Governo do Estado de Mato Grosso do Sul Secretaria de Estado de Educação Centro de Educação Profissional Ezequiel Ferreira Lima APOSTILA

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1 APOSTILA CUSO TÉCNICO EM ELETÔNICA PATE IV - Circuito etificador - Fonte de Tensão - Diodo ener - Dobrador de Tensão - Circuitos Limitadores ou Ceifadores - Cargas em corrente alternada - Impedância - Potência e fator de potência Prof. Marcio Kimpara 2012

2 O CICUITO ETIFICADO A maioria das aplicações e dos equipamentos eletrônicos funciona em tensão contínua. No entanto o que temos disponíveis nas tomadas é tensão alternada. Assim, é preciso CONVETE a tensão alternada em contínua. O circuito que faz essa conversão é composto por diodos e são chamados de retificadores. Os retificadores são classificados em meia-onda e onda-completa. etificador meia onda É o retificador mais simples que existe, e sua aplicação está restrita a baixa potência servindo apenas para uso em pequenas fontes de alimentação, etc. Seu uso é muito restrito devido ao retificador possuir uma tensão média baixa e um alto nível de ondulação na tensão na carga. Este circuito é composto só por um único diodo que conduz somente em um semiciclo da tensão de entrada. Circuito Eletrônico (CAGA) O diodo funciona como uma catraca para os elétrons, permitindo a corrente circular somente em um sentido. No momento em que inicia o semi-ciclo positivo da tensão alternada de entrada, o diodo encontra-se polarizado diretamente. O semi-ciclo completo, não encontrando obstáculos no diodo, é transferido à carga. No momento em que inicia o semi-ciclo negativo da tensão de entrada, o diodo encontra-se polarizado reversamente. A corrente é bloqueada e a tensão na carga é NULA. Toda a tensão fica retida nos terminais do diodo.

3 O nome meia onda deriva do fato de que apenas um dos semiciclos da tensão de entrada é aproveitado. Pode ser o semiciclo positivo ou o negativo, dependendo da posição do diodo. Consideremos a carga a ser alimentada como sendo representada por um resistor. Como a fonte de tensão alternada não tem polaridade definida (um terminal ora é positivo ora é negativo), vamos convencionar que durante o semiciclo positivo o terminal superior da fonte seja o positivo e o terminal inferior seja negativo, como mostra a figura a seguir. Com esta polaridade da fonte de tensão, o diodo fica polarizado diretamente, pois o terminal positivo da fonte está mais próximo do anodo. Neste caso o diodo se comporta como um curto-circuito (diodo ideal) e entra em condução, fazendo com que os terminais da fonte ficam ligados diretamente aos terminais do resistor de carga (L). Isto significa que a tensão nos terminais do resistor será a mesma da fonte, isto é, o semiciclo positivo da tensão da fonte aparecerá nos terminais do resistor de carga, como mostra a figura a seguir. Quando o semiciclo positivo termina, a tensão da fonte entra no semiciclo negativo. Isto provoca uma inversão na polaridade da fonte, isto é, o terminal superior da fonte passa a ser negativo e o inferior positivo. Esta inversão na polaridade da fonte faz com que o diodo seja polarizado reversamente no semiciclo negativo, comportando-se como um circuito aberto (bloqueado). Como o diodo está aberto, não tem corrente circulando pelo resistor. Isto faz com que a tensão em seus terminais seja nula durante todo o semiciclo negativo. O diodo, portanto, deixou passar para o resistor de carga apenas o semiciclo positivo da tensão da fonte, bloqueando o semiciclo negativo.

4 As formas de onda para este tipo de retificador é apresentada a seguir. Os gráficos acima podem ser visualizados com um osciloscópio, mas caso não tenhamos um osciloscópio à mão, temos que usar o multímetro para medir a tensão nos terminais do resistor de carga. Se um multímetro (na opção voltímetro CC) for ligado nos terminais do resistor de carga, ele vai medir a tensão média, que nada mais é do que a média dos valores instantâneos de tensão em cada ciclo. A fórmula a seguir pode ser usada para calcular a tensão média na carga. Onde: V retif. Vp V retif. = tensão média contínua V p = valor de pico da tensão alternada π = pi (3,14)

