CURSO TÉCNICO DE ELETRÔNICA ELETRICIDADE 2 MÓDULO

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1 CURSO TÉCNICO DE ELETRÔNICA ELETRICIDADE 2 MÓDULO 2010

2 SUMÁRIO 1 2ª LEI DE OHM Tabela de Resistividade a 20 C Exercício Resolvido Transformadores introdução Princípio e funcionamento Conceitos importantes para transformadores Considerações gerais sobre transformadores Simbologia Tipos de transformadores: Transformador de alimentação: Transformador de áudio: Transformador de distribuição: Transformadores de freqüência intermediária (FI) Transformadores de potencial: Transformador de corrente: Transformador de RF: Transformadores de pulso: Autotransformadores Transformadores de isolação Transformadores Fly-Back Tipos de núcleos Tipos de chapas PERDAS EM TRANSFORMADORES Histerese Perdas por correntes parasitas ou de Foucault Transformador Ideal Ligações para transformador 110/220V Cálculo de um transformador Associação de Fontes Associação em série de fontes de tensão Associação de Fontes de Corrente Divisor de Corrente Divisor de Tensão...18

3 3 1 2ª LEI DE OHM A resistência de um condutor depende de suas dimensões (área da secção e comprimento) e do material de que é feito. Dado um condutor de área de secção transversal constante S, homogêneo (mesmo material em todos os pontos) e de comprimento L. Condutor de comprimento L e área de secção transversal S A resistência R do condutor é calculada por: Onde é uma constante física, característica do material chamada de resistividade ou resistência especifica e cuja unidade é o (20oC): Resistividade de alguns materiais a temperatura ambiente Cobre = 0,017 Alumínio = 0,018 Tungstênio = 0,056; Prata = 0,015; Estanho = 0,02 Quanto mais espesso for o fio, menor a resistência e maior a corrente, então o brilho aumenta. A resistência de um condutor dobra de valor se o seu comprimento dobrar. Se a secção de um fio dobrar de valor a sua resistência diminui pela metade. De acordo com a tabela abaixo

4 4 concluímos que se trocarmos um fio de alumínio por um de prata com as mesmas dimensões, o fio de prata terá resistência menor. A seguir uma tabela com alguns materiais condutores e a resistividade. 1.1 Tabela de Resistividade a 20 C RESISTIVIDADE DE ALGUNS MATERIAIS (a 20 C) MATERIAL RESISITIVIDADE (Ωm) CONDUTORES Prata 1,6 x 10-8 Cobre 1,7 x 10-8 Ouro 2,4 x 10-8 Alumínio 2,8 x 10-8 Tungstênio 5,6 x 10-8 Níquel-cromo 1,5 x 10-6 SEMICONDUTORES Carbono 3,5 x 10-5 Germânio 4,6 x10-1 Silício 2,5 x Exercício Resolvido Um condutor de alumínio tem 300m de comprimento e 2mm de diâmetro. Calcule a sua resistência elétrica. R: São dados L=300m, D=2mm portanto o raio R=1mm e a área da secção poderá ser calculada. S=.R2 =3,14.(1mm)² =3,14mm² =3, m² Considerando a resistividade expressa em (Ohmns.m). Nesse caso o comprimento deve estar expresso em m, e a área da secção em m2, portanto entrando na expressão que dá a resistência resulta:

