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Circuitos Elétricos Material Teórico Responsável pelo Conteúdo: Prof. Ms. Fábio Peppe Beraldo Revisão Textual: Prof. Ms. Claudio Brites Os Componentes Indutores e Capacitores • Introdução • Os Indutores • Capacitores · Apresentar os princípios físicos dos componentes elétricos indutores e capacitores e então exemplificar as aplicações de cada um, além de demonstrar os cálculos comprobatórios de seus valores. OBJETIVO DE APRENDIZADO Os Componentes Indutores e Capacitores Orientações de estudo Para que o conteúdo desta Disciplina seja bem aproveitado e haja uma maior aplicabilidade na sua formação acadêmica e atuação profissional, siga algumas recomendações básicas: Assim: Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte da sua rotina. Por exemplo, você poderá determinar um dia e horário fixos como o seu “momento do estudo”. Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar, lembre-se de que uma alimentação saudável pode proporcionar melhor aproveitamento do estudo. No material de cada Unidade, há leituras indicadas. Entre elas: artigos científicos, livros, vídeos e sites para aprofundar os conhecimentos adquiridos ao longo da Unidade. Além disso, você também encontrará sugestões de conteúdo extra no item Material Complementar, que ampliarão sua interpretação e auxiliarão no pleno entendimento dos temas abordados. Após o contato com o conteúdo proposto, participe dos debates mediados em fóruns de discussão, pois irão auxiliar a verificar o quanto você absorveu de conhecimento, além de propiciar o contato com seus colegas e tutores, o que se apresenta como rico espaço de troca de ideias e aprendizagem. Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte Mantenha o foco! Evite se distrair com as redes sociais. Mantenha o foco! Evite se distrair com as redes sociais. Determine um horário fixo para estudar. Aproveite as indicações de Material Complementar. Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar, lembre-se de que uma Não se esqueça de se alimentar e se manter hidratado. Aproveite as Conserve seu material e local de estudos sempre organizados. Procure manter contato com seus colegas e tutores para trocar ideias! Isso amplia a aprendizagem. Seja original! Nunca plagie trabalhos. UNIDADE Os Componentes Indutores e Capacitores Introdução Antes de falarmos sobre os componentes em si, principalmente dos indutores, precisamos entender alguns princípios físicos que definem o funcionamento des- ses dispositivos. Um desses princípios é a Força Magnética, essa força pode ser definida como um campo eletromagnético que gera influência sobre as cargas elétricas, sendo ela uma das quatro forças fundamentais. As demais forças são: a força nuclear forte (que mantém o núcleo atômico coeso), a força nuclear fraca (que causa certas formas de decaimento radioativo) e a força gravitacional. Quaisquer outras forças provêm necessariamente dessas quatro forças fundamentais. As forças eletromagnéticas possuem influência em quase tudo em nosso dia a dia; menos na gravidade. Esses fenômenos acontecem uma vez que as interações entre os átomos são controladas, geradas ou influenciadas pelo eletromagnetismo, já que esses átomos são aglomerados de prótons e elétrons que possuem cargas elétricas, sendo os elétrons considerados as próprias cargas elétricas. Como as forças eletromagnéticas exercem influência sobre essas relações intermoleculares e tudo no universo – inclusive nós, pois somos feitos de átomos e moléculas –, por consequência elas também influenciam a nós e a qualquer outra coisa à nossa volta, além ainda, de fenômenos químicos e biológicos que são consequências das relações intermoleculares. 