5 etificador onda completa Como dito anteriormente o retificar meia onda é de uso limitado devido a alta ondulação de tensão. Veremos a seguir o retificador de onda completa, cujo nome se deve ao aproveitamento dos dois ciclos da tensão alternada de entrada. O retificador de onda completa é obtido utilizando-se um transformador com derivação (tap) central ou através de uma ponte de diodos, conhecida como ponte de Graetz. etificador de onda completa com transformador de tap central Num transformador com tap central, a polaridade dos terminais para o semi-ciclo positivo da tensão alternada de entrada fica como na figura abaixo. No semi-ciclo negativo, as polaridades se invertem. Podemos então, utilizando dois diodos, montar o seguinte circuito: inferior. Durante o semiciclo positivo, D1 conduz fazendo com que toda a tensão do enrolamento superior apareça em cima do resistor de carga L. Durante o semiciclo negativo da tensão de entrada D2 conduz fazendo com que apareça no resistor de carga toda a tensão do enrolamento SEMI-CICLO POSITIVO

6 SEMI-CICLO NEGATIVO Note que apesar da inversão da polaridade da fonte de entrada e da polaridade no enrolamento do secundário, o sentido de circulação da corrente na carga ( L ) é o mesmo o que define uma polaridade fixa na tensão de carga. As formas de onda para este tipo de retificador são mostradas as seguir.

7 etificador de onda completa em ponte de diodos O retificador de onda completa apresentado anteriormente depende que o transformador tenha necessariamente um tap central. Já o retificador de onda completa em ponte utiliza quatro diodos e não necessita de transformador com derivação central. Como o circuito também é um retificador de onda completa, os dois ciclos de tensão de entrada são aproveitados. O retificador de onda completa em ponte é montado como a seguir. SEMI-CICLO POSITIVO Com a polaridade da tensão no enrolamento secundário mostrada acima o ponto de maior potencial está mais próxima do anodo de D1 e a polaridade negativa mais próxima do catodo de D3, ambos estão polarizados diretamente. Observe ainda que a polaridade positiva da tensão no enrolamento secundário está mais próxima do catodo de D4 e a polaridade negativa está mais próxima do anodo de D2, fazendo com que ambos, neste semiciclo, fiquem polarizados reversamente. epresentando os diodos como chaves (diodo ideal) temos que D1 e D3 estão fechados (polarização direta) e D2 e D4 estão abertos (polarização reversa). A condução de D1 e D3 faz com que os terminais do resistor de carga sejam ligados diretamente aos terminais do enrolamento secundário, fazendo com que todo o semiciclo positivo de tensão no secundário seja aplicado aos terminais do resistor de carga com a polaridade mostrada.

8 SEMI-CICLO NEGATIVO No semiciclo negativo da tensão de entrada as polaridades das tensões nos enrolamentos primário e secundário se invertem fazendo com que D1 e D3 fiquem polarizados reversamente e D2 e D4 diretamente, como mostra a figura acima. Com D2 e D4 em condução, toda a tensão do enrolamento secundário aparece nos terminais da carga. Observe que a polaridade da tensão em L é igual à polaridade da tensão durante o semiciclo positivo. Por isso, aparece o semiciclo positivo se repete em L. A DESVANTAGEM em relação ao retificador com transformador de tap central é que este tipo de circuito utiliza dois diodos a mais (aumenta o custo e espaço na placa). Além disso, se lembrarmos de que cada diodo provoca uma queda de tensão direta, um circuito contendo 2 diodos por semi-ciclo provocará uma queda de tensão maior. Porém, o retificador em ponte tem a VANTAGEM de não precisar de um transformador com tap central. O valor da tensão retificada média para o retificador onda completa (tanto com transformador com tap central ou com ponte de diodos) é maior que no retificador de meia onda. A fórmula seguir pode ser utilizada para calcular esse valor médio da tensão na carga. Onde: V retif. V 2 p V retif. = tensão média contínua V p = valor de pico da tensão na carga π = pi (3,14) * Como era de se esperar, a tensão média no retificador de onda completa é o dobro da tensão média no retificador de meia onda.

