CAPACITORES E TRANSFORMADORES Guilherme Lima Botelho, Jéferson Ferronato Universidade Federal do Pampa – Engenharia de Energias Renováveis e Ambiente – EERA UNIPAMPA, CEP 96400-000,Bagé (RS), Brasil e-mail:
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Resumo - Nesse relatório serão caracterizadas as práticas envolvendo capacitores e transformadores, tal como seu funcionamento e função, e os resultados obtidos. Este que tinha como objetivo visualizar de forma prática o funcionamento dos dois componentes e comparar o valor obtido através do multímetro e o valor teórico, por meio de equações conhecidas. Palavras-Chave – Capacitor, Multímetro, Circuito.
diversos
Abstract – This report will be characterized practices involving capacitors and transformers, as its operation and function, and the results obtained. This was intended to visualizeted the practical operation of the two components and comparing the value obtained by the multimeter and the theoretical value, by known equations. Keywords - Capacitor, Transformer, Multimeter, Circuit.
transformador,
circuito
retificador, capacitor de filtragem e circuito regulador de tensão. Nesse caso serão estudos os capacitores e transformadores, demonstrando seu funcionamento e como são constituídos. II.
Transformador,
CAPACITORES AND TRANSFORMER
componentes:
ANÁLISE TEÓRICA Um capacitor apresenta uma característica
elétrica dominante que é simples, elementar. Apresenta uma proporcionalidade entre corrente entre seus terminais e a variação da diferença de potencial elétrico
nos
terminais.
Ou
seja,
possui
uma
característica elétrica dominante com a natureza de uma capacitância. [1] Um
capacitor
é
fundamentalmente
um
armazenador de energia sob a forma de um campo eletrostático.
Uma
das
características
mais
interessantes do capacitor, que possibilita inúmeras I.
INTRODUÇÃO Os componentes eletrônicos necessitam de um
aplicações tecnológicas, sobretudo em eletrônica, é o seu tempo de carga e descarga.
suprimento de energia elétrica para o seu correto funcionamento. Esse suprimento de energia pode ser proveniente de baterias ou pilhas, entretanto muitos equipamentos destinam-se a aplicações residenciais ou industriais cuja principal fonte de energia é a rede elétrica de corrente alternada. Por isso precisamos ter uma forma de converter a energia das redes elétricas em energia adequada à operação de um circuito eletrônico. Esta fonte de energia é composta por
A unidade de capacitância, coulomb por volt, é denominada Faraday (F) em homenagem a Michael Faraday, pioneiro no desenvolvimento deste conceito. Entretanto, a unidade é muito grande para a maioria dos valores práticos e os submúltiplos (µF, nF, pF) são bastante empregados. Para o capacitor ser eletrizado, uma armadura é ligada a um pólo positivo de gerador eletriza-se positivamente e a outra ligada ao pólo negativo,
eletriza-se
negativamente.
Estando
o
capacitor eletrizado, suas armaduras apresentam cargas
intervalo de tempo um valor de carga Q1 positiva placa
elétricas de mesmo valor absoluto e sinais opostos, +Q
que estiver ligada ao “polo positivo” da bateria e igual
e –Q.[2]
quantidade Q1 de carga negativa na placa ligada ao
Todo capacitor se compõe de duas partes condutoras (chamadas armaduras) separadas por um material isolante (ou material dielétrico). Supondo as
"polo negativo".[3] A carga em cada armadura é dada pelo produto: Q1 = C *V1
Equação (2)
armaduras como duas placas metálicas planas (Fig. 1), tendo entre elas uma folha de dielétrico, a capacitância Se a bateria tiver uma tensão V2, a carga em
(C) desse conjunto é dada por:
cada armadura será Q2, obtendo-se: 𝐶 = 𝜀𝑜 × 𝜀 ×
𝐴 𝑑
Equação (1)
Eq. 1 onde:
Q2 = C * V2
Equação (3)
C = capacitância A = área de cada armadura d = espessura do dielétrico 𝜀o = constante dielétrica do vácuo = 4𝜋 × 10−7
Assim,
a
capacitância
C
representa
a
“capacidade” de a estrutura armazenar cargas elétricas.
𝜀 = constante dielétrica relativa do material isolante
Figura 2: Capacitor eletrolítico de 1000 μF, com tensão nominal de 25 V.