5 5 2 Transformadores introdução No emprego da energia elétrica, como acontece nas aplicações da energia mecânica, torna-se necessário, muitas vezes, a utilização de um processo capaz de converter a energia fornecida pela fonte, numa forma compatível com as necessidades da carga que se vai alimentar. O transformador é um dispositivo eletromagnético constituído por duas bobinas acopladas através de um núcleo magnético de elevada permeabilidade magnética. O princípio de funcionamento do transformador baseia-se no fenômeno da indução eletromagnética, e em particular da indução eletromagnética mútua entre bobinas. A principal função de um transformador é elevar ou reduzir as amplitudes da tensão ou da corrente entre as bobinas do primário e do secundário. O transformador caracteriza-se pela relação de transformação de tensão entre o primário e o secundário, rt=n2/n1. Os transformadores são utilizados numa gama muito variada de aplicações de processamento de informação e de energia elétrica. Salientam-se, entre outras, a elevação e a redução da tensão e do número de fases em redes de transporte e distribuição de energia elétrica, a redução da tensão ou da corrente em instrumentos de medida, a adaptação de impedâncias em amplificadores sintonizados em aplicações de rádiofrequência e frequência intermédia, a adaptação de resistências em aplicações áudio, ou simplesmente o isolamento galvânico entre partes de um mesmo circuito elétrico. Para além de outros, é possível identificar os seguintes tipos de transformadores: auto-transformadores, transformadores com múltiplos enrolamentos no secundário, transformadores com ponto médio, transformadores de medida ou de proteção, transformadores de sinal e transformadores de potência. 3 Princípio e funcionamento O funcionamento dos transformadores é explicado através das Leis de Faraday, que nos diz que quando um circuito sofre uma corrente variável produz um campo magnético, e quando um circuito é sujeito a um campo magnético variável é gerada uma corrente elétrica.

6 6 3.1 Conceitos importantes para transformadores. Indução magnética: Quando um condutor corta um campo magnético, ou quando varia o campo magnético existente em torno de um condutor, há o aparecimento de uma FEM neste condutor, que se denomina FEM INDUZIDA (Faraday). Auto-indução: Quando um condutor é percorrido por uma corrente elétrica, cria-se, em torno dele um campo magnético. Qualquer variação da corrente produzirá variação desse campo magnético e, assim, por este variar, aparece no condutor de uma FEM INDUZIDA. A FEM auto-induzida dá-se também o nome de força contra eletromotriz (FCEM), para distingui-la da tensão aplicada, que é a força inicial que tende a estabelecer um fluxo de corrente, e à qual a FCEM se opõe. Indução mútua: É o fenômeno de indução de um FEM em um circuito, pela ação de corte do condutor pelas linhas de força de um campo magnético estabelecido em um condutor de um circuito vizinho, independentemente de conexão entre eles. 3.2 Considerações gerais sobre transformadores Todos os transformadores se aquecem durante o funcionamento, em virtude das perdas que existem em todos eles. Quanto mais alta a potência retirada nos secundários de um trafo (Transformadores), maior será o aquecimento do mesmo. Os núcleos devem ser feitos de chapas de ferro silício, não servindo para o mesmo fim, ferro doce ou outro ferro comum, assim como também não é possível um núcleo de ferro maciço. A qualidade do ferro empregado é um fator que deve ser considerado no projeto de um trafo. Em trafos de força, usamos chapa de ferro silício de 0,7/1,7/2 Watts/Kg e chapas de baixo carbono e 3,7Watts/Kg. Se o ferro for de qualidade inferior, a seção do núcleo deverá ser aumentada para um mesmo transformador. Para determinada tensão variável aplicada no primário do transformador teremos uma tensão induzida no secundário.

7 7 4 Simbologia Vale observar que a simbologia apresentada é particular dos transformadores mais comuns, não levando em conta os transformadores especiais, ou seja, cabe lembrar que não foram citados todos os tipos de transformadores, muito menos as suas utilidades. Transformador com núcleo de ferrite. Transformador com núcleo de ferro. Utilizado em fontes convencionais para a isolação de circuitos e para se ter a tensão e a corrente desejada. Transformador com núcleo de ferro. CENTER TAP Utilizado quando há a necessidade da aplicação de diferentes tensões em seu primário, como 127 ou 220VAC. OBS: Trafo com center tap no primário CENTER TAP Trafo com center tap no primário e secundário.