9 CICUITOS INTEGADOS (C.I) Os retificadores em ponte são bastante comuns e diversos fabricantes lançaram modelos de retificadores em ponte montados em um encapsulamento de plástico selado, ou seja, um CI retificador. Cada diodo que compõe a ponte possui uma corrente direta máxima e uma tensão de pico inversa máxima que é especificado pelo fabricante quando a ponte é fabricada. A seguir estão alguns exemplos de circuitos retificadores encontrados no mercado. FILTO CAPACITIVO Como foi observado tanto no retificador de meia onda quanto nos dois tipos de retificadores de onda completa, a tensão de saída foi ETIFICADA (transformada de alternada para contínua), mas não apresenta um valor constante, ou seja, possui uma grande ondulação. Meia Onda Onda Completa Como a forma ideal da tensão contínua é que ela apresente um valor constante, devemos melhorar a tensão de saída do retificador, pois como mostram as figuras acima a tensão retificada é pulsante. Para isto, podemos utilizar um capacitor, já que, conforme estudado anteriormente, este componente pode armazenar energia em um determinado instante e devolvê-la em outro. Assim, podemos colocar um capacitor em PAALELO com a saída do retificador (antes da carga) de modo que nos instantes em que a tensão atinge o valor de pico o capacitor seja carregado e nos instantes em que a tensão ira para zero, o capacitor segure o nível da tensão descarregando a energia armazenada. Com a adição do capacitor, a ondulação da tensão de saída é reduzida significadamente nos dois casos. A figura a seguir ilustra o efeito do capacitor nos retificadores.

10 CALCULO DA CAPACITÂNCIA DO CAPACITO Como estudado anteriormente o valor da capacitância representa a capacidade do capacitor armazenar energia, portanto, quanto maior a capacitância, menor será a ondulação de tensão. Desta forma, existe um valor de capacitância que devemos calcular de acordo com a ondulação máxima que desejamos (ou seja, que o circuito a ser conectado permite). C T I V máx ond onde: V ond Diferença entre V máx (tensão de pico do secundário) e V mín desejado I máx Corrente máxima na carga T Período aproximado da descarga do capacitor C = Valor da capacitância do filtro * De maneira simplificada pode-se utilizar: T = 8,33ms retificador de onda completa T = 16.66ms retificador de meia onda

11 Com o capacitor a tensão média retificada aumenta devido a ausência de grandes ondulações. Abaixo temos o efeito num um retificador de meia onda. INFLUÊNCIA DO CAPACITO O valor da capacitância irá interferir na ondulação da tensão de saída, quanto maior a capacitância, maior a capacidade de armazenar energia e, portanto, mais retilínea (estabilizada) será a tensão de saída. Forma de onda na carga sem filtro capacitivo Forma de onda com filtro de 47 uf

12 Forma de onda com filtro de 470 uf Forma de onda com filtro de 1000 uf FONTES DE TENSÃO Como já mencionado, a maioria dos equipamentos eletrônicos são alimentados com tensão contínua, normalmente de 3V a 30V. Para transformar a tensão alternada disponível nas tomadas comuns em tensão contínua, temos que utilizar um circuito normalmente conhecido como conversor CA-CC, mais comumente chamado de fonte de alimentação. A seguir é apresentado o diagrama em blocos de uma fonte de alimentação completa. BLOCO 1 - Transformador: Sua função é reduzir o nível de tensão disponível nas tomadas (127V ou 220V) para níveis compatíveis com os equipamentos eletrônicos.

13 BLOCO 2 - etificador: Transforma tensão alternada (CA) em tensão contínua (CC) pulsante. BLOCO 3 - Filtro: Converte a tensão contínua pulsante vinda do retificador em contínua com menor ondulação. BLOCO 4 - Estabilizador: Tem a função de transformar a tensão contínua com ondulação em tensão contínua pura, ideal para equipamentos eletrônicos. Já estudamos o transformador, os circuitos retificadores e o filtro capacitivo. Nosso próximo estudo aborda o bloco estabilizador. Na prática podemos estabilizar a tensão de saída utilizando um tipo especial de diodo, o diodo ener. Outra opção seria utilizar um componente denominado regulador de tensão, um CI contendo um circuito interno que regula (estabiliza) o nível de tensão. Nosso próximo tópico será o diodo ener. Deixaremos os reguladores de tensão para mais adiante. DIODOS ESPECIAIS O DIODO ENE O diodo zener é um diodo construído especialmente para trabalhar POLAIADO EVESAMENTE, conduzindo na região de ruptura. O diodo zener quando polarizado diretamente funciona como um diodo comum, mas ao contrário de um diodo convencional, quando opera reversamente polarizado garante uma tensão constante independente da corrente requisitada pela carga do circuito (dentro de certos limites). Abaixo segue a curva de operação do diodo ener, semelhante à do diodo comum, mas fabricado para operar em outra região. Assim como o diodo comum (utilizado nos retificadores) o diodo zener também é constituído por uma junção PN de material semicondutor (silício ou germânio) e por dois terminais, o ânodo (A) e o cátodo (k). Prof. Marcio Kimpara Página 13

