CORRENTE CONTÍNUA E CORRENTE ALTERNADA

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1 CORRENTE CONTÍNUA E CORRENTE ALTERNADA Existem dois tipos de corrente elétrica: Corrente Contínua (CC) e Corrente Alternada (CA). A corrente contínua tem a característica de ser constante no tempo, com o seu valor bem definido e circulando sempre pelo mesmo sentido em um condutor elétrico. A corrente alternada possui a característica de ser variante no tempo, alternando o sentido pelo qual atravessa um condutor. Pelo fato de ser alternada, possui algumas características como frequência, amplitude e fase. A corrente alternada é utilizada em inúmeras aplicações, principalmente em sistemas de grandes potências, indústrias e máquinas elétricas. Em geral, os motores elétricos que equipamos eletrodomésticos como batedeiras, geladeiras e máquinas de lavar utilizam CA. A corrente contínua tem uma faixa de utilização ainda muito maior, pois todos os sistemas eletrônicos como computadores, rádios, telefones, etc. funcionam com CC. A CC é o tipo de corrente gerada por todos os tipos de pilhas e baterias, sem exceções. Nas usinas de geração de energia (hidroelétricas, termoelétricas e nucleares) são utilizados geradores do tipo CA. Quase todas as redes de transmissão e distribuição de energia elétrica em todo o mundo são do tipo CA, sendo valores típicos de tensão eficaz de 127 VRMS e 220 VRMS, com frequência de 60 Hz, em outros países, como no Paraguai, o valor da frequência é de 50 Hz. Todos os circuitos eletrônicos precisam uma fonte de energia elétrica para os alimentar. Em geral, esta fonte de energia é uma fonte de tensão CC. Para sistemas portáteis, baterias podem ser utilizadas. Porém, mais frequentemente, os circuitos precisam ser alimentados a partir da rede energia CA local disponível. Para estes casos, deve existir uma parte do equipamento que converte a forma de onda alternada da rede energia do tipo CC. VALOR EFICAZ Como foi mencionando anteriormente, a energia elétrica que é distribuída aos usuários domésticos e indústrias nas cidades é alternada. Isto significa que num instante de tempo ela é positiva e em outro instante ela é negativa e seus valores máximos (pico) atingem valores maiores que o valor nominal. Por exemplo: Uma rede de energia elétrica com 220 VRMS tem o seu valor de pico em 311 Volts. O valor considerado para estes casos é o valor RMS (Root Mean Square - Valor Médio Quadrático) ou eficaz. Este é o valor que realmente é capaz de executar trabalho. O valor eficaz de qualquer corrente periódica é igual ao valor da corrente contínua que, passando por uma resistência R, entrega a mesma potência a R que a corrente periódica. Para uma forma de onda senoidal a relação entre tensão (VRMS) e valor máximo da tensão (VM); corrente e valor máximo da corrente (IM) são dadas pelas equações abaixo.

2 A figura acima mostra o gráfico da variação da amplitude no tempo das duas formas de onda disponíveis no Rio Grande do Sul, sendo a primeira de 127 VRSM e a segunda de 220 VRMS. A linha tracejada mostra o valor RMS e linha cheia mostra o valor instantâneo da amplitude. SINAIS ELÉTRICOS CC - CA (ONDAS) Denomina-se sinal a variável elétrica que contém informação. Essa característica diferencia um sinal das demais variáveis físicas consideradas em um circuito. A informação é introduzida num sinal ou dele extraída por meio de um sistema denominado codificação. O conjunto de regras de interpretação de um sinal chama-se código. Os sinais empregados em eletrônica dividem-se em três grupos: periódicos, cuja forma se repete a intervalos determinados de tempo; analógicos, se variam em função do tempo sem seguir uma regra determinada; e digitais, quando assumem valores discretos a cada momento, sem apresentar valores intermediários. O sinal elétrico é caracterizado pela intensidade, sentido e formato da corrente elétrica. O ouvido humano percebe sinais entre 20 Hz e 20 KHz, faixa esta conhecida como AF (áudio frequência). Acima de 20 KHz temos sinais RF (rádio frequência), que não são percebidos pelo ouvido humano. A classificação AF/RF, embora esteja relacionada a ondas sonoras e audição humana, também se aplica a sinais elétricos, classificando-os conforme as respectivas frequências. Um dos parâmetros mais importantes usados na eletrônica é a frequência dos sinais, que é uma função do tempo. Se o sinal é periódico, chama-se frequência o número de vezes que ele se repete em um tempo determinado. Os elementos condutores de freqüência vão dos fios comuns e dos cabos coaxiais, que diminuem as perdas, até os guias de onda, próprios de frequências muito altas do transmissor à antena, ou desta ao receptor. Esses guias podem apresentar formas distintas, sendo as mais comuns as de seções