8 9 Controlando o Magnetismo Essa introdução rápida do conceito de forças eletromagnéticas nos leva a ideia de como podemos controlá-la e é nesse ponto que lembramos do componente elé- trico chamado indutor. Um indutor é um componente elétrico do tipo passivo que possui a capacidade de armazenar energia na forma de campo magnético através de uma sequência combinatória de vários efeitos de loops da corrente elétrica. Os Indutores Os indutores são construídos na forma de uma bobina feita de material condu- tor, como, por exemplo, um fio de cobre. O seu núcleo, feito de material ferromag- nético, faz com que a indutância aumente e concentre as linhas de força do campo magnético que fluem no interior das espiras do componente. Existem variações de indutores que são construídos em circuitos integrados utilizando o mesmo processo que é usado em chips de computadores. E, nesses casos, o alumínio é normalmente o elemento utilizado como material condutor da bobina, no lugar do cobre. Esse método de construção não é muito utilizado porque a construção de indutores em circuitos impressos não possui efetividade espacial; eles são mais volumosos, o que acarreta um uso em menor escala. A saída alternativa para a de aplicação é o gyrator, que é muito mais comum. Um gyrator nada mais é do que um componente capacitor projetado de forma a comportar-se como um indutor. Mais uma alternativa de aplicação para pequenos indutores usados em frequências de operação mais altas é a fabricação do indutor com um fio passando através de um cilindro de ferrite. A Indutância A indutância é na verdade a grandeza física que associamos aos indutores: • simbolismo da indutância ( L ); • unidade de medida da indutância, Henry ( H ); • representação gráfica, fio helicoidal. Figura 1 – Representação gráfi ca em bobina helicoidal Fonte: iStock/Getty Images 9 UNIDADE Os Componentes Indutores e Capacitores É possível interpretar também que a indutância é o parâmetro pelo qual os circuitos lineares relacionam a tensão induzida pelo campo magnético com a corrente que gera o campo. A tensão entre os terminais de um indutor é proporcional à taxa de variação da corrente que o atravessa. Matematicamente, temos: u L di dt t t( ) = ( ) Onde: • u(t) é a tensão instantânea; sua unidade de medida é o volt (V); • L é a indutância; sua unidade de medida é o Henry (H); • i(t) é a corrente instantânea; sua unidade de medida é o ampere (A); • t é o tempo (s). Obs.: Alguns autores podem usar a simbologia em fórmulas da tensão direta- mente como sua unidade ( V ), ficando V=etc…; isso não influencia em cálculo, é apenas nomenclatura, basta você lembrar o que está sendo representado. Através da fórmula apresentada, podemos notar que a tensão que existe entre os terminais do indutor é dependente direta da variação temporal da corrente elé- trica que circula pelo componente, sendo essa expressa pelo termo di(t)/dt. É possível demonstrar qual a potência elétrica instantânea de um indutor uti- lizando a fórmula a seguir: P LI dI dt L L L= × Continuamos trabalhando nessa equação fazendo a derivação da energia eletromagnética que é armazenada no indutor, e assim obtemos: E = P ×dt E P t E LI dI E LI L L L L L L L L 2 L ∫ = × = × = ∫ 2 10 11 Resumo da Equações do Indutor Tensão u L di dt t t( ) = ( ) Potência Elétrica P LI dI dt L L L= × Energia Eletromagnética E = P ×dt E P t E LI dI E LI L L L L L L L L 2 L ∫ = × = × = ∫ 2 Os equipamentos onde podemos encontrar os indutores são inúmeros, mas, de formas mais costumeiras, temos os equipamentos que realizam conversões de energia elétrica para fazer a alimentação de circuitos integrados e outros equipa- mentos eletrônicos. Um exemplo prático de dispositivo indutor são as Fontes Chaveadas que possuem a função exata comentada aqui, que é chavear corrente, sendo representada por: Figura 2 – Representação de um circuito de fonte chaveadora Alterando o Comportamento da Indutância Os indutores podem ser construídos de formas diferentes e em cada um desses formatos de construção influenciam e determinam a quantidade de indutância do componente, já que as modificações feitas visam a alterar ou controlar o fluxo docampo magnético. Eles são desenvolvidos para uma determinada intensidade de campo magnético (corrente através do indutor de bobina de fio). Uma das formas de construção dos indutores envolve a modificação do núme- ro de espiras das bobinas, isso faz com que: quanto maior o número de espiras, mais será a indutância; por consequência, quanto menor a quantidade das espiras, menor será a indutância. Podemos entender esse efeito imaginando que com mais espiras gera-se uma quantidade maior de força vinda do campo eletromagnético. 