14 Entretanto para operar nas condições zener, ou seja, na região de ruptura, quando reversamente polarizado, o zener é fabricado com dopagem diferente. O díodo zener quando polarizado inversamente (ânodo a um potencial negativo em relação ao cátodo) permite manter uma TENSÃO CONSTANTE aos seus terminais (V ) sendo por isso muito utilizado na estabilização/regulação da tensão nos circuitos. z Fonte Não egulada Tensão egulada O diodo zener é colocado em PAALELO com a saída da fonte e com o cátodo no terminal positivo (reversamente polarizado) Deve existir SEMPE um resistor para limitar a corrente na tensão de ruptura do diodo zener, caso contrário, o zener queimaria por excesso de corrente. * Importante Para que o diodo zener estabilize a tensão nos seus terminais deve-se ter as seguintes condições: 1) O diodo zener tem que se encontrar polarizado reversamente (A e K +). 2) A tensão que chega no ponto em que o zener está conectado tem que ser superior à tensão de zener (Vz) do diodo. 3) O resistor z precisa ser calculado cuidadosamente para que tenha resistência suficiente para limitar a corrente no zener abaixo do valor máximo que o componente suporta e para que ao mesmo tempo não provoque uma queda de tensão muito grande, pois como dito no item 2 acima, a tensão que chega no zener tem que ser maior que a tensão Vz do diodo. Prof. Marcio Kimpara Página 14

15 DIODO ENE NA PÁTICA Os diodos zener podem ser encontrados numa vasta variedade de tensões de operação, as quais estão associadas as tensões de ruptura. Comercialmente, podemos encontrar diodos zener, como reguladores de tensão, na faixa de 1,8V a 200V. Variando-se o nível de dopagem dos díodos de silício, o fabricante pode produzir díodos zener com diferentes tensões de zener. A utilização do díodo zener é limitada pelos seguintes parâmetros: V z Tensão de zener I zmáx Corrente de zener máxima P máx Potência de dissipação (P máx = V x I máx ) Desde que a potência máxima não seja ultrapassada, o díodo zener pode trabalhar dentro da zona de ruptura sem ser destruído. Assim como nos diodos comuns, o fabricante também identifica os diodos zeners através de uma numeração impressa no corpo do componente. Através deste código as características do diodo zener devem ser buscadas na folha de dados (datasheet) do fabricante. NOTA: alguns zeners apresentam, pelo menos, o valor da tensão de ruptura impressa no componente. Alguns diodos zeners são fáceis de identificar numa placa porque são fabricados com corpo de vidro e muitas vezes em cores diferentes: vermelho, azul, amarelo; mas isso não é regra, existem diodos zeners na cor preta, semelhante ao diodo comum. CÁLCULO DO ESISTO z Condições para funcionamento do zener: 1) V > Vz Vz dado pelo fabricante 2) Iz < Izmax Izmax dado pelo fabricante z Fonte Não egulada V Iz Prof. Marcio Kimpara Página 15

16 Tensão de entrada (E) e carga () constantes Este é o caso mais simples que utiliza diodo zener. Na figura abaixo, a tensão aplicada é constante, assim como o resistor de carga. Neste caso, fazer o grampeamento de tensão com diodo zener implica inicialmente em na escolha do diodo zener e no cálculo correto da resistência z. 1º PASSO: emover o diodo zener do circuito e calcular a tensão V no circuito abaixo: A tensão no ponto V é igual a tensão da fonte menos a perda no resistor z: E V V (equação 1) Como a tensão V está em paralelo com a carga, temos também que: V V (equação 2) V. i Aplicando a segunda lei de kirchhoff na malha: E V V 0 E i i 0 E i 0 i E (equação 3) Como a tensão V é igual a tensão na carga (ver equação 2), podemos escrever: V i V E (equação 4) Prof. Marcio Kimpara Página 16