8 8 Transformador com núcleo de ar. 5 Tipos de transformadores: 5.1 Transformador de alimentação: É usado em fontes, convertendo a tensão da rede na necessária aos circuitos eletrônicos. Seu núcleo é feito com chapas de açosilício, que tem baixas perdas, em baixas freqüências, por isto é muito eficiente. Às vezes possuem blindagens, invólucros metálicos. 5.2 Transformador de áudio: Usado em aparelhos eletrônicos no acoplamento entre etapas amplificadoras e saída ao alto-falante. Possui um núcleo de aço-silício, embora também se use a ferrite. Sua resposta de freqüência dentro da faixa de áudio, 20 a Hz, não é perfeitamente plana, mesmo usando materiais de alta qualidade no núcleo, o que limita seu uso. 5.3 Transformador de distribuição: Encontrado nos postes e entradas de força em alta tensão (industriais), são de alta potência e projetados para ter alta eficiência (da ordem de 99%), de modo a minimizar o desperdício de energia e o calor gerado. Possui refrigeração a óleo, que circula pelo núcleo dentro de uma carapaça metálica com grande área de contato com o ar exterior. Seu núcleo também é com chapas de aço-silício, e pode ser monofásico ou trifásico (três pares de enrolamentos). 5.4 Transformadores s de freqüência intermediária (FI FI) Nos transformadores de freqüência intermediária, são usados tubos de diâmetro inferior, sobre os quais são montadas as bobinas. O núcleo é cilíndrico e rosqueado, o que permite que ele seja

9 9 aparafusado no tubo de suporte. Há tipos de núcleo que envolve as bobinas e também podem ser aparafusados a um suporte, Esses transformadores são sintonizados numa freqüência determinada, cujo valor varia de acordo com a sua aplicação: amplitude modulada, freqüência modulada ou televisão. A sintonização é feita ligando-se um capacitor de valor pré-calculado as extremidades do enrolamento primário e do enrolamento secundário do transformador. O ponto de sintonia e o acoplamento eletromagnético entre os dois enrolamentos são regulados por meio de um parafuso de ferrite. Em geral, o transformador é blindado, ou seja, fica dentro de uma caixa de material condutor, quase sempre ferro-magnético, que protege o transformador dos campos magnéticos externos e também os componentes próximos das radiações emitidas pelo próprio transformador. 5.5 Transformadores de potencial: Encontra-se nas cabines de entrada de energia, fornecendo a tensão secundária de 220V, em geral, para alimentar os dispositivos de controle da cabine - reles de mínima e máxima tensão (que desarmam o disjuntor fora destes limites), iluminação e medição. A tensão de primário é alta, 13.8Kv ou maior. O núcleo é de chapas de aço-sílicio, envolvido por blindagem metálica, com terminais de alta tensão afastados por cones salientes, adaptados a ligação às cabines. Podem ser mono ou trifásicos. 5.6 Transformador de corrente: Usado na medição de corrente, em cabines e painéis de controle de máquinas e motores. Consiste num anel circular ou quadrado, com núcleo de chapas de aço-sílicio e enrolamento com poucas espiras, que se instala passando o cabo dentro do furo, este atua como o primário. A corrente é medida por um amperímetro ligado ao secundário (terminais do TC). É especificado pela relação de transformação de corrente, com a do medidor sendo padronizada em 5A, variando apenas a escala de leitura e o número de espiras do TC. 5.7 Transformador de RF: Emprega-se em circuitos de rádiofrequência (RF, acima de 30kHz), no acoplamento entre etapas dos circuitos de rádio e TV. Sua potência em geral é baixa, e os enrolamentos têm poucas espiras. O núcleo é de ferrite, material sintético composto de óxido de ferro,

