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Fontes Senoidais e Fasores INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO Kleber Paulo da Silva 2 Fontes Senoidais • Os valores de corrente e tensão no circuito ao lado variam com o tempo? Em circuitos de corrente contínua... 3 Fontes Senoidais Em circuitos de corrente contínua... 4 Fontes Senoidais • O estudo inicial sobre circuitos elétricos ocorre para valores de tensão e corrente invariáveis no tempo. Em circuitos de corrente contínua... • As leis e propriedades elétricas foram aplicadas para tensões e correntes contínuas (CC) 5 Fontes Senoidais Qual a diferença entre corrente contínua e corrente alternada? 6 Fontes Senoidais • A corrente contínua (CC) é aquela que permanece constante durante todo o tempo de observação. Ou seja, o fluxo de elétrons se mantêm constante e sempre no mesmo sentido. 7 Fontes Senoidais • A corrente alternada (CA) varia alternadamente com o tempo. • O termo alternado não identifica completamente a forma de onda da corrente. 8 Fontes Senoidais • Dessa forma, exceto quando dito o contrário, a corrente alternada tem sua variação na forma senoidal ao longo do tempo. 9 Fontes Senoidais 10 Fontes Senoidais • Associação de fontes de tensão em série Diferença entre circuitos CC e CA 11 Fontes Senoidais Diferença entre circuitos CC e CA 12 Fontes Senoidais • Ou ainda, quais os efeitos sobre os componentes elétricos quando submetidos a corrente alternada? Por que estudar corrente alternada? 13 Fontes Senoidais • A tensão alternada na forma senoidal é gerada em usinas de energia elétrica em todo o mundo; • A conversão entre valores mais altos e baixos de tensão elétrica é mais fácil quando alternada, devido ao uso dos transformadores, tornando a transmissão de energia elétrica mais acessível a longas distâncias. Por que estudar corrente alternada? 14 Fontes Senoidais • Estudar o comportamento dos circuitos elétricos sob regime permanente senoidal geralmente é simplificado e bastante conhecido; • Os diversos teoremas e métodos aplicados em circuitos de corrente contínua podem ser aplicados em circuitos elétricos durante o regime permanente senoidal; • A tensão e corrente na forma de onda senoidal não se altera quando aplicada a resistores, indutores e capacitores. Por que estudar corrente alternada? 15 Fontes Senoidais • Uma fonte de tensão senoidal produz uma tensão que varia senoidalmente com o tempo; 16 Fontes Senoidais • Uma fonte de corrente senoidal produz uma corrente que varia senoidalmente com o tempo; 17 Fontes Senoidais Alguns parâmetros importantes – tensão senoidal 18 Fontes Senoidais Alguns parâmetros importantes – tensão senoidal • Forma de onda – gráfico de uma grandeza (tensão, por exemplo) em função de uma variável como o tempo, posição, graus, radianos etc; 19 Fontes Senoidais Alguns parâmetros importantes – tensão senoidal • Valor instantâneo – amplitude de uma forma de onda em algum instante de tempo (𝑒1 e 𝑒2). 