17 Como a condição para o funcionamento do diodo zener exige que a tensão V seja maior que a tensão Vz (Vz é a tensão do zener escolhido) V V E V (equação 5) Como a variável de que queremos descobrir é, podemos isolá-la na equação acima: E V E V E V (equação 6) Podemos parar a equação aqui, pois já temos isolado, ou seja, temos um valor de máximo para garante que todo o lado esquerdo da equação acima seja maior que. Se colocarmos um valor de muito grande, a condição de que a tensão V seja maior que V não será mais verdadeira. Podemos modificar o lado esquerdo da equação 6 se fizermos o cálculo da subtração. Para isso lembre-se de que temos uma fração subtraindo um número inteiro (), logo temos que achar o mínimo multiplo comum (MMC) e efetuar os cálculos. Como o único denominador que temos é V, ele próprio será o mínimo múltiplo comum (MMC): E V V V E V V E V V Como o diodo zener possui uma capacidade máxima de corrente, temos uma segunda restrição: I I máx Portando o valor do resistor não pode ser muito pequeno, pois caso contrário, a corrente passando pelo zener seria muito elevada a ponto de queimá-lo. Vamos então calcular a corrente que passa pelo diodo zener, quando ele está em funcionamento, lembre-se que a corrente dada pelo fabricante é a corrente máxima Prof. Marcio Kimpara Página 17

18 suportada pelo componente, mas isso não significa que essa é a corrente que esteja passando por ele. Com o diodo zener em funcionamento, a tensão na carga estará estabilizada no valor V. Portanto, a corrente na carga (ICAGA) pode ser calculado pela lei de OHM, ou seja, V icaga Para calcular a corrente total da fonte, utilizamos a primeira malha do circuito, onde aplicando a segunda lei de kirchhoff, temos: E V V 0 E V E V i T V E V i T Agora para calcular o valor da corrente passando pelo diodo zener, podemos aplicar a primeira lei de kirchhoff no nó A, pois sabemos que: i T i i (a corrente que chega é igual a soma das correntes que saem) CAGA Isolando i z na equação acima, e substituindo os valores de i T e i CAGA obtidos anteriormente: i i i i T E V CAGA V Portanto esse é o valor da corrente passando pelo zener. Assim, a restrição de corrente máxima estabelece que: i i E V máx V i máx Observe que, como esperado, a corrente do zener depende do valor da resistência z, e assim, devemos calcular um valor para z que garante a condição acima. Prof. Marcio Kimpara Página 18

19 Se isolarmos z na equação acima, vamos determinar um valor mínimo para z que satisfaça a restrição. (lembre-se de que quanto menor a resistênca, maior a corrente, então dentre os valores possíveis para z, temos um valor mínimo que podemos utilizar para que a corrente não cresça muito e queime o zener). E V E V E V V i E V V imáx máx i i máx V máx V Portanto, valor de z não pode ser menor que o valor obtido do lado esquerdo da equação acima. ESUMINDO Juntando as duas condições, teremos uma faixa (um intervalo) de valores de resistências que podem ser utilizadas dependendo das condições do circuito, ou seja, depende da fonte E, da carga () e do valor de Vz. Cálculo do resistor limitador: E V V. E V V I máx EXEMPLO Dado uma carga no valor de 330Ω e uma fonte de tensão E = 20V, inserir um diodo zener para que a tensão na carga seja de 15V. esposta: Se a tensão na carga precisa ser de 15V, obrigatoriamente o diodo zener deverá ser de 15V (pois o zener é inserido em paralelo com a carga). Entretanto sempre que inserirmos um diodo zener temos que colocar um resistor limitador. Considerando que o diodo escolhido seja o 1N965B, pelo datasheet do fabricante temos que: V = 15V e I máx = 25mA. Assim, podemos calcular o valor de aplicando a formula diretamente: Prof. Marcio Kimpara Página 19

20 E V E V. V V I máx , Portanto, qualquer valor de resistor entre 110Ω e 71Ω garante o funcionamento correto do circuito. Podemos fazer uma média e pegar o valor central: ,5 2 Neste caso, o valor comercial mais próximo é 91Ω. Tensão de entrada (E) variável e carga () constante Imagine agora que a tensão de entrada não é constante, ou seja, apresenta oscilação (como a saída de um retificador por exemplo). Qual o valor máximo e mínimo que pode ser aplicado? Para valores fixo de carga, a tensão de entrada E deve ser suficientemente grande para ligar o diodo zener. A tensão mínima que liga o diodo é determinada por: E mín V Já o valor máximo da fonte de entrada é limitado pela corrente máxima do zener, pois se um valor grande de tensão for aplicado, a corrente que se estabelecerá também será grande. A corrente total é a soma de Iz e icarga. Como a corrente de carga é constante e a corrente total será máxima quando Iz for máximo. Como Izmáx é obtido do fabricante: Prof. Marcio Kimpara Página 20