O outro componente utilizado no experimento é o transformador, que é um dos equipamentos elétricos de enorme utilização, dado que permite ajustar tensões e correntes às necessidades existentes. Figura 1. Esquema básico de um capacitor de placas planas paralelas
De fato se pensarmos na nossa forma de abastecimento
de
energia
elétrica,
desde
logo
concluímos que, frente à enorme quantidade de Quando o capacitor assim constituído for
utilizadores, a potência necessária é também enorme.
ligado a uma fonte de corrente contínua com tensão V1
Também o fato de as fontes de produção terem que
(uma bateria, por exemplo), tem-se após um certo
estar concentradas, economias de escala, introduz,
salvo raras exceções, distâncias elevadas entre a
da presença de uma tensão Y na primária, então
produção da energia elétrica e o seu consumo.
aplicando uma tensão X na secundária obter-se-á uma
Por tanto, temos uma enorme potência elétrica a
tensão Y na primária. [1]
transportar a uma elevada distância, o que, à luz dos nossos conhecimentos, introduzirá elevadas perdas de
Isso pode ser visto de uma forma prática na figura 4.
Joule, energia dissipada em forma de calor, o que não é, nitidamente, o objetivo pretendido. As fontes de tensões utilizadas em sistemas eletrônicos em geral são menores que 50V enquanto a
Figura 4
tensão de entrada de energia elétrica costuma ser de 110V ou 220V. Logo, a primeira etapa de processamento da energia é o rebaixamento do nível de
A. Representação do Transformador
tensão. O componente utilizado para esta tarefa é o
Eletricamente, o transformador é representado
transformador que opera segundo os princípios do
simbolicamente como na figura 5(a) ou como na figura
eletromagnetismo. O transformador é constituído por
5(b), sendo os enrolamentos primário e secundário,
duas bobinas (chamadas de enrolamentos) unidas
sujeitos às tensões vP e vS, respectivamente. Era
magneticamente através de um núcleo, mostrada na
habitual representar também o núcleo de ferro (que
figura 3.
realiza o acoplamento magnético) com dois traços
A energia flui de uma bobina para outra através do fluxo magnético. A primeira bobina, onde se liga a
entre os dois enrolamentos, mas tal tem sido abandonado.
fonte de tensão, é chamada de primária (ou enrolamento primário) e a segunda bobina, onde se vai buscar a tensão diferente, é chamada de secundária (ou enrolamento secundário).
Fig. 5(a)
III. Figura 3.
Este tipo de máquina elétrica é reversível. Isto é, se se obtém um valor de tensão X na secundária à custa
Fig. 5(b)
MATERIAIS E MÉTODOS
Os materiais utilizados estão descritos na tabela 1. Quantidade
Material
Descrição
4
Diodo
Modelo 1N4007
Dispositivo responsável por fornecer energia elétrica aos componentes
Fonte de alimentação
1 1
T1
220 Ω
Resistência
1
Placa protoboard
Prancha que permite a conexão de componentes eletrônicos sem a necessidade de solda
1
Transformador
220V – 13V
1
Capacitor
100 µF
Osciloscópio
Instrumento, de medição, que permite visualizar graficamente sinais elétricos.
1
D1 V1 220Vrms 60Hz 0°
D3
1N4007
D4
1N4007
D2
1N4007
16.9:1
C1 R1 100µF 220Ω
1N4007
Figura 8. Circuito III
Os circuitos foram montados com o objetivo de verificar sua tensão de corrente alternada (Vca) e sua tensão de corrente continua (Vcc) com o auxilio de
2
Aparelho que mede diferentes grandezas concernentes a uma corrente elétrica, tais como intensidade, voltagem, resistência etc.
Multimetro
multimetros,
para
que
posteriormente
fossem
comparados os resultados obtidos na prática com os resultados teóricos, que foram auferidos com as seguintes equações:
Tabela 1. Materiais
Vm = √2 . 𝑉𝑐𝑎
Equação (4)
Em primeiro plano foi nos dado três circuitos a serem montados. Para montagem destes foram
Vcc=
𝑁𝑝 . (𝑉𝑚−𝑁.𝑉𝑑) 𝜋
Equação (5)
utilizados todos os materiais descritos na tabela 1. Nas figuras 6, 7 e 8 estão demonstrados os circuitos nos Onde:
qual foi solicitado para efetuar sua montagem.
