INTRODUÇÃO À ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL

FACULDADE DE ENGENHARIA Professores Avelino Francisco Zorzo e Luís Fernando Alves Pereira

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Aula 6 – Corrente Alternada e Corrente Contínua

Introdução Corrente Alternada e Corrente Contínua Transformadores Diodos Retificadores a Diodos Capacitores de Filtro Reguladores Tarefas INTRODUÇÃO

Existem dois tipos de corrente elétrica: Corrente Alternada (CA) e Corrente Contínua (CC). 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 freqüência, 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 equipam os eletrodomésticos como batedeiras, geladeiras e máquinas de lavar possuem motores do tipo 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. Toda a rede de transmissão e distribuição de energia elétrica em todo o mundo é do tipo CA, sendo valores típicos de amplitude de 127 VRMS e 220 VRMS, com freqüência de 60 Hertz. Em outros lugares, como no Paraguai, o valor da freqüência é de 50 Hertz.

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 freqüentemente, os circuitos precisam ser alimentados a partir da rede energia CA local disponível. Para estes casos, uma parte deve existir uma parte do equipamento que converte a forma de onda alternada da rede energia do tipo CC. O estudo da conversão CA para CC é alvo desta aula e serão descritos todos os passos necessários para tal nos próximos capítulos. CORRENTE ALTERNADA Como foi mencionando anteriormente, a energia elétrica que é distribuída aos usuários domésticos e industrias 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. Como este valor ocorre por um tempo muito pequeno, normalmente ele não é considerado. 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 valor de pico e valor RMS é dada pela equação 6.1 abaixo.

2⋅= RMSpico VV (6.1)

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Figura 3.1 – Formas de onda CA de 127 V e 220 V, 60 Hz

A figura 3.1 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 VRMS e a segunda de 220 VRMS. A linha tracejada mostra o valor RMS e linha cheia mostra o valor instantâneo da amplitude.

Considerando a equação 6.1, quais são os valores de pico das duas formas de onda?

TRANSFORMADOR

O primeiro componente elétrico a ser apresentado nesta seção é denominado de Transformador. Este componente é utilizado tipicamente quando se deseja transformador um determinado valor de tensão alternada em outro valor, que pode ser maior ou menor. Os transformadores são elementos indutores. Eles são tipicamente compostos por dois enrolamentos de fios de cobre (denominados primário e secundário) em um núcleo de ferro. Existem diversos tipos de transformadores. Um tipo muito comum é o auto-transformador e eles são usados tipicamente quando se deseja utilizar um eletrodoméstico projetado para funcionar com 127 V em uma rede de energia 220V. Estes transformadores não possuem isolação elétrica entre o primário e o secundário.

Outro tipo bastante utilizado é o transformador isolador, utilizado em equipamentos eletrônicos e conversores CA/CC. Sua principal característica é a isolação elétrica oferecida por eles. Toda a energia do enrolamento primário é transformada em fluxo magnético no núcleo do transformador. Então, este fluxo, é novamente convertido em energia elétrica no enrolamento secundário.

Apresenta-se a seguir o símbolo deste componente e a relação matemática existente entre a tensão e a corrente elétrica que o caracteriza:

Figura 6.2 – Representação de um transformador simples e de um transformador com tape central.

Relação Matemática:

2

1

2

1

2

1

LL

VV

NN

==

(6.2) Número de Espiras = N

Tensão = V (unidade = Volts (V)) Indutância = L (unidade = Henry (H))

Em um transformador ideal, toda a energia elétrica presente no enrolamento primário é transferida para o enrolamento secundário. Isto significa dizer que a potência no primário é igual a potencia no secundário.

Normalmente, os transformadores comerciais encontrados no mercado são do tipo com tape central no primário e no secundário. Este é apenas uma derivação localizada na metade do enrolamento. Sua utilidade é a possibilidade de, com o auxílio de uma chave seletora, escolher duas tensões de operação

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nominal mantendo a mesma potência. Além disto, em um transformador com tape central no secundário, temos o tape como sendo o ponto de referência (terra) do circuito e os dois outros terminais do secundário como sendo a saída do transformador. Estas saídas tem a mesma amplitude e a mesma freqüência, porém, estão defasadas de 180o. Isto é, quando uma for positiva, a outra será negativa.