21 i i i T i Tmáx Tmáx i i i máx máx CAGA i V CAGA E máx i Tmáx V ESUMINDO: Definido o resistor zener, os valores limites máximo e mínimo da fonte de entrada que garante o funcionamento do circuito são dados por: E E mín máx i Tmáx V V i Tmáx i máx V A fórmula acima foi para o caso de, definido o resistor z calcularmos o máximo e mínimo de tensão que poderíamos aplicar com este resistor conectado. Porém na maioria das vezes, já sabemos quais são os limites máximo e mínimo da tensão de entrada e precisamos calcular o valor do resistor zener. Nestes casos, podemos aplicar as fórmulas acima, tendo como variável o resistor z ou então aplicar a fórmula do primeiro caso duas vezes, primeiro com a tensão mínima e depois com a tensão máxima. Veja o exemplo abaixo. EXEMPLO Considere o circuito abaixo onde a fonte de alimentação varia de um valor mínimo de 23,67V a 36,87V. Precisamos calcular um resitor zener para ser conectado em conjunto com um diodo zener para estabilizar a tensão em 20V. Para a tensão mínima: Prof. Marcio Kimpara Página 21

22 E V E V. V V I máx 23, , , ,2 47,91 Para a tensão máxima: E V E V. V V I máx 36, , , ,2 220,2 Neste caso o único resistor que atende às duas condições é o resistor de 220Ω. Tensão de entrada (E) fixa e carga () variável Uma vez definido o resistor zener (z) não é qualquer valor de carga que pode ser conectada em paralelo com o zener. Devido à tensão Vz, há uma faixa específica de valores de resistor (e, portanto, de corrente de carga) que garantirá o estado ligado (funcionamento) do diodo zener. Uma resitência de carga muito pequena resultará numa tensão V através do resistor de carga menor que Vz e o zener estará no estado desligado. O valor da carga mínima que pode ser conectada sem correr o risco de desligar o diodo zener é dado por: Prof. Marcio Kimpara Página 22

23 mín V E V Existe também uma valor máximo de carga que pode ser conectada. Imaginemos que enquanto o zener está funcionando, a tensão no resistor zener ( ) permanece constante, pois aplicando kirchhoff na primeira malha do circuito, temos: E V V 0 Se a tensão de entrada for constante e como Vz também é constante, V permanece constante. Logo, corrente que passa por z (que é a corrente total) também é constante, no valor de: V it Nosso objetivo é calcular a resistência de CAGA máxima. Quando essa resistência for máxima, teremos a corrente de carga mínima (quanto maior a resistência, menor a corrente) e como a corrente total (i T ) é constante, a corrente no zener será máxima, já que: i i i T CAGA Iz é máximo quando i carga é mínimo, já que i T permanece constante. Mas Iz é limitado por um valor máximo dado pelo fabricante. Então temos um valor de i carga mínimo permitido, ou seja, temos um resistor de carga máximo: V máx icaga_ min it imáx icaga_ min ESUMINDO: Definido o ener e o resistor zener, existe um limite mínimo e máximo para a carga conectada na saída do zener. Esses limites são dados por: mín V E V V máx icaga_ min it imáx icaga_ min Prof. Marcio Kimpara Página 23

24 EXEMPLO Qual o valor de carga que pode ser conectada ao circuito abaixo? i i i T min máx V E V i CAGA _ mín V CAGA _ mín i i ,04A ,04 0,032 0,008 A CAGA _ mín máx T máx V i 0,008 CAGA_ mín DOBADO DE TENSÃO Um circuito retificador apresenta a desvantagem de fornecer um valor de tensão máximo limitado ao valor de pico da tensão CA aplicada à sua entrada. Com a adição de capacitores, que são dispositivos de armazenamento de energia, e de um número maior de diodos, é possível obter um circuito multiplicador de tensão, ou seja, um circuito que fornece uma tensão contínua a partir de tensão alternada, com um valor duas ou mais vezes maior que o valor de pico alternada. A figura abaixo mostra um circuito conhecido como dobrador de tensão. Este circuito é construído a partir de dois retificadores de meia-onda em conjunto com dois capacitores para proporcionar um valor de tensão combinado. Em um semi-ciclo da tensão senoidal de entrada, o diodo D1 está polarizado diretamente, conduzindo a corrente, e o diodo D2 está polarizado reversamente, bloqueando a passagem da corrente elétrica. Consequentemente, o capacitor C1 será carregado com a polaridade mostrada e no valor de pico da tensão alternada. No semi-ciclo oposto, ocorre o contrário: diodo D1 polarizado reversamente, bloqueando, e diodo D2 polarizado diretamente, conduzindo. Prof. Marcio Kimpara Página 24