20 Fontes Senoidais Alguns parâmetros importantes – tensão senoidal • Amplitude de pico – Valor máximo de uma forma de onda em relação ao valor médio (𝐸𝑚). 21 Fontes Senoidais Alguns parâmetros importantes – tensão senoidal • Valor de pico – Valor máximo de uma forma de onda em relação ao nível zero volt (𝐸𝑚). 22 Fontes Senoidais Alguns parâmetros importantes – tensão senoidal • Valor de pico a pico – é a diferença entre os valores dos picos positivo e negativo (𝐸𝑝−𝑝). 23 Fontes Senoidais Alguns parâmetros importantes – tensão senoidal • Forma de onda periódica – Forma de onda que se repete continuamente após certo intervalo de tempo constante. 24 Fontes Senoidais Alguns parâmetros importantes – tensão senoidal • Período (𝑻) – Intervalo de tempo entre repetições sucessivas de uma forma de onda periódica (𝑇1, 𝑇2 e 𝑇3 - OBS.: tem valores iguais para a figura apresentada). 25 Fontes Senoidais Alguns parâmetros importantes – tensão senoidal • Frequência (𝒇) – Número de ciclos que ocorrem em 1 𝑠. A unidade de frequência no SI é dada em Hertz (𝐻). 1 𝐻 − 1 ciclo por segundo 26 Fontes Senoidais Alguns parâmetros importantes – tensão senoidal • Relação entre frequência e período: 𝑓 = 1 𝑇 27 Fontes Senoidais Algumas operações com funções • Translação 28 Fontes Senoidais Algumas operações com funções • Translação 29 Fontes Senoidais Algumas operações com funções 30 Fontes Senoidais Algumas operações com funções • Mudança de escala 31 Fontes Senoidais Algumas operações com funções • Mudança de frequência 32 Fontes Senoidais Observação • Para qualquer quantidade que não mude com o tempo, é utilizada uma letra maiúscula, como 𝑉 ou 𝐼; • Para expressões que dependem do tempo ou que representem um instante de tempo em particular, é utilizada uma letra minúscula. 33 Fontes Senoidais Observação • Algumas propriedades sen 𝜔𝑡 + 90° = cos 𝜔𝑡 sen 𝜔𝑡 = cos 𝜔𝑡 − 90° sen −𝜔𝑡 = − sen 𝜔𝑡 cos −𝜔𝑡 = cos 𝜔𝑡 34 Fontes Senoidais Velocidade angular • É dada por: 𝜔 = 𝑎𝑛𝑔. 𝑝𝑒𝑟𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑑𝑜(𝑔𝑟𝑎𝑢𝑠 𝑜𝑢 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑜𝑠) 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 = ∆𝜑 ∆𝑡 35 Fontes Senoidais Velocidade angular • Considerando que o período em radianos é 2𝜋, tem-se que: 𝜔 = 2𝜋 𝑇 = 2𝜋𝑓 36 Fontes Senoidais Velocidade angular • Exemplo – Determine a velocidade angular relativa de uma forma de onda senoidal de frequência 60 𝐻𝑧. 𝜔 = 2𝜋𝑓 = 2𝜋60 = 377 𝑟𝑎𝑑/𝑠 37 Fontes Senoidais Velocidade angular 38 Fontes Senoidais Expressão geral – senoide • Para o caso de grandezas elétricas, a expressão geral para tensão e corrente senoidais é dada por: 𝑣 = 𝑉𝑚sen 𝜔𝑡 + 𝜙 − 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜(𝑒𝑚 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠) 𝑖 = 𝐼𝑚sen 𝜔𝑡 + 𝜙 − 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒(𝑒𝑚 𝐴𝑚𝑝è𝑟𝑒𝑠) 39 Fontes Senoidais Expressão geral – senoide • Exemplo: Para 𝑣 = 5sen 𝛼 , determine 𝑣 para 𝛼 = 40° e 𝛼 = 0.8𝜋. Determine 𝑣 para 𝑣 = 311sen 60𝑡 , quando 𝑡 = 16,67𝑚𝑠, 𝑡 = 1𝑠 e 𝑡 = 1𝑚𝑠. Determine o ângulo para o qual o valor da função 𝑣 = 5 sen(377𝑡 + 𝜙) é 4𝑉. 40 Fontes Senoidais Circulo trigonométrico 41 Valor médio e valor eficaz Valor médio – o Valor Médio de uma onda periódica de TENSÃO, CORRENTE E POTÊNCIA (e outras grandezas físicas) está relacionado com a componente contínua desta onda. • Graficamente, o valor médio pode ser representado como “área sob a curva, no intervalo 𝑇, dividido pelo período 𝑇”. 42 Valor médio e valor eficaz Valor médio 43 Valor médio e valor eficaz Valor médio • O valor médio de uma onda senoidal pura é sempre zero! 44 Valor médio e valor eficaz Valor eficaz (ou RMS) • É possível uma resistência dissipar potência ao longo de um ciclo, quando o valor médio de uma corrente alternada for zero? 45 Valor médio e valor eficaz Valor eficaz (ou RMS) • Pelo gráfico da senoide, que o resistor terá que dissipar potência em ambos os sentidos. • Isso ocorre em qualquer instante de tempo. • Por isso é preciso encontrar algum valor efetivo de potência querepresente esse comportamento. 46 Valor médio e valor eficaz Valor eficaz (ou RMS) - O valor eficaz de uma onda periódica de CORRENTE e TENSÃO está relacionado com o calor dissipado em uma resistência. • O valor eficaz representa o valor de uma tensão (ou corrente) contínua que produz a mesma dissipação de potência que a tensão (ou corrente) periódica. 47 Valor médio e valor eficaz Valor eficaz (ou RMS) • O valor eficaz de uma onda senoidal é dada por: 𝑉𝑅𝑀𝑆 = 𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜 2 48 Valor médio e valor eficaz Valor eficaz (ou RMS) • O valor equivalente de uma tensão ou corrente senoidal vale 70,7% (ou RMS): 𝐼𝑐𝑐 = 𝐼𝑒𝑓 = 𝐼𝑟𝑚𝑠 = 𝐼𝑝𝑖𝑐𝑜 2 ≈ 0,707𝐼𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑉𝑐𝑐 = 𝑉𝑒𝑓 = 𝑉𝑟𝑚𝑠 = 𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜 2 ≈ 0,707𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜 49 Valor médio e valor eficaz Valor eficaz (ou RMS) • Exemplo: Uma fonte contínua de 120𝑉 fornece 3,6𝑊 à uma carga. Determine os valores de pico da tensão aplicada (𝐸𝑚) e da corrente (𝐼𝑚) para que uma fonte alternada qualquer forneça a mesma potência a uma carga idêntica. 50 Fasores • Um fasor é um vetor radial que tem um módulo (comprimento) constante e uma extremidade fixa na origem. • É um número complexo que contém informações sobre amplitude e fase de uma função senoidal. • Tem bastante utilidade para descrever regimes permanentes e auxiliar em operações algébricas de soma e multiplicação. 51 Fasores • Qual a diferença de regime transitório e regime permanente? 52 Fasores 53 Fasores • Uma das possibilidades de efetuar a soma de duas senoides distintas 𝑣1 e 𝑣2 seria somar ponto a ponto para encontrar a função resultante 𝑣𝑇 54 Fasores • Considere as seguintes funções senoidais distintas: 𝑣1 = 𝑉𝑚1 sen 𝜔𝑡 ± 𝜃1 𝑣2 = 𝑉𝑚2 sen 𝜔𝑡 ± 𝜃2 • Nota-se que as frequências angulares são as mesmas! • Dessa forma é possível representar: 𝑽1 = 𝑉𝑚1∠𝜃1 𝑽2 = 𝑉𝑚2∠𝜃2 • A adoção dos fasores ajuda a encontrar soluções apenas para o regime permanente! 