3 circular e retangular. A seguir veremos algumas formas de sinais existentes e suas principais aplicações. FORMAS DE SINAIS É a representação gráfica da forma com que uma onda evolui ao longo do tempo. Normalmente os fenômenos ondulatórios, tais como o som ou ondas eletromagnéticas obedecem a funções matemáticas periódicas. Para cada função, a evolução da amplitude da onda ao longo do tempo é diferente e define uma forma de onda diferente. Esta característica das ondas é importante principalmente para a determinação do timbre de um som ou para aplicações de modulação. Onda senoidal A onda senoidal ou sinusoidal obedece a uma função seno ou cosseno e é a forma de onda mais simples. Todas as outras formas de onda, mesmo as mais complexas, podem ser decompostas em conjuntos de ondas senoidais através da aplicação das Séries de Fourier. Por essa razão as ondas senoidais possuem dezenas de aplicações. Podem ser usadas na síntese musical como elemento básico da síntese aditiva. Em eletrônica, é a forma de onda utilizada como onda portadora na maior parte das modulações de rádio. Onda quadrada Também chamada de trem de pulsos Forma de onda caracterizada pela alternância entre um estado de amplitude nula e outro estado de amplitude máxima, sendo que cada um destes estados tem duração igual. Quando o tempo em um dos estados é maior do que no outro, chamamos esta onda de onda retangular ou pulso. Este tipo de onda é utilizado, sobretudo para a modulação por largura de pulso - PWM. Também pode ser

4 usada como elemento básico da síntese subtrativa em sintetizadores analógicos. Em informática as ondas quadradas, retangulares ou trens de pulso são utilizados para a transmissão serial de informações em redes de computadores. As ondas quadradas são universalmente encontradas nos circuitos de chaveamento digitais e são naturalmente encontradas em dispositivos lógicos de dois níveis. Elas são utilizadas como referências de tempo em sinais de clock (relógio), devido a suas transições rápidas serem aplicáveis para o trigger de circuitos de lógica síncrona em intervalos de tempo precisos. Entretanto, as ondas quadradas contêm uma grande faixa de harmônicas, e estas podem gerar radiação eletromagnética ou pulsos de corrente que podem interferir em circuitos próximos, causando ruídos ou erros. Para evitar estes problemas em circuitos muito sensíveis tais como conversores analógico-digitais de precisão, as senóides são utilizadas como referência de tempo ao invés das ondas quadradas. Onda triangular Caracterizada por uma ascendência linear até a amplitude máxima da onda, seguida imediatamente por uma descendência linear até a amplitude mínima. Os tempos de subida e descida podem ser iguais ou diferentes. As ondas triangulares são usadas como frequência intermediária de controle na modulação PWM principalmente em acionamentos elétricos. Também podem ser utilizadas como elementos básicos na síntese subtrativa. Onda dente de serra Nos casos extremos em que os tempos de subida ou de descida de uma onda triangular são iguais à zero, temos ondas dente de serra descendente ou ascendente, respectivamente. As aplicações são semelhantes às das ondas triangulares. FREQUÊNCIA É uma grandeza física associada a movimentos de característica ondulatória que indica o número de revoluções (ciclos, voltas, oscilações, etc) por unidade de tempo. Suas unidades de medida mais utilizadas são: Hertz (Hz): Corresponde ao número de oscilações por segundo. Nome dado em honra ao físico Alemão Heinrich Rudolf Hertz e Rotações Por Minuto (RPM): Corresponde ao número de oscilações por minuto. Na próxima figura constatamos a existência de ondas com diferentes frequências, pela definição, a onda com o maior número de repetições por unidade de tempo possui a maior frequência. Denomina-se λ como comprimento de onda.