25 Assim, o capacitor C2 é que é carregado com polaridade como na mostrado na figura e também com o valor de pico da tensão alternada. Note que se ligarmos um circuito através dos dois fios das extremidades, teremos a soma das tensões nos capacitores e, portanto, duas vezes a tensão de pico da entrada. CICUITOS LIMITADOES (CEIFADOES) São circuitos que alteram a forma de onda do sinal original, obtendo-se um sinal de amplitude limitada. Os circuitos limitadores de tensão são implementados com diodos, resistores, fontes de tensão e diodos zeners. O circuito limitador pode estar entre a entrada e a saída (limitador série) ou em paralelo com a entrada e a saída (limitador paralelo). Prof. Marcio Kimpara Página 25

26 Os circuitos limitadores podem atuar no semiciclo positivo, negativo ou em ambos. Os circuitos limitadores podem ser polarizados através de uma tensão de referência (fonte de tensão ou diodo zener) que determinam o valor limite do sinal de saída. Exemplos 1) Limitador série positivo (utilizando diodo ideal) 2) Limitador paralelo negativo (utilizando diodo ideal) 3) Limitador paralelo polarizado (positivo) Prof. Marcio Kimpara Página 26

27 4) Limitador paralelo duplo utilizando diodos zeners TIPOS DE CAGAS EM COENTE ALTENADA Até o momento foi estudado o comportamento dos resistores, dos capacitores e dos indutores em circuitos de corrente contínua. Agora veremos como se comportam estes componentes quando percorridos por corrente alternada. Cargas esistivas Antes de tudo lembre-se que um resistor se opõe à passagem de corrente, ou seja, é um limitador de corrente elétrica. Num circuito de corrente alternada o resistor tem a mesma reação do que num circuito de corrente contínua. Quando existe uma tensão alternada, surgirá uma corrente elétrica que também será alternada, e se existir apenas resistores ligados neste circuito, a corrente terá a mesma forma de onda da tensão, porém com amplitude menor, já que a LEI DE OHM continua valendo, ou seja, I = V/ (a corrente I é limitada pela resistência). Observando a figura abaixo, dizemos que a corrente elétrica está em FASE com a tensão. Isso significa que graficamente cruzam o zero no mesmo instante. Tensão Corrente Uma carga resistiva mantém a corrente em fase com a tensão Cargas Indutivas As cargas indutivas circuitos contendo bobinas (indutâncias) como é o caso de motores, transformadores, reatores, dentre outras. A carga puramente indutiva produz uma reação Prof. Marcio Kimpara Página 27

28 na corrente elétrica como LIMITAÇÃO de seu valor e ainda provoca um ATASO de 90 graus em relação à tensão. Essa reação é denominada reatância indutiva. O valor da reatância indutiva é definido como: X L 2.. f. L sendo: X L = reatância indutiva em Ω π = 3, (pi) f = frequência da tensão de alimentação em Hz L = indutância em Henry (H) O gráfico abaixo representa o efeito de uma reatância indutiva no circuito: limitação da corrente e defasamento angular. Tensão Corrente Uma carga puramente indutiva ATASA a corrente em 90 em relação à tensão Cargas Capacitivas As cargas capacitivas são aquelas que quando alimentadas por tensão alternada armazenam energia sob a forma de campo elétrico, como é o caso dos filtros. A carga puramente capacitiva produz, além da LIMITAÇÃO da corrente elétrica, ainda ADIANTA a corrente de 90 graus em relação a tensão. Esta reação na corrente do circuito é provocada pela reatância capacitiva. O valor da reatância capacitiva é definido como: X 1 C 2.. f. C sendo: X C = reatância capacitiva em Ω π = 3, (pi) Prof. Marcio Kimpara Página 28

29 f = frequência da tensão de alimentação em Hz C = capacitância em Faraday (F) O gráfico abaixo representa o efeito da reatância capacitiva no circuito: limitação da corrente e defasamento angular. Tensão Corrente Uma carga capacitiva ADIANTA em 90 a corrente em relação à tensão IMPEDÂNCIA () Impedância é a medida da capacidade de um circuito de resistir ao fluxo de corrente elétrica quando se aplica uma certa voltagem através dos seus terminais. A impedância é um número complexo, onde a parte EAL é composta pela ESISTÊNCIA e a parte IMAGINÁIA é composta pela EATÂNCIA. X. j ( X L X C ). j Para circuitos contendo reatâncias capacitivas e indutivas. Lembrando que na ausência de qualquer um dos valores acima (resistor, X L, X C ), basta substituir por EO na equação acima. NOTA: Em circuitos elétricos utilizamos a letra j no lugar da letra i para representar a parte imaginária do número complexo. Fazemos isso apenas para evitar confusão, pois a letra i já é utilizada para a corrente elétrica. CÁLCULO DA POTÊNCIA A potência é dada pela multiplicação da tensão pela corrente. No circuito de corrente alternada o cálculo não é diferente, apenas a unidade será diferente. Isso se deve ao fato de que devido a presença de indutores e/ou capacitores a corrente e a tensão estarão defasadas, conforme vimos acima. É importante lembrar que um circuito dificilmente Prof. Marcio Kimpara Página 29