Figura 6.3 – Gráfico da tensão de saída nos dois terminais de um transformador de 9V com tape

central.

Considerando a afirmação sobre a relação da potência no primário e no secundário, determine a relação entre as correntes no primário e no secundário e as tensões no primário e no secundário.

Explique o motivo pelo qual os fios do enrolamento secundário possuem um diâmetro maior que os fios do enrolamento primário.

DIODOS O diodo é um componente eletrônico do tipo semi-condutor construído a base de silício que é um material classificado como semimetal. Os elementos semimetais são aqueles que possuem propriedades intermediárias entre os metais e os não-metais. Aqui não será a apresentado a construção e as características físicas dos diodos, pois não é o enfoque deste estudo. Estudaremos apenas uma das suas aplicações em circuitos elétricos. Os diodos possuem três aproximações que descrevem o seu funcionamento. Aqui será mostrada a primeira e a segunda aproximação do diodo.

• Primeira Aproximação:

A primeira aproximação trata-se do diodo ideal. O diodo ideal não existe, porém, em certas situações esta consideração facilita a análise e interpretação de um circuito elétrico. O diodo permite a passagem de corrente elétrica em seus terminais somente em um sentido, comportando-se como um condutor. Este sentido é o sentido direto.

Se for invertido o sentido da corrente, então ele se comportará como um isolante, impedindo a passagem da corrente em seus terminais. Esta é a polarização direta.

O diodo é composto por dois terminais, Anodo (A) e Catodo (K). o sentido da corrente se dá do Anodo para o Catodo. Sabemos que, para que haja corrente elétrica é necessário que haja diferença de potencial elétrico e a corrente se dá do potencial mais alto para o potencial mais baixo. Portanto, para que haja corrente no diodo, é necessário que o potencial elétrico em A seja maior que o potencial elétrico em K.

Em termos de circuito, um diodo ideal age como uma chave. Quando o diodo está polarizado diretamente, é como se fosse uma chave fechada (condutor perfeito). Se o diodo estiver polarizado reversamente, é como se fosse uma chave aberta (isolante perfeito).

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10V

AK

100

Figura 6.4 – Polarização Reversa: Não existe

corrente no circuito.

10V

A K

100

Figura 6.5 – Polarização Direta: Existe corrente

no circuito.

Por extrema que possa parecer de início a aproximação de um diodo ideal, ela o inicia na compreensão do funcionamento do funcionamento de circuitos contendo diodos; não é necessário se preocupar com efeitos da tensão de corte ou com a resistência do diodo. Haverá momentos em que a aproximação se mostrará imprecisa demais; por esta razão, precisamos de uma segunda aproximação.

• Segunda Aproximação:

A segunda aproximação é muito semelhante a primeira, e descreve de uma maneira mais fiel o comportamento do diodo. Nesta aproximação, o diodo continua sendo considerado uma chave aberta quando submetido a uma polarização reversa (potencial do Catodo maior que o potencial do Anodo), impedindo a passagem de corrente.

Porém, para que o diodo comece a conduzir a corrente, não basta apenas que o potencial do Anodo seja maior que o potencial do Catodo; é preciso que a diferença de potencial seja superior 0,7 Volts; e quando polarizado, a diferença de tensão sobre os seus terminais será de aproximadamente 0,7 Volts.

Existe ainda a terceira aproximação do diodo. Nesta é acrescentado a resistência interna do diodo quando este é submetido a uma diferença de potencial maior que 0,7V. A terceira aproximação praticamente não é utilizada e na maioria dos trabalhos práticos a segunda aproximação é mais recomendada.

Considerando os circuitos das figuras 6.4 e 6.5, calcule a corrente e a tensão e a potência sobre o resistor utilizando a primeira e a segunda aproximação do diodo.

