CIRCUITOS ELÉTRICOS II

(1)

CIRCUITOS ELÉTRICOS II

Prof. Alexandre Oliveira

(2)

1.Lei de Ohm. Circuito Série e Circuito Paralelo

2.Leis de Kirchhoff

3.Thevenin e Norton

4.Capacitores e Indutores

5.Circuitos Monofásicos

6.Magnetismo e Eletromagnetismo

7.Geradores e Motores de Corrente Contínua

8.Números Complexos

9.Circuitos de Corrente Alternada

10.Geradores e Motores de Corrente Alternada

11.Transformadores

(3)

Introdução básica de eletrônica Unidades de Medida 1 k (kilo) = 103 _{= 1.000} 1 M (mega) = 106 _{= 1.000.000} 1 G (giga) = 109 _{= 1.000.000.000} 1 T (tera) = 1012 _{= 1.000.000.000.000} ---1 m (mili) = ---10-3 _{= 0.001} 1 u (micro) = 10-6_{= 0.000001} 1 n (nano) = 10-9 _{= 0.000000001} 1 p (pico) = 10-12 _{= 0.000000000001}

(4)

Unidades de Medida 1 k (kilo) = 103 _{= 1.000} 1 M (mega) = 106 _{= 1.000.000} 1 G (giga) = 109 _{= 1.000.000.000} 1 T (tera) = 1012 _{= 1.000.000.000.000} ---1 m (mili) = ---10-3 _{= 0.001} 1 u (micro) = 10-6 _{= 0.000001} 1 n (nano) = 10-9 _{= 0.000000001} 1 p (pico) = 10-12 _{= 0.000000000001}

(5)

ELETRICIDADE BÁSICA

Núcleo

Prótons – carga elétrica positiva Nêutrons – carga elétrica nula

Eletrosfera

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Tensão elétrica: Também conhecida como diferença de potencial, é a diferença de potencial elétrico entre dois pontos ou a diferença em energia potencial elétrica por unidade de carga elétrica entre dois pontos. Sua unidade de medida é o volt (V).

Corrente Elétrica: É o fluxo orientado de elétrons através de um condutor, quando submetido a uma d.d.p. Sua unidade de medida é o ampère ( A ).

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(8)

Resistência Elétrica: É a oposição que o condutor oferece à passagem da corrente elétrica. A unidade de medida é o ohm (W ).

(9)

(10)

ELETRICIDADE BÁSICA

(11)

CIRCUITO ELÉTRICO

FONTE

CONDUTOR

CONSUMIDOR

(12)

LEI DE OHM

(13)

CIRCUITO EM SÉRIE

CIRCUITO EM PARALELO

TIPOS DE CIRCUITO

(14)

Associação em Série

Tensão: A soma das quedas de tensões nos resistores será igual à tensão da fonte: VT = V1 + V2 + V3 ... + Vn

Corrente: A corrente que sai da fonte será a mesma em todos os resistores: IT = I1 = I2 = I3 ... = In

Resistência: A resistência total é a soma das resistências parciais: RT = R1 + R2 + R3 ... + Rn

(15)

Associação em Paralelo

Tensão: A tensão é a mesma da fonte em cada resistor do circuito: VT = V1 = V2 = V3 ... = Vn

Corrente: A soma das correntes dos resistores é igual a corrente total do circuito: IT = I1 + I2 + I3 ... + In

Resistência: A resistência equivalente é calculada através das seguintes fórmulas:

(16)

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Utilizando as leis de Kirchhoff, calcule todas as correntes das malhas e as quedas de tensão no circuito. Dados: VA = 116V, VB = 20V, R1 = 8Ω, R2 = 6Ω, R3 = 4Ω.

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CORRENTE ALTERNADA

Quantos radianos correspondem a 30º ?

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(50)

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(64)

CAPACITORES

É um componente constituído por dois condutores separados por um isolante: os condutores são chamados armaduras (ou placas) do capacitor e o isolante é o dielétrico do capacitor. O dielétrico pode ser um isolante qualquer como o vidro, a parafina, o papel e muitas vezes é o próprio ar.

(65)

CAPACITORES

Processos de Carga de um Capacitor: Na figura abaixo o gerador retira elétrons da armadura A, que vai se eletrizando positivamente, e introduz elétrons na armadura B.

(66)

CAPACITORES

Associação de Capacitores em Série

Para a determinação do capacitor equivalente usaremos:

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CAPACITORES

Associação de Capacitores em Paralelo

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(69)

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(99)

(100)

(101)

(102)

(103)

(104)

(105)

(106)

(107)

(108)

(109)

(110)

(111)

(112)

(113)

(114)

(115)

(116)

(117)

(118)

(119)

(120)

(121)

(122)

(123)

(124)

(125)

(126)

(127)

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(129)

EQUIPAMENTOS DE MEDIÇÃO

(130)

(131)

(132)

(133)

Oferece

a

facilidade

de

mostrar

diretamente em seu display, o valor

numérico da grandeza medida, sem

termos

que

ficarmos

fazendo

multiplicações

(como

ocorre

com

multímetros analógicos).