11 UNIDADE Os Componentes Indutores e Capacitores Outra forma de construção cria modificações na área da bobina, que faz com que a indutância aumente conforme aumenta a área da bobina e, inversamente, a indutância será menor quanto menor for a área da bobina. Isso ocorre, pois, uma área maior ira se opor menos à formação do campo eletromagnético. Modificar o comprimento da bobina, ou espaçar as espiras, também irá influenciar no valor da indutância, da seguinte forma: quanto maior o comprimento da bobina, menor será a indutância e quanto menor o comprimento, maior será a indutância. O valor da indutância irá variar inversamente o comprimento da bobina uma vez que o maior caminho imposto para o campo magnético percorrer influencia na formação do próprio campo, diminuindo assim a indutância. Por fim, uma outra forma de modificar os valores da indutância é através da mudança do material do núcleo da bobina. Essa alteração influencia a indutância uma vez que: quanto maior for a permeabilidade magnética do núcleo onde enrola- -se a bobina, maior será a indutância do componente; e quanto mais baixa for a permeabilidade do núcleo, menor será a indutância. 12 13 O material do núcleo, se possuir uma alta permeabilidade magnética, ou seja, um transporte mais facilitado ou uma menor resistência à passagem do campo magnético, apresentará justamente um fluxo maior desse campo magnético. Para caráter de cálculo, podemos fazer uma aproximação do valor da indutância pela equação a seguir. É importante ter em mente que esse cálculo gera somente uma aproximação do valor real da indutância, uma vez que essa é a mais complicada de se obter, pois a indutância irá variar com a permeabilidade do material. Mas como assim a permeabilidade muda? Dependendo da intensidade com o campo magnético, esse próprio campo alterará a permeabilidade do material, assim, os engenheiros de dispositivos elétricos buscam minimizar esse efeito desenvolvendo núcleos que não permitem que o fluxo do campo magnético atinja o ponto de saturação do material do núcleo. Esses cálculos são muito mais complexos e envolvem não somente princípios físicos, mas também químicos moleculares de cada material e, portanto, não serão alvo de nossos estudos, apenas o cálculo aproximado será analisado agora: L= N A2 1 × ×µ µ µ µ= ×r 0 1 r Onde: • L = Indutância do núcleo, em Henrys; • N = Número de espirais da bobina; • µ = Permeabilidade absoluta do material no núcleo; • rµ = Permeabilidade relativa (quando o núcleo for “ar” 0µ = 1); • 0µ = Permeabilidade no vácuo ( 0µ = 1,26 x 10-6 T-m/At); • A = Área da bobina em m2 ( 2rπ ); • 1 = Comprimento médio da bobina em metros. 13 UNIDADE Os Componentes Indutores e Capacitores Os Indutores Variáveis Além das fabricações já citadas, há ainda um tipo diferenciado de indutor classi- ficado como indutores variáveis. Esses indutores variáveis possuem uma fabrica- ção para que seja possível variar a quantidade de espiras para atingir a indutância requerida no momento de uso ou, ainda, mudando o tipo do material do núcleo. Associação em Série de Indutores De forma semelhante à associação em série de resistores, quando utilizamos uma associação e série de indutores, a indutância total resultante será a soma das indutâncias individuais. Podemos conceituar nesse caso que a indutância resultante é relativa à quantidade de perda de tensão que ocorre no indutor a uma corrente pré-definida; uma vez em série, os indutores serão afetados pela mesma corrente e tensão e assim cada queda de tensão fará com que a indutância de cada indutor aumente sequencialmente. L L +L + L TOTAL 1 2 N = Associação Paralela de Indutores Quando os indutores estão associados de forma paralela, a indutância total será menor que a indutância de cada indutor em paralelo. Vale lembrar também que haverá uma menor queda de tensão através dos indutores paralelos para uma determinada corrente dada: L 1 L L Ln TOTAL 1 2 = + + 1 1 1 Resumidamente: • Quando em associação em série, a indutância