55 Fontes Senoidais Utilizando o conceito de fasores, 56 Fasores • Por razões práticas, será adotado a seguinte convenção para todos os cálculos: 𝑣1 = 𝑉𝑚1 sen 𝜔𝑡 ± 𝜃1 → 𝑽1 = 𝑉𝑚1 2 ∠𝜃1 • Ou seja, será utilizado os valores RMS na transformação fasorial ao invés do valor de pico! Atenção! 57 Fontes Senoidais Diferença entre circuitos CC e CA 58 Fasores • Soma entre as funções sen 𝜔𝑡 e 2sen 𝜔𝑡 − 90° 59 Fasores • Exemplo – Converta as expressões a seguir do domínio do tempo para o domínio dos fasores: a) 50 2 sen 𝜔𝑡 b) 69,6 sen 𝜔𝑡 + 72° c) 45 cos 𝜔𝑡 • Exemplo – Converta as expressões a seguir do domínio dos fasores para o domínio do tempo (cuidado): a) 10∠30° b) 115 ∠ − 70° 60 Impedância Elétrica • Em circuitos de corrente contínua, a resistência elétrica é a única grandeza que expressa o impedimento a passagem da corrente elétrica; • Em corrente alternada, existem outros efeitos além do resistivo que influenciam a passagem de corrente no circuito. 61 Impedância Elétrica • Por exemplo, a frequência da tensão ou corrente, a indutância quando o circuito contém bobinas, ou a capacitância quando o circuito contém capacitores. • Deste modo, a razão tensão/corrente em um circuito de corrente alternada não depende apenas das resistências elétricas do mesmo. 62 Impedância Elétrica • Por esse motivo, a razão entre tensão e corrente em um circuito de corrente alternada recebe um outro nome: impedância. • A impedância 𝑍 de um circuito elétrico é composta por 3 elementos: 1. Componente resistiva (𝑅 - resistência); 2. Componente capacitiva ( 𝑋𝐶 - reatância capacitiva); 3. Componente indutiva ( 𝑋𝐿 - reatância indutiva); 63 Impedância Elétrica • Dessa forma, a impedância elétrica é dada por: 𝑍 = 𝑅 + 𝑋𝐶 ou 𝑍 = 𝑅 + 𝑋𝐿 • Na prática, em circuitos elétricos, a impedância elétrica equivalente possui características essencialmente indutivas ou essencialmente capacitivas. • Para o caso de 𝑋𝐶 ≈ 0 e 𝑋𝐿 ≈ 0, o circuito é essencialmente resistivo. 64 Impedância Elétrica • O conceito de impedância também pode ser apresentado fazendo uso dos números complexos. • A reatância indutiva é dada por: 𝑋𝐿 = 𝑗𝜔𝐿 = 𝜔𝐿∠90° Em que 𝐿 (em H - Henry)é a indutância do indutor. • A reatância capacitiva é dada por: 𝑋𝐶 = 1 𝑗𝜔𝐶 = −𝑗 1 𝜔𝐶 = 1 𝜔𝐶 ∠ − 90° Em que 𝐶 (em F - Faraday) é a capacitância do capacitor. 65 Impedância Elétrica • A reatância indutiva 𝑋𝐿 é uma oposição à corrente alternada que resulta em uma troca continua de energia entre a fonte e o campo magnético do indutor. • Em outras palavras, a reatância indutiva, ao contrário da resistência (que dissipa energia na forma de calor), não dissipa energia elétrica (caso seja ignorado os efeitos da resistência interna do indutor). 