(134)

Pode ser utilizado para diversos tipos de medidas, as três mais comuns são:

• tensão elétrica (medida em volts – V)

• corrente elétrica (medida em amperes – A - mA) • resistência elétrica (medida em Ohms – W)

Escalas para outras medidas específicas como: temperatura, semicondutores, capacitância, ganho de transistores, frequência, continuidade, etc.

(135)

O valor da escala já indica o máximo valor a ser medido por ela, independente da grandeza.

• V_CC ou V_DC: 200mV, 2V, 20V, 1000V ou 200m, 2, 20, 1000. • V_CA ou V_AC: 200 V, 750 V ou 200, 750. • R: 200, 2000, 20k, 200k, 2M ou 200, 2k, 20k, 200k, 20000k. • I_CC ou I_DC : 200, 2000, 20m, 200m, 2A, 20A ou 200, 2m, 20m, 200m, 2, 10. • I_CA ou I_AC: 2 A, 10 A ou 2, 10.

MULTÍMETRO DIGITAL

(136)

Importante:

saber selecionar a escala correta

para a medição a ser feita. Sendo assim

podemos exemplificar algumas grandezas com

seus respectivos nomes nas escalas:

• Tensão contínua = V

_CC

, DCV, V

_DC

(ou um V com duas linhas sobre ele, uma

tracejada e a outra continua).

• Tensão alternada = V

_CA

, ACV, V

_AC

(ou um V com um ~ sobre ele).

(137)

• Corrente contínua = DCA, ADC

(ou um A com duas linhas sobre ele, uma

tracejada e uma continua).

• Corrente alternada = ACA

(ou um A com um ~ sobre ele).

• Resistência = Ohms W

(138)

MEDIÇÃO

DE

TENSÃO:

é

necessário

conectar as pontas de prova em paralelo

com o ponto a ser medido.

(139)

MEDIÇÃO DE CORRENTE: é necessário conectar as pontas de prova em série com o ponto a ser medido. É importante frisar que a maioria dos multímetros digitais só mede corrente contínua, portanto não devem ser usados para se medir a corrente alternada fornecida pela rede elétrica.

(140)

MEDIÇÃO DE

RESISTÊNCIAS

Desligar todos os pontos da

peça a ser medida e

encostarmos uma ponta de prova em cada lado da

peça. No caso de uma

lâmpada incandescente

encostamos uma ponta de prova na rosca e outra na parte inferior e metálica do conector da lâmpada.

(141)

Todas estas medidas devem ser feitas

com critério e nunca encostar as mãos

em nenhuma ponta de prova durante uma

medida, caso isto aconteça corre o risco

de levar um choque elétrico e/ou ter-se

uma leitura errada.

(142)

Borne comum: normalmente indicado por COM

–

é onde deve estar sempre ligada a ponta de prova

preta.

Borne indicado por V/Ohms

– nele deve estar

conectada a ponta de prova vermelha para a

medição de tensão (contínua ou alternada),

resistência e corrente na ordem de miliamperes.

Borne indicado por A ou mA

– a ponta de prova

vermelha deve ser ligada nele para a medição de

corrente continua ou alternada.

(143)

O quarto borne em um multímetro pode ser

utilizado

para

a

medição

de

correntes

continuas mais elevadas, como exemplo, até

10A. Neste caso a indicação no borne seria

10A ou 10 ADC.

(144)

OSCILOSCÓPIO

O osciloscópio, de forma dinâmica, representa sinais

elétricos com variação no tempo em duas

dimensões (normalmente tensão vs. tempo).

O osciloscópio é utilizado por engenheiros e

técnicos para testar, verificar e depurar projetos eletrônicos.

(145)

(146)

As pontas de prova são usadas para transferir o sinal do dispositivo sendo submetido ao teste para as entradas BNC do osciloscópio.

O tipo de ponta de prova mais comumente utilizado é chamado de "Ponta de prova passiva 10:1 divisora de tensão".

146

(147)

Ponta de Prova 10:1

(148)

• Passiva: Não inclui elementos ativos, como

transistores ou amplificadores.

• 10 para 1: Reduz a amplitude do sinal

fornecido na entrada BNC do osciloscópio

por um fator de 10.

• Além disso, aumenta a impedância de

entrada em 10X.

• Todas as medições devem ser realizadas em

relação ao terra!