10 10 níquel, zinco, cobalto e magnésio em pó, aglutinados por um plastificante. Esta se caracteriza por ter alta permeabilidade, que se mantém em altas freqüências (o que não acontece com chapas de açosílicio). Costumam ter blindagem de alumínio, para dispersar interferências, inclusive de outras partes do circuito. 5.8 Transformadores de pulso: Este é um tipo especial de transformador, projetado para transmitir sinais pulsados em circuitos eletrônicos. Como tais sinais são extremamente rápidos e alcançam valores elevados de tensão, o transformador deve possuir características bem particulares, que evitem deformação ou retardo nos pulsos. São usados no acoplamento, isolando o circuito de controle, de baixa tensão e potência, dos tiristores, chaves semicondutores, além de isolarem um tiristor de outro (vários secundários). Têm núcleo de ferrite e invólucro plástico, em geral. 5.9 Autotransformadores Se aplicarmos uma tensão a uma parte de um enrolamento (uma derivação), o campo induzirá uma tensão maior nos extremos do enrolamento. Este é o princípio do autotransformador. Uma característica importante dele é o menor tamanho, para certa potência, que um transformador. Isto não se deve apenas ao uso de uma só bobina, mas ao fato da corrente de saída ser parte fornecida pelo lado alimentada, parte induzida pelo campo, o que reduz este, permitindo um núcleo menor, mais leve e mais barato. A desvantagem é não ter isolação entre entrada e saída, limitando as aplicações. São muito usados em chaves de partida compensadoras, para motores (circuitos que alimentam motores com tensão reduzida fornecida pelo autotransformador, por alguns segundos, reduzindo o pico de corrente durante a aceleração) e em estabilizadores de tensão (autotransformador com várias derivações - taps -, acima e abaixo do ponto de entrada, o circuito de controle seleciona uma delas como saída, elevando ou reduzindo a tensão, conforme a entrada).

11 Transformadores de isolação Isolar um circuito de outro é uma necessidade freqüente em eletrônica. Um aparelho alimentado diretamente, sem transformador, sempre possui um chassi metálico,ao qual está ligado um dos lados da rede elétrica, Um parelho assim sempre poderá dar choques aos que tocarem em seu chassi, enquanto estiverem ligados de alguma forma à terra. Para evitar esse perigo inconveniente, os técnicos de manutenção costumam instalar um transformador de isolação entre o circuito e a rede. Esse transformador tem uma relação de espiras de 1:1, isto é, não faz nenhuma conversão; simplesmente entrega a mesma tensão e corrente que recebe. Sua única função é isolar o chassi dos aparelhos de uma conexão direta com a rede elétrica Transformadores Fly-Ba Back Um tipo especial de transformador que possui núcleo de ferrite é mostrado na figura abaixo. Trata-se do Fly-Back ( ou transformador de saída horizontal ) usado em televisores. Este transformador tem por função gerar uma tensão muito alta (M.A.T.) da ordem de a volts para aceleração dos elétrons no tubo de imagem ou cinescópio. 6 Tipos de núcleos Há necessidade de núcleos em um transformador é para se induzir uma corrente neste núcleo, assim este ajudará no fluxo magnético, porque todo condutor quando percorrido por uma corrente elétrica desenvolve uma campos magnético. Podemos encontrar os seguintes núcleos para os tranformadores.

12 12 Vale a pena ressaltar que todas as chapas são laminadas para minimizar os problemas causados por correntes parasitas.

13 Tipos de chapas Pela junção das chapas formamos os núcleos, desta forma temos os seguintes padrões de chapas para criação dos núcleos. EI FF UI LL TOROIDE Podemos concluir que para montarmos um núcleo envolvente podemos utilizar chapas EI ou FF e para um núcleo envolvido utilizamos chapas UI, por último para um núcleo toroidal temos a chapa TOROIDE. 7 PERDAS EM TRANSFORMADORES Além das perdas no cobre dos enrolamentos (devidas à resistência), os transformadores e bobinas apresentam perdas magnéticas no núcleo. 7.1 Histerese Os materiais ferromagnéticos são passíveis de magnetização, através do realinhamento dos domínios, o que ocorre ao se aplicar um campo magnético ou eletromagnético (como o gerado por um indutor, ou seja, no caso dos transformadores pelo o primário do transformador). Este processo consome energia, e ao se aplicar um campo eletromagnético variável de sentido e intensidade no tempo, o material tenta acompanhar estas variações, sofrendo sucessivas imantações e de características opostas, ora num sentido e ora no outro, o que provoca aquecimento do núcleo. Ao se interromper o