66 Impedância Elétrica • A reatância capacitiva 𝑋𝐶 é uma oposição à corrente alternada que resulta em uma troca continua de energia entre a fonte e o campo elétrico do capacitor. • Em outras palavras, assim como a reatância indutiva, a reatância capacitiva não dissipa energia elétrica (caso seja ignorado os efeitos da resistência interna do capacitor). 67 Resistores, cap. e indutores • O que aconteceria quando uma tensão senoidal for aplicada em um resistor? E em um capacitor ou indutor? • Em outras palavras, qual seria a resposta desses elementos básicos a uma tensão senoidal? 68 Resistores, cap. e indutores • Considere o circuito puramente resistivo em CA abaixo: Resposta a uma tensão senoidal – Indutor 69 Resistores, cap. e indutores • Considerando que 𝑣 = 𝑉𝑚 sen 𝜔𝑡 , pela Lei de Ohm, tem-se que: 𝑣 = 𝑖𝑅 → 𝑉𝑚 sen 𝜔𝑡 = 𝑖𝑅 • Portanto, para a corrente: 𝑖 = 𝑉𝑚 𝑅 sen 𝜔𝑡 = 𝐼𝑚 sen 𝜔𝑡 Em que 𝐼𝑚 = 𝑉𝑚 𝑅 . Resposta a uma tensão senoidal – resistor 70 Resistores, cap. e indutores • Sabendo que 𝑣 = 𝑉𝑚 sen 𝜔𝑡 e 𝑖 = 𝐼𝑚 sen 𝜔𝑡 (pela Lei de Ohm) é dito que, para um circuito puramente resistivo, a tensão e a corrente que o atravessam estão em fase. Resposta a uma tensão senoidal – resistor 71 Resistores, cap. e indutores • É possível resolver a Lei de Ohm no domínio dos fasores, nesse caso: 𝑣 = 𝑉𝑚 sen 𝜔𝑡 → 𝑽 = 𝑉𝑚 2 ∠0° • Então: 𝑽 = 𝑰𝑅 → 𝑉𝑚 2 ∠0° = 𝑰𝑅 𝑰 = 𝑉𝑚 2𝑅 ∠0° Reposta a uma tensão senoidal – resistor 72 Resistores, cap. e indutores • Considere o circuito puramente indutivo em CA abaixo: Resposta a uma tensão senoidal – Indutor 73 Resistores, cap. e indutores • Também utilizando a Lei de Ohm no domínio dos fasores, para um indutor, tem-se que: 𝑣 = 𝑉𝑚 sen 𝜔𝑡 + 90° → 𝑽 = 𝑉𝑚 2 ∠ + 90° • Então: 𝑽 = 𝑰𝑋𝐿 → 𝑉𝑚 2 ∠90° = 𝑰𝜔𝐿∠90° 𝑰 = 𝑉𝑚 2𝜔𝐿 ∠0° Resposta a uma tensão senoidal – Indutor 74 Resistores, cap. e indutores • Sabendo que 𝑽 = 𝑉𝑚 2 ∠ + 90° e 𝑰 = 𝑉𝑚 2𝜔𝐿 ∠0°, é dito que, para um circuito puramente indutivo, a corrente está defasada ou atrasada de 90°, em relação à tensão. Resposta a uma tensão senoidal – Indutor 75 Resistores, cap. e indutores • Para frequências baixas, o indutor pode assumir características de um curto circuito. • Já para frequências muito altas, o indutorpode assumir características de um circuito aberta. Resposta a uma tensão senoidal – Indutor 76 Resistores, cap. e indutores • Considere o circuito puramente capacitivo em CA abaixo: Resposta a uma tensão senoidal – Capacitor 77 Resistores, cap. e indutores • Também utilizando a Lei de Ohm no domínio dos fasores, para um capacitor, tem-se que: 𝑣 = 𝑉𝑚 sen 𝜔𝑡 → 𝑽 = 𝑉𝑚 2 ∠0° • Então: 𝑽 = 𝑰𝑋𝐶 → 𝑉𝑚 2 ∠0° = 𝑰 1 𝜔𝐶 ∠ − 90° 𝑰 = 𝑉𝑚𝜔𝐶 2 ∠ + 90° Resposta a uma tensão senoidal – Capacitor 78 Resistores, cap. e indutores • Sabendo que 𝑽 = 𝑉𝑚 2 ∠0° e 𝑰 = 𝑉𝑚𝜔𝐶 2 ∠ + 90°, é dito que, para um circuito puramente capacitivo, a corrente está adiantada de 90°, em relação à tensão. Resposta a uma tensão senoidal – Capacitor 79 Resistores, cap. e indutores • Para frequências baixas, o capacitor pode assumir características de um