco menor, isso devido a capacitância ser menor.
	5.4. Forma de onda para C3= 10uf
FIGURA 15 – Forma de onda para C3
FONTE: Timoteo, Tiago, 2018
Na figura 15 notamos que com o capacitor C3 temos uma tensão Vcc ainda menor, e quanto menor a capacitância menor sera a tensão filtrada. E por fim a figura 16 mostra essa característica com evidencia. 
5.5. Forma de onda para C4= 1uf
FIGURA 16 – Forma de onda para C4
FONTE: Timoteo, Tiago, 2018
6. DISCUSSÕES E CONCLUSÕES 
Uma vez que o circuito retificador de meia onda transformou a corrente alternada em corrente pulsante, resta agora, transformar a corrente pulsante numa corrente contínua pura, com o uso de filtro, nada mais é que um filtro simples consiste num capacitor na saída do retificador, onde o funcionamento do capacitor trabalha como um dispositivo que acumula cargas elétricas, se ao ligarmos em uma bateria, ele irá carregar completamente até atingir a tensão da bateria, após um certo período descarregará a bateria.
Isto prova nosso experimento, o tempo de carga dependerá dos valores dos capacitores, da resistência em paralelo ao circuito da carga.
Quando se alimenta o transformador na sua entrada em AC, o circuito retifica, fazendo o diodo conduzir no semiciclo positivo e este pulso positivo na saída do retificador vai carregar o capacitor. Logo no primeiro semiciclo, o capacitor não se carrega totalmente, mas, após algum semiciclo, ele estará totalmente carregado. Pode-se observar que, enquanto o diodo não estava conduzindo no semiciclo negativo, o capacitor não deve descarregar e manteve toda sua carga. Ao final de alguns semiciclos positivos, o capacitor foi totalmente carregado com a tensão contínua pura, onde não apresentou ondulações. Esta tensão contínua pura era exatamente o propósito na saída do circuito retificador. Se fonte de alimentação não tivesse de fornecer corrente aos demais circuitos do aparelho, nosso problema estaria resolvido. Mas os circuitos necessitam de uma certa corrente para funcionarem, eles podem ser utilizados por um resistor de carga em paralelo com o capacitor, com esse resistor de carga ligado, no momento em que o diodo não está em condução, é o capacitor que fornece energia ao circuito ao se descarregar, e assim sucessivamente com um novo pico de tensão, no caso o semiciclo positivo, o capacitor é recarregado. A carga do capacitor, quando houver condução do diodo será muito rápida, quase instantânea. A descarga do capacitor dependerá do resistor de carga. 
Se o valor da resistência for menor, ou seja, precisará de uma corrente muito intensa da fonte, a descarga será também muito rápida e se for uma corrente pequena, a descarga será lenta. Quanto maior for intensa a corrente consumida, maior será a ondulação (triple), por motivo do capacitor descarregar mais rápido. Em retificadores de onda completa está ondulação será menor.
Isto comprova que a ondulação vai depender da corrente consumida pela carga, pelo valor do capacitor e do tipo de retificação: a ondulação é maior, quanto maior for a corrente consumida e quanto menor for o valor do capacitor de filtro, ou seja, capacitor maior acumula mais carga para a retificação de meia onda.
Nos circuitos retificadores de meia onda e completa trabalham na sua saída com uma corrente pulsante, no qual os aparelhos eletrônicos precisam uma alimentação que não oscilassem muito, o máximo permitido, então acrescenta-se um filtro na saída do retificador com a missão de amenizar essas variações, a corrente contínua pura não varia ao longo do tempo. O filtro resolve essa deficiência no retificador, aproximando a tensão de carga no tanto que necessário da corrente contínua ideal num valor constante. No semiciclo negativo, o diodo comporta como bloqueio, onde não haverá passagem de corrente, e por seguinte a corrente contínua será descarregada pelo capacitor que fluirá pelo resistor de carga, onde ele estará na mesma diferença de potencial entre as armaduras do capacitor. A descarga encerrará até que o diodo volte a conduzir de novo e a carga elétrica comece a ser armazenada na armadura positiva do capacitor, até atingir o valor máximo na entrada.
 
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
BOYLESTAD, Robert. Introdução à análise de circuitos. 10ª ed. [SL]: Pearson, 2010. 55 p.
BOYLESTAD, Robert; NASHELSKY, Louis. Dispositivos eletrônicos: Teoria de circuitos. 8ª ed. [SL]: Pearson, 2013. 26 p.
CLUBE DO HARDWARE. Transformadores elétricos. Disponível em:  https://www.clubedohardware.com.br >. Acesso em: 29 mar. 2018.
ELETRONICA DIDATICA. Componentes / diodo. Disponível em:  http://www.eletronicadidatica.com.br >. Acesso em: 29 mar. 2018.
MUNDO DA EDUCAÇÃO. Diodos-semicondutores. Disponível em: < http://mundoeducacao.bol.uol.com.br >. Acesso em: 29 mar. 2018.
MUNDO DA ELETRICA. Diodos. Disponível em: < www.mundodaeletrica.com.br >. Acesso em: 30 mar. 2018.
NEWRON BRAGA. Matemática para eletrônica. Disponível em: < http://www.newtoncbraga.com.br/index.php >. Acesso em: 30 mar. 2018.
CAMPINAS - 2018