14 14 campo, o material geralmente mantém uma magnetização residual, chamada campo remanescente. 7.2 Perdas por correntes parasitas ou de Foucault São devidas à condutividade do núcleo, que forma, no caminho fechado do núcleo, uma espira em curto, que consome energia do campo. Para minimizá-las, usam-se materiais de baixa condutividade, como a ferrite e chapas de aço-silício, isoladas uma das outras por verniz. Em vários casos, onde não se requer grandes indutâncias, o núcleo contém um entreferro, uma separação ou abertura no caminho do núcleo, que minimiza esta perda. 8 Transformador Ideal Um transformador ideal como apresentado na figura abaixo, deve respeitar as seguintes premissas: 1. Todo o fluxo deve estar confinado ao núcleo e enlaçar os dois enrolamentos; 2. As resistências dos enrolamentos devem ser desprezíveis; 3. As perdas no núcleo devem ser desprezíveis; 4. A permeabilidade do núcleo deve ser tão alta que uma quantidade desprezível de fmm 1 (Força Magneto Motriz) é necessária para estabelecer o fluxo. Figura 1: : Transformador Ideal 1 A força magnetomotriz (FMM) (Representado com o símbolo F) é aquela capaz de produzir um fluxo magnético entre dois pontos de um circuito magnético.

15 15 Normalmente em um transformador real os dois enrolamentos são colocados juntos, abraçando o mesmo fluxo. Para maior clareza, representa-se na figura acima os enrolamentos primários e secundários separados, embora o fluxo seja o mesmo para ambos. 9 Ligações para transformador 110/220V

16 16 10 Cálculo de um transformador Para o cálculo de transformador veremos em sala de aula, ou será disponibilizado material complementar a respeito. 11 Associação de Fontes 11.1 Associação em série de fontes de tensão A associação em série de fontes de tensão permite aumentar a diferença de potencial disponibilizada para efeitos de alimentação de um circuito. Um exemplo da associação em série de fontes é a utilização de múltiplas pilhas para alimentar aparelhos eletrodomésticos, lanternas, rádios portáteis, etc. Com efeito, é comum associarem-se em série quatro pilhas de 1.5 V (corretamente associadas) para definir uma fonte de alimentação de 6 V. A tensão disponível aos terminais de uma associação em série de fontes de tensão é dada pela soma das tensões parciais. Como se indica nas Figuras a e b, a adição dos valores nominais das tensões deve ter em conta a polaridade da ligação: polaridades concordantes adicionam-se (a), e polaridades discordantes subtraem-se (b). Por outro lado, no caso das fontes de tensão com resistência interna não nula, como na Figura c, o valor da resistência interna resultante é dado pela soma das resistências internas de cada uma das fontes.

17 Associação de Fontes de Corrente A associação em paralelo de fontes de corrente rege-se por um conjunto de regras semelhante àquele estabelecido para a associação em série de fontes de tensão. Neste caso, a corrente colocada aos terminais de uma associação em paralelo é dada pela soma das correntes parciais (Figura a e b ), que naturalmente deve ter em conta as polaridades respectivas. No caso das fontes de corrente reais, Figura c, o valor da resistência interna é dada pelo paralelo das resistências internas parciais, o que torna a fonte de corrente mais acentuadamente não ideal. Associação em paralelo de fontes de corrente

18 18 12 Divisor de Corrente AULA. SERÁ DADO EM MATERIAL COMPLEMENTAR OU EM SALA DE 13 Divisor de Tensão AULA SERÁ DADO EM MATERIAL COMPLEMENTAR OU EM SALA DE

19 19

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