aumentará; • Quando em associação em paralelo, a indutância diminuirá. Considerações quanto à Aplicação Prática dos Indutores Como qualquer outro componente eletrônico, os indutores possuem limitações que devem sempre ser levadas em consideração para uma aplicação prática efetiva. Vamos ver os principais fatores agora: 14 15 Corrente Nominal: esse fator deve ser levado em consideração devido ao fato de o fio enrolado, que forma o indutor, possuir limitação quanto à capacidade de corrente transportada, à resistência, bem como sua capacidade de dissipar calor; Circuito Equivalente: novamente, devido ao fator resistência do fio do indutor, o mesmo deve sempre ser construído buscando o melhor design possível com uma resistência aceitável; Tamanho Indutor: por padrão, os indutores são componentes grande se comparados com os capacitores, por exemplo, e exatamente esse fator deve sempre ser levado em consideração quando da necessidade de desenvolver seu circuito. Se um engenheiro precisa armazenar uma grande quantidade de energia em um volume pequeno e tem a liberdade de escolher capacitores ou indutores para essa tarefa, ele ou ela provavelmente escolherá um capacitor; Interferência: os indutores podem afetar componentes próximos em uma placa de circuito com seus campos magnéticos, que podem se estender por distâncias significativas para além do indutor. Novamente, se o engenheiro precisa de um circuito muito pequeno ou já trabalha em uma área apertada, talvez os indutores não sejam uma opção tão vantajosa quanto os capacitores. Capacitores Os capacitores podem ser conceitualizados como dispositivos formados por dois elementos condutores próximos um ao outro, isolados entre si, que interagem apenas por efeito de campo elétrico e, dessa forma, as linhas de campo que saem de um condutor atingem o outro. A resultante desse fenômeno é uma indução eletrostática elevada que gera uma capacidade de armazenamento de carga também elevada, bem como o armazenamento de energia potencial elétrica. As formas dos capacitores variam, mas todos contêm pelo menos dois condutores elétricos (placas) separadas por um dielétrico (isto é, do isolador). Os capacitores podem ser filmes finos, folhas ou grânulos sintetizados de metal ou eletrólito condutor etc. Os dielétricos podem ser de vidro, cerâmica, película, plástico, ar, vácuo, papel, mica, óxido de camada etc. Os capacitores são amplamente usados como componentes de circuitos elétricos, em muitos dispositivos elétricos comuns – ao contrário de uma resistência, um capacitor ideal não dissipa a energia; em vez disso, armazena energia sob a forma de um campo eletrostático entre as placas. Na existência de um diferencial de potência entre os condutores (por exemplo, quando um capacitor é ligado através de uma bateria), um campo elétrico se desenvolve através do dielétrico, causando carga positiva +Q sobre uma das placas e carga negativa -Q sobre a outra placa. Se a bateria for ligada ao capacitor por um período de tempo suficiente, a corrente não fluirá através do capacitor. No entanto, se uma tensão variável por tempo é aplicada através dos terminais do capacitor, uma corrente de deslocamento pode fluir. 15 UNIDADE Os Componentes Indutores e Capacitores Figura 3 – Partes do capacitor Um capacitor ideal é caracterizado pela sua capacitância. A capacitância é expressa como a proporção entrea carga elétrica Q em cada um dos condutores e a diferença de potencial V entre eles. A unidade SI de capacitância é a Farad (F), que é igual a um Coulomb por volt (1 C/V). A capacitância é maior quando há uma separação menor entre os condutores e quando os condutores têm uma área de superfície maior. Na prática, o dielétrico entre as placas ainda passa uma pequena quantidade de corrente de fuga e também tem um limite de campo elétrico, conhecida como a tensão de ruptura. Os condutores e cabos introduzem uma indutância e resistência indesejadas. Os capacitores são amplamente utilizados em circuitos eletrônicos para o bloqueio de corrente contínua, permitindo a passagem de corrente alternada. Nas redes de filtro analógico, eles suavizam a saída de fontes