(149)

(150)

(151)

(152)

V

olts

Tempo

Vertical = 1 V/div Horizontal = 1 µs/div

1 Div

1

D

iv

(153)

Área de exibição da forma de onda mostrada

com linhas de grade (ou divisões).

Os espaços verticais das linhas de grade estão

relacionados à configuração de volts/divisão.

Os espaços horizontais das linhas de grade

estão

relacionados

à

configuração

de

segundos/divisão.

(154)

V

p

-p

Period

Vertical = 1 V/div Horizontal = 1 µs/div

V

max

(155)

Período (T) = 4 divisões x 1 µs/div = 4 µs

Frequência = 1/T = 250 kHz.

V p-p = 6 divisões x 1 V/div = 6 V p-p

(156)

Ponto de disparo

Disparo = Borda ascendente a 0,0 V

(157)

− Ajuste o botão V/div até que a forma de onda preencha a maior parte da tela verticalmente.

− Ajuste o botão de posição vertical até que a forma de onda esteja centralizada verticalmente.

− Ajuste o botão s/div até que apenas alguns ciclos sejam exibidos na horizontal.

− Ajuste o botão de nível de disparo até que o nível seja definido próximo ao meio da forma de onda na vertical.

- Muitos ciclos sendo exibidos.

- Amplitude escalonada muito baixa. Condição de configuração inicial

(exemplo)

Condição de configuração ideal

(158)

(159)

(160)

(161)

(162)

(163)

 A energia elétrica produzida nas usinas hidrelétricas é levada, mediante condutores de eletricidade, aos lugares mais adequados para o seu aproveitamento. Ela iluminará cidades, movimentará máquinas e motores.

 Para o transporte da energia até os pontos de utilização, não bastam fios e postes, toda a rede de distribuição depende dos transformadores, que elevam e diminuem a tensão. Nesse sobe e desce, eles resolvem não só um problema econômico, reduzindo os custos da transmissão à distância de energia, como melhoram a eficiência do processo.

(164)

(165)

(166)

(167)

(168)

 O transformador é um conversor de energia eletromagnética, cuja operação pode ser explicada em termos do comportamento de um circuito magnético excitado por uma corrente alternada. Consiste de duas ou mais bobinas de múltiplas espiras enroladas no mesmo núcleo magnético, isoladas deste.

 Uma tensão variável aplicada à bobina de entrada (primário) provoca o fluxo de uma corrente variável, criando assim um fluxo magnético variável no núcleo. Devido a este é induzida uma tensão na bobina de saída (ou secundário). Não existe conexão elétrica entre a entrada e a saída do transformador.

(169)

 Um transformador ideal deve respeitar as seguintes premissas:

 Todo o fluxo deve estar confinado ao núcleo e enlaçar os dois enrolamentos.

 As resistências dos enrolamentos devem ser desprezíveis.

 As perdas no núcleo devem ser desprezíveis.

(170)

(171)

TRANSFORMADOR PRIMÁRIO SECUNDÁRIO 110 V 220 V 10 A 5 A ELEVAR A TENSÃO E ABAIXAR A CORRENTE

TRANSFORMADORES

(172)

TRANSFORMADOR PRIMÁRIO SECUNDÁRIO 220 V 110 V 5 A 10 A ABAIXAR A TENSÃO E ELEVAR A CORRENTE

TRANSFORMADORES

(173)

• Os transformadores monofásicos possuem:

• Um núcleo de ferro.

• Enrolamentos (primário e secundário).

• Isolamento entre os enrolamentos.

(174)

TRANSFORMADORES

Enrolamento Primário Enrolamento Secundário Núcleo Isolamento

(175)

•Alimentando a bobina primária com C.A. produz um campo magnético alternado.

•As linhas de força são conduzidas pelo Núcleo que submete a bobina secundária a ação deste campo.

TRANSFORMADORES

(176)

TRANSFORMADORES

• Elevador de tensão: Mais espiras no secundário que no primário.

V₁ = 50 V V₁ = 100 V

600 Esp

1.200 Esp

(177)

• Abaixador de tensão: Mais espiras no primário que no secundário.

TRANSFORMADORES

V₁ = 100 V V₁ = 50 V 1.200 Esp 600 Esp PRIMÁRIO SECUNDÁRIO

(178)

V

₁

V

₂

=

N

₁

N

₂

V

₁

V

₂

N

₁

N

₂ = Tensão primária = Tensão secundária

= Número de espiras do primário = Número de espiras do secundário

TRANSFORMADORES

•A tensão induzida e sempre proporcional ao número de espiras da bobina de acordo com a indução magnética que a provocou, podendo ser calculada pela relação de transformação a seguir:

(179)

I

₁

I2

=

N

₂

N

₁

I

₁

I

₂

N

₁

N

₂ = Corrente primária = Corrente secundária

= Número de espiras do secundário

TRANSFORMADORES

•A relação entre o número de espiras e a corrente que circula no enrolamento e inversamente proporcional, isto e, quanto menor o número de espiras, maior a corrente. A equação a seguir pode confirmar isso:

(180)

Sistema AC Trifásico

O sistema AC trifásico é um sistema de

fornecimento de energia elétrica composto de

três fases, podendo conter um fio de referência

(neutro).