RETIFICADORES A DIODO Como foi mencionado anteriormente, a fonte de energia para os circuitos eletrônicos deve ser do tipo CC. Isto significa que, de alguma forma, devemos converter a energia CA da rede energia elétrica em CC para alimentar o circuito. A característica do tipo CC é que a corrente circula sempre no mesmo sentido enquanto que a do tipo CA circula em ambos os sentidos. Uma da maneiras de se garantir a circulação da corrente sempre no mesmo sentido é a inserção de um diodo em série com o circuito, pois este irá funcionar como um curto circuito quando a corrente for positiva e como uma chave aberta quando a corrente for negativa.

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A K

R

T1 9+9/1A

Figura 6.6 – Circuito retificador de meia-onda

A K

T1 9+9/1AR

Figura 6.7 – Circuito retificador de meia-onda

Os circuitos das figuras 6.6 e 6.7 são chamados de circuitos retificadores de meia onda porque somente metade da onda da corrente alternada é transferida para o resistor, sobre o resistor só há tensão positiva, o que indica que a corrente circula sempre no mesmo sentido. Se unirmos os circuitos da figuras 6.6 e 6.7, poderemos ter uma retificação de onda completa.

A K

T1 9+9/1AR

A K

Figura 6.8 – Retificação de onda completa.

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CAPACITORES DE FILTRO A figura 6.8 acima mostra o efeito da utilização de dois diodos simultâneos para a realização da retificação e também a forma de onda retificada sobre o resistor. Podemos perceber que a tensão sobre o resistor é sempre positiva, indicando que a corrente circula sempre no mesmo sentido e que o valor médio de tensão sobre o resistor é o dobro do valor dos circuitos das figuras 6.6 e 6.7.

Porém, há intervalos de tempo em que a amplitude da tensão é muito baixa, chegando inclusive a ser zero. Esta situação ainda não é adequada para os circuitos eletrônicos. É preciso que a tensão não varie muito, sendo praticamente constante. Para isto acrescentamos um capacitor de filtro. O capacitor tem a característica de acumular energia elétrica.

Quando o a tensão sobre o resistor estiver aumentando, o capacitor estará sendo carregado. No instante em que a tensão sobre o resistor começar a diminuir, o capacitor irá liberar sua energia sobre o resistor, descarregando-se lentamente. Nesta situação ele funciona como uma fonte de tensão.

A K

CT1 9+9/1A

R

A K

Figura 6.9 – Filtragem com capacitor.

REGULADORES

Podemos perceber que com a utilização de um capacitor de filtro, a tensão sobre o resistor tornou-se mais estável, sendo plenamente utilizável em muitos circuitos eletrônicos. Se aumentarmos o valor do capacitor utilizado, teremos menores variações na tensão sobre o resistor. Existem ainda alguns tipos de circuitos que são muito sensíveis as variações de tensão da fonte utilizada, como os circuitos digitais, computadores, etc. Para estes casos, é necessário que a tensão se mantenha constante e o mais estável possível em um determinado valor. Valores típicos para os circuitos digitais são 3.3V e 5.0V. Então, precisamos de um último estágio, chamado de regulador. Este tem a função de regular a tensão em um valor fixo, independente das variações da tensão de entrada. Existem diversos dispositivos capazes de realizarem esta tarefa, sendo os mais comuns diodos zener e circuitos reguladores da série 78XX. Utilizaremos neste estudo o circuito integrado regulador 7805. Este deve ter em sua entrada uma tensão contínua que pode variar entre 8V e 25V, e sua saída será sempre fixa em 5V.

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A KU1 7805

1 3

2

In OutR

T1 9+9/1AC R

A K

Figura 6.10 – Fonte de tensão regulada de 5V.

TAREFA: 1. Construir uma fonte de tensão contínua regulada de 5V em placa de circuito impresso, soldando todos os componentes. Verificar as formas de onda nos pontos dos circuitos em diversas situações:

a) Somente com o diodo D1 b) Somente com o diodo D2 c) Somente com os dois diodos d) Somente com o diodo D1 e o Capacitor

2. Para cada um dos casos citados acima, faça duas medidas, uma sem resistor na saída da fonte e outra com um resistor de 12 Ohms e 10W.