de alimentação. Em circuitos ressonantes, sintonizam radiofrequências específicas. Em sistemas de transmissão de energia elétrica, eles estabilizam o fluxo de tensão e potência. Como já dito, um capacitor ideal é caracterizado pela capacitância C, definido como a razão entre a carga ±Q em cada um dos condutores e a diferença de potencial V entre os dois: C ±Q V = Uma vez que os condutores (ou placas) estão próximos um do outro, as cargas opostas passam a se atrair devido aos seus campos elétricos, permitindo que o capacitor possa armazenar mais carga para uma dada tensão, dando ao capacitor uma grande capacitância. 16 17 A energia potencial de um capacitor é dada quando Q, que é a carga do capacitor e a diferença de potencial V entre as placas, for: E Q V 2 = × Uma vez que Q = C × V, a energia pode também ser escrita em função da capacidade e da diferença de potencial: E C V 2 2 = × Alterando o Comportamento da Capacitância Basicamente, podemos alterar o efeito da capacitância através de três efeitos que possuem influência sobre o comportamento da capacitância através de alterações em como se dá o fluxo do campo magnético do componente. Um dos fatores que influenciam a capacitância é a área das placas dos capa- citores. Quanto maior a área das placas, maior será a capacitância; e de forma contraria, quanto menor a área das placas, menor será a capacitância. Isso ocorre uma vez que uma placa maior permite um fluxo maior de campo magnético, o que resulta em uma maior capacitância. área maior área menor capacitância maior capacitância menor O próximo fator que devemos prestar atenção é no espaçamento entre as pla- cas, onde: quanto maior o espaçamento, menor capacitância; quanto menor o espa- çamento, temos maior capacitância. Isso ocorre porque, em um espaçamento me- nor, é necessária uma força de campo maior e, assim, um campo magnético maior; e quanto menor, precisa-se de menos força de campo, assim o campo é menor. 17 UNIDADE Os Componentes Indutores e Capacitores espaçamento maior espaçamento menor capacitância menor capacitância maior O terceiro fator e talvez o mais utilizado é o material dielétrico utilizado no capa- citor, em que, com uma permissividade maior do material dielétrico, teremos maior capacitância e vice-versa. Esses fatores são definidos por cálculos específicos, e não somente por princípios físicos; esses cálculos também dependem da constante dielétrica de cada material, como veremos a seguir. Constante Dielétrica Vamos tomar como exemplo um capacitor com vácuo entre suas placas, onde a capacidade é representada por C. Se colocarmos um material isolante entre as placas do capacitor, perceberemos que a capacidade do dispositivo irá aumentar para C’, dessa forma podemos calcular a constante dielétrica por: K= C C ' Outra forma de calcular a constante dielétrica, por aproximação, para qualquer elemento, pode ser dado por: C= Aε × d Onde: • C = capacitância; • ε = permissividade absoluta do material dielétrico; • A = área das placas em m2; • d = distância entre as placas. 18 19 Para facilitar, usa-se tabelas com as constantes dielétricas mais utilizadas, conforme a tabela a seguir: Tabela 1 – Constantes Dielétricas comuns Material Constante Dielétrica Vácuo 1,0 Ar 1,0006 PTFE, FEP (“Teflon”) 2,0 Polipropileno 2,20 a 2,28 Resina ABS 2,4 a 3,2 Poliestireno 2,45 a 4,0 Papel encerado 2,5 Óleo transformador 2,5 a 4 Borracha dura 2,5 a 4,80 Madeira (Carvalho) 3,3 Silicones 3,4 a 4,3 Baquelita 3,5 a 6,0 Quartzo fundido 3,8 Madeira (Maple) 4,4 Vidro 4,9 a 7,5 Óleo de rícino 5,0 Madeira (Vidoeiro) 5,2 Mica 5,0 a 8,7 Mica ligada ao vidro 6,3 a 9,3 Porcelana 6,5 Alumina 8,0 a 10,0 Água destilada 80,0 Bário-estrôncio-titanita 7500 Capacitores na Prática Os capacitores são classificados conforme o material de criação do dielétrico: • Cerâmica (valores baixos até cerca de 1 μF) » C0G ou NP0 – tipicamente de 4,7 pF a 0,047 μF, 5 %. Alta tolerância e performance de temperatura. Maiores e mais caros; » X7R – tipicamente de 3300 pF a 0,33 μF, 10 %. Bom para acoplamento não-crítico, aplicações com timer; » Z5U – tipicamente de 0,01 μF a 2,2 μF, 20 %. Bom para