As formas de onda das tensões de um sistema

desse tipo são apresentadas na figura. Note a

defasagem de 120° entre o início das formas de

onda nas fases A, B e C.

(181)

(182)

◼

Atualmente o sistema trifásico é o padrão

para a geração, transmissão e distribuição

de energia elétrica em corrente alternada.

◼

Aprender o cálculo e a relação existente

entre

as

grandezas

elétricas

(tensão,

corrente e potência) nos circuitos trifásicos.

(183)

◼ As primeiras linhas de transmissão de energia elétrica surgiram no final do século XIX.

◼ Destinavam-se exclusivamente ao suprimento do sistema de iluminação, pequenos motores e sistema de tração (railway) e operavam em corrente

contínua a baixa magnitude de tensão.

◼ A geração e transmissão usando os mesmos níveis de tensão das diferentes cargas restringiu a distância entre a planta de geração e os consumidores.

◼ A tensão da geração em corrente contínua não podia ser facilmente aumentada para a transmissão a grandes distâncias.

◼ Classes diferentes de cargas exigem diferentes níveis de tensões, e diferentes geradores e circuitos eram usados especificamente para cada conjunto de carga.

(184)

Ruas da cidade de

New York em 1890.

Além das linhas de

telégrafo,

múltiplas

linhas

elétricas

foram exigidas para

cada tipo de carga,

que trabalhavam a

diferentes níveis de

tensões.

(185)

◼ Para realizar uma transmissão de energia elétrica a grandes distâncias era necessário um nível elevado de magnitude de tensão, e essa tecnologia de conversão para corrente contínua não era viável naquela época.

◼ A mudança da transmissão de corrente continua para corrente

alternada foi devido principalmente aos seguintes motivos:

◼ O desenvolvimento e uso dos transformadores, permitindo a transmissão a grandes distâncias usando altos níveis de tensão, reduzindo as perdas elétricas dos sistemas e a queda de tensão;

◼ A elevação/redução da magnitude de tensão é realizado com uma alta eficiência e a baixo custo através dos transformadores.

◼ Surgimento de geradores e motores em corrente alternada, construtivamente mais simples, eficientes e baratos que as máquinas em corrente contínua;

(186)

◼ Se o enrolamento de campo é excitado por uma corrente continua e o rotor gira a uma velocidade constante, então a tensão induzida (e) será proporcional à magnitude da densidade de fluxo (B).

◼ Desvantagem: um espaço significante não é utilizado no estator e a existência de uma potência pulsante.

◼ Sugestão: usar sistemas polifásicos.

a -a Estator Enrolamento de armadura Caminho de fluxo Eixo magnético do enrolamento de armadura  _B_B  0 π _2π e t 0 e_a

(187)

◼ Porque usar um sistema trifásico?

◼ Um gerador trifásico aproveita melhor o espaço físico, resultando em um gerador de tamanho reduzido e mais barato, comparado com os geradores monofásicos de igual potência.

◼ Um sistema monofásico precisa de dois condutores; e um sistema trifásico (perfeitamente balanceado) precisa de três condutores, porém conduz três vezes mais potência. Na prática, devido a pequenos desequilíbrios inevitáveis, os sistemas trifásicos contam com um quarto condutor, o neutro.

◼ Duas alternativas de distribuição: monofásico e trifásico, permitindo o fornecimento a consumidores domiciliares e industriais.

◼ Os motores trifásicos são superiores aos motores monofásicos em rendimento, tamanho, fator de potência e capacidade de sobrecarga.

(188)

◼ Três bobinas defasadas em 120 graus elétricos no espaço geram um conjunto de três tensões de mesmo valor máximo, defasadas de 120 graus elétricos no tempo.

◼ As três tensões são conhecidas como FASES.

◼ No caso de conexão em Y, há dois valores de tensões distintas: tensão de fase e tensão entre duas fases qualquer.

a -a Estator Caminho de fluxo Eixo magnético do enrolamento de armadura  Enrolamento de armadura c b -c -b e t 0 e_a e_b e_c B  0 π _2π

(189)

Geradores e Motores de Corrente

Alternada

(190)

Definições

• Máquinas elétricas são dispositivos capazes de converter energia elétrica em energia mecânica e vice-versa.