Np = Número de pulsos D1 V1
T1
220Vrms 60Hz 0°
Vm= Equação (4)
1N4007
R1 220Ω
N= Número de diodos que conduzem por semiciclo Vd= Queda de tensão em cada diodo na condução (0,7
16.9:1
para Silicio e 0,3 para Germânio)
Figura 6. Circuito I
Para uma comparação com mais precisão foi D1 V1
D3
T1 220Vrms 60Hz 0°
1N4007 16.9:1
1N4007 D2 1N4007
Figura 7. Circuito II
feito o calculo das tensões no software Multisim 14.0, D4 1N4007
que um instrumento bastante utilizado por acadêmicos R1 220Ω
e profissionais da área elétrica.
IV.
RESULTADOS
Com o circuito I e o auxilio de um osciloscópio pode se ver o comportamento da onda, nesse caso um
A partir do circuto I contido na figura 6 e com o auxilio de dois multimetros foram obtidos os valores
circuito retificador de meia onda (RMO) conforme a figura 10, mostra claramente.
de Vca e Vcc, que foram respectivamente 13,68V e 5,67V. Com isso, foi utilizado o valor de Vca e as equações (4) e (5), para acharmos o valor teórico de Vcc, que nesse caso foi de 5,93V. Nesse caso o valor de Np é um e o número de diodos também corresponde a um. Na figura abaixo está o circuito montado no Multisim 14.0 e os resultados por ele obtidos como
Figura 10. Gráfico RMO
pode ser visto o valor de Vca e Vcc foram respectivamente, 13,08V e 5,51V.
No circuito II (figura7), o procedimento foi o mesmo que com o anterior, o que mudou no cálculo teórico foi o Np que nesse caso é dois e o N que nesse caso também é dois. Os valores obtidos através dos multimetros foram 13,61V para Vca e 10,65V para o Vcc. No procedimento teórico se obte o valor de 11,36V para o Vcc. E com o auxilio do software obtevesse para Vca e Vcc, 13,017V e 10,243V respctivamente, figura 11.
Figura 9. Circuito I com multimetros
Como pode se notar os valores teóricos, práticos e do software não deram o mesmo, tento uma diferença que vária de 0,53% a 4,0% em relação a média de Vcc e um diferença de 0,662V para Vca. Esse erro é admissível para todos os ciruitos e pode ter ocorrido por causa da rede elétrica que pode oscilar de 207V a 230V, o que nos proporciona essas diferenças.
Figura 11. Circuito II com multimetros
Nesse caso, com o auxilio do osciloscópio pode
4. Conclusão
ser notado que esse é um circuito retificador de onda completa (RCO), conforme mostra a figura 12.
Nesse experimento conseguimos verificar o funcionamento de cada componente e sua função e importância de uma maneira prática. Vimos que devido a algumas oscilações da tensão da rede elétrica e demais fatores os valores teóricos e práticos nem sempre são iguais. Ficou perceptivo a diferença dos gráficos nos circuitos retificadores de meia onda, de onda completa e do circuito com um capacitor, assim, esclarecendo de uma forma visual o funcionamento desses circuitos e nos permitindo um melhor entendimento dos mesmos.
Figura 12. Gráfico ROC
5. Referências Bibliográficas No circuito III, o método segue o mesmo que do circuito II, porém nesse caso há um capacitor no circuito, como pode ser visto na figura 8. Os valores obtidos através dos multimetros
[1] LALOND, D. E.; ROSS, J. A. Dispositivos e Circuitos Eletrônicos. Vol. 1 e 2. Editora Makron Books, 1999.
para Vca e Vcc foram respctivamente 13,4V e 14,92V.
[2] MEHL, Ewaldo L. M.; Engenheiro Eletricista e
O valor para Vcc através das equações foi 14,22V. E
Doutor
com o software se obteve Vca igual a 13,018V e Vcc
Eletrolíticos
igual a 15,237V.
considerações práticas.
em
Engenharia de
Alumínio:
Elétrica; Alguns
Capacitores cuidados
e
Com o uso do osciloscópio pode se ver o efeito
[3] BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis.
de carga e descarga do capacitor que está na figura 13,
Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 8. ed. São
logo abaixo.
Paulo, SP. [4]http://www.estgv.ipv.pt/PaginasPessoais/eduardop/ MqE/transformadores.pdf acessado em 10 de Setembro de 2015 às 18:17.
Figura 13. Carga e descarga capacitor