aplicações em bypass ou acoplamentos. Baixo preço e tamanho pequeno. • Poliestireno (geralmente na escala de picofarads); • Poliéster (de aproximadamente 1 nF até 10 μF); • Polipropileno (baixa perda, alta tensão, resistente a avarias); 19 UNIDADE Os Componentes Indutores e Capacitores • Tântalo (compacto, dispositivo de baixa tensão, de até 100 μF aproximadamente); • Eletrolítico (de alta potência, compacto, mas com muita perda, na escala de 1 μF a 1000 μF). Capacitores também podem ser fabricados em aparelhos de circuitos integrados de semicondutores, usando linhas metálicas e isolantes num substrato. Tais capacitores são usados para armazenar sinais analógicos em filtros chaveados por capacitores, e para armazenar dados digitais em memória dinâmica de acesso aleatória (DRAM). Diferentemente de capacitores discretos, porém, na maior parte do processo de fa- bricação, tolerâncias precisas não são possíveis (15 % a 20 % é considerado bom). Associação em Série de Capacitores Se dois ou mais capacitores estiverem associados em série, o efeito será p de um único capacitor equivalente. Como vimos, um aumento no espaçamento da placa, com todos os outros fatores inalterados, resulta em uma capacitância reduzida. Assim, a capacitância total é menor do que qualquer um dos capacitores individuais. A fórmula para calcular a capacitância total da série é a mesma forma que é usada para calcular resistências paralelas. C C C C TOTAL 1 2 n = + + 1 1 1 1 Associação Paralela de Capacitores Quando os capacitores são associados de forma paralela, a capacitância total é a soma das capacitâncias dos capacitores individuais. Como vimos no material, um aumento na área da placa, com todos os outros fatores inalterados, resulta em capacitância aumentada. Logo: C C +C C TOTAL 1 2 N = + Resumidamente: • Quando em associação em série, a capacitância diminuirá; • Quando em associação em paralelo, a capacitância aumentará. 20 21 Considerações Importantes na Aplicação dos Capacitores Como vimos com os indutores, os capacitores também possuem alguns fatores que influenciam sua aplicação final. Veremos agora os de maior influência: Tensão: é importante sempre estar atento à voltagem entre as placas do capacitor, uma vez que o aumento descontrolado dessa voltagem pode levar o material dielétrico ao curto circuito; Polaridade: geralmente os capacitores são construídos para suportar a passagem da voltagem em uma única direção e isso ocorre principalmente pelo efeito interno do material dielétrico, que funcionará como uma camada microscopicamente fina de isolamento depositado sobre uma das chapas por uma tensão contínua. Esse método de fabricação é conhecido como capacitores eletrolíticos; Circuito Equivalente: se considerarmos que as próprias placas do capacitor possuem sua resistência e que não existe um material dielétrico perfeitamente isolante, é possível considerar que o capacitor possa trabalhar como um resistor, seja em série ou paralelo. 21UNIDADE Os Componentes Indutores e Capacitores Material Complementar Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade: Livros Introdução à Análise de Circuitos Elétricos BOYLESTAD, Robert L. Introdução à análise de circuitos elétricos. 10. ed. São Paulo: Prentice Hall, 2004. Introdução aos Circuitos Elétricos DORF, Richard; SVOBODA, James A. Introdução aos Circuitos Elétricos. 7. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008. Circuitos Magnéticos GOZZI, G. G. M. Circuitos Magnéticos. São Paulo: Editora Érica, 1996. Fundamentos da Análise de Circuitos Elétricos HILBURN, John; JOHNSON, David E., JOHNSON, Johnny R. Fundamentos da Análise de Circuitos Elétricos. Rio de Janeiro: Editors LTC, 1994. Análise de Circuitos O’MALLEY. Análise de Circuitos. 2. ed. São Paulo: Makron Books, 1994. 22 23 Referências ALEXANDRE, Charles K.; SADIKU, Mathew N. O. Fundamentos de Circuitos Elétricos. Belo Horizonte: Bookman/UFMG, 2003. HAYT JUNIOR, William Hart; KEMMERLY, Jack E.; DURBIN, Steven M. Análise de Circuitos em Engenharia. 7. ed. São Paulo: McGraw-Hill, 2008. IRWIN, J. David. Análise de Circuitos em Engenharia. 4. ed. São Paulo: Makron, 2000. 23