circuito aberto. • Já para frequências muito altas, o capacitor pode assumir características de um curto circuito. Resposta a uma tensão senoidal – Capacitor 80 Resistores, cap. e indutores Exemplos • Calcule as expressões para a corrente, sendo o resistor de 10Ω e as tensões dadas nas letras abaixo. Adicionalmente, esboce os gráficos de 𝑣 e 𝑖. a) 𝑣 = sen 377𝑡 b) 𝑣 = sen 377𝑡 + 60° 81 Resistores, cap. e indutores Exemplos Letra a 82 Resistores, cap. e indutores Exemplos Letra b 83 Resistores, cap. e indutores Exemplos • A corrente em um indutor de 0,1𝐻 é dada nas letras a) e b). Determine em cada caso a expressão para a tensão no indutor. Esboce as curvas de 𝑣 e 𝑖. a) 𝑖 = 10 sen 377𝑡 b) 𝑖 = 7 sen 377𝑡 − 70° 84 Resistores, cap. e indutores Exemplos Letra a 85 Resistores, cap. e indutores Exemplos Letra b 86 Resistores, cap. e indutores E qual a potência dissipada pelos indutores e capacitores e resistores? • A potência média associada às tensões e correntes senoidais, em um componente elétrico, é dada por: 𝑃𝑚 = 𝑉𝑚𝐼𝑚 2 cos 𝜃𝑣 − 𝜃𝑖 = 𝑉𝑚𝐼𝑚 2 cos 𝜃 𝑃𝑚 = 𝑉𝑟𝑚𝑠𝐼𝑟𝑚𝑠 cos 𝜃 Em que 𝜃𝑣 e 𝜃𝑖 são as defasagens da tensão e corrente, respectivamente. 87 Resistores, cap. e indutores E qual a potência dissipada pelos indutores e capacitores e resistores? 88 Resistores, cap. e indutores E qual a potência dissipada pelos indutores e capacitores e resistores? • A potência média em resistor é dada por: 𝑃𝑚 = 𝑉𝑚𝐼𝑚 2 cos 𝜃𝑣 − 𝜃𝑖 = 𝑉𝑚𝐼𝑚 2 cos 0° 𝑃𝑚 = 𝑉𝑚𝐼𝑚 2 = 𝑉𝑟𝑚𝑠𝐼𝑟𝑚𝑠 Com 𝑃𝑚 dada em Watts (W). 89 Resistores, cap. e indutores E qual a potência dissipada pelos indutores e capacitores e resistores? • A potência média em indutor é dada por: 𝑃𝑚 = 𝑉𝑚𝐼𝑚 2 cos 𝜃𝑣 − 𝜃𝑖 𝑃𝑚 = 𝑉𝑚𝐼𝑚 2 cos 90° = 0 𝑊 • Ou seja, a potência média dissipada por um indutor ideal é zero. 90 Resistores, cap. e indutores E qual a potência dissipada pelos indutores e capacitores e resistores? • A potência média em capacitor é dada por: 𝑃𝑚 = 𝑉𝑚𝐼𝑚 2 cos 𝜃𝑣 − 𝜃𝑖 𝑃𝑚 = 𝑉𝑚𝐼𝑚 2 cos 90° = 0 𝑊 • Ou seja, a potência média dissipada por um capacitor ideal é zero. 91 Resistores, cap. e indutores E qual a potência dissipada pelos indutores e capacitores e resistores? • Exemplo: 1. Calcule a potência média dissipada em um circuito no qual a corrente e a tensão sejam dadas por 𝑖 = 5 sen 𝜔𝑡 + 40° e 𝑣 = 10 sen 𝜔𝑡 + 40° . 2. Calcule a potência média dissipada em um circuito no qual a corrente e a tensão sejam dadas por 𝑖 = 20 sen 𝜔𝑡 + 40° e 𝑣 = 100 sen 𝜔𝑡 + 70° . 92 Resistores, cap. e indutores • E qual seria a resposta senoidal de um circuito elétrico composto por resistores, capacitores e indutores? 93 Resistores, cap. e indutores • Uma impedância puramente resistiva pode ser representada por um número complexo puramente real. • Uma impedância puramente indutiva e puramente capacitiva pode ser representada por um número complexo puramente imaginário. • E a junção desses elementos em um circuito? Qual a impedância equivalente?
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