30 será puramente indutivo ou puramente capacitivo, normalmente temos ambos os elementos e a reatância será um valor equivalente. Consequentemente o ângulo de defasagem não será exatamente 90º, mas sim um valor intermediário, podendo ser positivo ou negativo (depende de qual reatância prevalece: indutiva ou capacitiva). A potência em corrente alternada é dada por: Onde: S Potência Aparente V Tensão em Volts I Corrente elétrica em Ampere S V. I * A unidade da potência aparente é o Volt-Ampere (VA) * Lembre-se que a corrente será um número complexo (módulo e ângulo) * A tensão também é um número complexo, mas SEMPE utilizaremos em nosso curso a tensão como referência, portanto o ângulo da tensão será EO. Potência consumida pelas cargas Uma carga resistiva funciona como um dissipador de energia (transforma em calor), consumindo toda a energia fornecida pela rede elétrica. A potência útil dissipada por uma carga resistiva é dada pelo valor médio do produto da tensão e da corrente, ou seja, o valor médio da potência aparente. Graficamente, como a resistência NÃO defasa a corrente, se observa na figura abaixo que toda a potência fornecida pela fonte é dissipada na forma de calor, ou em outras palavras, a área sob a curva do produto tensão corrente é SEMPE POSITIVA, indicando que a carga está consumindo energia. Tensão Corrente Potência Já uma carga puramente indutiva não realiza trabalho, ou seja, durante meio ciclo da tensão da fonte, o indutor armazena energia sob a forma de campo eletromagnético e durante o segundo meio ciclo da tensão ele devolve a energia para a fonte. Observe a figura abaixo. Prof. Marcio Kimpara Página 30

31 Tensão Corrente Potência De modo similar, uma carga puramente capacitiva também não realiza trabalho, ou seja, durante meio ciclo da tensão da fonte, o capacitor armazena energia sob a forma de campo elétrico e durante o segundo meio ciclo da tensão ele devolve a energia para a fonte. A energia que é dissipada (transformada em calor) por um resistor não volta para a fonte. Desta forma dizemos que foi realizado um trabalho (uma conversão de energia elétrica para térmica) e portanto a carga consumiu uma potência ATIVA. Já as cargas indutivas e capacitivas apenas utilizam a energia da fonte para funcionarem, mas depois devolve à fonte. Desta forma, não temos trabalho e o tipo de potência fornecida pela fonte para este tipo de carga é chamada de EATIVA. As unidades são: Potência ATIVA: Watts (W) Potência EATIVA: Volt-Ampère reativo (Var) Tensão Corrente Potência ESUMO: Cargas resistivas consomem apenas potência ativa (P) Cargas puramente indutivas ou puramente capacitivas consomem/fornecem potência reativa (Q) Cargas mistas (C, L, LC) consomem potência aparente, ou seja, uma parcela ativa e uma parcela reativa. (S = P + Q.j) Apesar da potência (energia) reativa não realizar trabalho, essa forma de energia é fundamental para o funcionamento de indutores e capacitores. Prof. Marcio Kimpara Página 31

32 O FATO DE POTÊNCIA O fator de potência é um parâmetro que mede a eficiência do circuito elétrico. Em outras palavras especifica o quanto de potência ATIVA (que é a que realiza trabalho) está sendo consumida do total da potência fornecida (Potência Aparente). fp cos θ é o ângulo de defasagem da corrente em relação à tensão P ou fp P é o valor da potência ativa e S o valor (módulo) da potência S aparente. Prof. Marcio Kimpara Página 32

33 EFEÊNCIAS - Texto e figuras de elaboração própria - Texto e figuras retirados de outros materiais/apostilas disponíveis na internet - Livros e artigos relacionados - Blogs, datasheets, fóruns Prof. Marcio Kimpara Página 33

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