5 AMPLITUDE É o máximo valor absoluto de uma crista ou um vale em relação à linha paralela em que a onda se move. A distância y é a amplitude da onda, muito conhecida em eletrônica por Tensão de Pico (Vp), na figura acima verificamos que a tensão de pico é correspondente a 12v, a distância x é a Tensão Pico-a-Pico (Vpp), da qual constata-se uma tensão de 24 Vpp, visto estarmos somando a parte positiva juntamente a negativa de cada ciclo. SISTEMA MONOFÁSICO E TRIFÁSICO Circuito monofásico é um circuito constituído apenas de uma fase elétrica e um neutro, devendo também possuir um condutor de equipotencialização chamado de "terra", são utilizados em grande escala na iluminação, pequenos motores e equipamentos domésticos. O circuito trifásico é composto por três tensões alternadas, no qual a energia elétrica é transmitida por meio da composição dos três sinais de tensão defasados 120º (2π/3 radianos) de um ciclo entre si, como demonstra a figura abaixo:

6 A cada sinal de tensão alternada utilizado no sistema atribui-se o nome de fase, e, portanto no sistema com 3 sinais temos um sistema trifásico, sendo assim, este sistema além de ser muito utilizado no fornecimento de energia a motores de grande porte com vasta utilização nas industrias, também é o grande responsável pelo transporte de energia elétrica das unidades geradoras para as unidades consumidoras, sendo compostas basicamente por três subsistemas: Sistema de geração de energia: composta pelos elementos responsáveis pela conversão da energia de alguma fonte primária em energia elétrica e quaisquer outros componentes das unidades de geração; Sistema de transmissão: composta pelos elementos responsáveis pelo transporte da energia obtida dos vários sistemas de geração para o(s) sistema(s) de distribuição interligada pelo sistema de transmissão; Sistemas de distribuição: composta pelos elementos responsáveis pela adequação da energia para o uso de consumidores de grande, médio e pequeno porte. A transmissão de energia elétrica é feita por meio de um sistema de transformadores e condutores elétricos também chamados de linhas de transmissão os quais transmitem a energia elétrica gerada nas unidades geradoras para as unidades consumidoras ou cargas. O sistema de transmissão permite que a tensão elétrica proveniente dos terminais dos geradores localizados nas unidades de geração alcance a alimentação das unidades de consumo atendidas pelo sistema. Nos primórdios da implementação do sistema de transmissão de energia de longa distância, graças ao avanço tecnológico principalmente devido ao trabalho de Nikola Tesla foi utilizado o sistema alternado para as tensões e correntes, de forma a permitir o transporte de energia a longas distâncias sem perdas significativas a ponto de inviabilizar o processo. Para a geração de tensões e correntes alternadas, utilizam-se geradores síncronos ou de indução que em teoria poderiam fornecer qualquer número de sinais de tensões e correntes alternadas igualmente defasadas entre si dependendo da construção dos geradores. Por questões de praticidade, econômicas (economia de material) e técnicas (qualidade da energia fornecida), optou se por utilizar o sistema trifásico. As vantagens do sistema trifásico sobre o monofásico são: Para o mesmo tamanho, os geradores e motores trifásicos são de maior potência que os monofásicos; As linhas de transmissão trifásicas necessitam de menos cobre que as monofásicas para transportar a mesma potência; Os motores monofásicos (exceto os de coletor) não têm partida própria; os trifásicos podem partir sem auxílio exterior.

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