35 Instituto de Biofísica Carlos Chagas Filho BFB 738 - ELETRICIDADE E ELETRÔNICA APLICADAS À BIOLOGIA Prof.: Geraldo Cidade Capítulo 4 Circuitos RC e RL com Excitação Senoidal 4. Introdução Neste capítulo estudaremos o comportamento dos circuitos RL e RC, quando excitados por geradores do tipo senoidal. Para os circuitos aqui exemplificados, considera-se a análise de estado permanente (ou estacionário), desprezando-se quaisquer respostas transientes produzidas durante a etapa de excitação. A técnica de estudo aqui empregada denomina-se análise de freqüência, de larga aplicação tanto em eletricidade como em outros sistemas físicos. 4.1. Características das Ondas Senoidais Uma onda senoidal (Fig. 4.1) contém diversas características, cuja compreensão é imprescindível tanto para a análise de circuitos, como para a correta interpretação de resultados experimentais. Figura 4.1. Características das ondas senoidais. 4.1.1. Valores de Pico, Pico-a-Pico, Médio e Eficaz O valor de pico (VP) de uma onda senoidal corresponde a amplitude medida em relação a um eixo de simetria (ou valor médio), tomado como referência “zero”. O valor de pico-a-pico (VPP) corresponde à medida entre dois valores de pico, que, no caso de uma senóide, equivale ao dobro de VP. O valor de médio é definido como aquele que divide porções de uma função (sinal) que contêm a mesma área; nulo no caso de uma senóide, já que divide porções numericamente simétricas. O valor eficaz está relacionado com a potência que uma forma de onda é capaz de gerar. É definido como o valor DC que dissipa potência equivalente a de uma senóide, com um dado valor de pico. 36 Conhecido como “root mean square” (rms), ou , simplesmente, valor rms, encontra-se associado ao valor de pico através da seguinte relação: VEF VP 0,707VP 2 4.1.2. Ciclo, Freqüência, Período e Fase Um ciclo completo, medido a partir de qualquer ponto sobre a forma de onda (Fig. 4.1), é definido como o intervalo que compreende uma seqüência de valores, até que se inicie uma nova repetição. Para contabilizar o número de ciclos sucessivos por unidade de tempo, define-se o parâmetro freqüência. Por definição, a freqüência é definida como o número de ciclos que ocorrem no intervalo de 1 segundo, cuja unidade é o hertz. Para que se possa entender a geração de uma onda senoidal, considere um ponto P girando com velocidade constante ao longo de uma circunferência (Fig. 4.2). Sua posição, associada à um dado ângulo projeta sobre o eixo vertical (eixo dos senos) um valor entre 0 e 1. Ao tomar sucessivos valores ao longo do tempo, mantida a mesma velocidade de rotação (freqüência angular constante), pode-se montar o comportamento da função seno. sen t /2 P t /2 Figura 4.2. Relação entre rotação e função seno. A velocidade angular ( do ponto P corresponde a um ciclo completo percorrido em um dado intervalo de tempo, denominado período (T). Sendo assim: 2 T (rd / s) (4.1) onde 2 corresponde ao ângulo total percorrido, expresso em radianos (rd). Portanto, a freqüência está associada ao período através da seguinte relação: f 1 T (4.2) 37 Substituindo (4.2) em (4.1), define-se: 2f (4.3) como sendo a freqüência angular, expressa em radianos por segundo (rd/s), essencial para nós daqui por diante. A fase é definida como a distância angular entre dois pontos que pertencem ao uma dada forma de onda, conforme mostrado pelos pontos A e B na Fig. 4.1. Para um ciclo completo de período T (2 rad), o tempo necessário para a fase variar de um ângulo equivale a: t rad .T 2 (4.4) ou t rad rad 2f (4.5) Quando deseja-se comparar duas senóides, o parâmetro fase torna-se importante, pois permite, indiretamente, quantificar as diferenças temporais de uma em relação à outra. 4.2. Resposta de Freqüência em Circuitos Dissipativos Ao aplicar uma tensão alternada sobre um resistor, a forma de onda da corrente i(t) resultante também segue um curso senoidal, exatamente em fase com a tensão v(t) (Fig. 4.3); v(t) e i(t) relacionam-se através da lei de Ohm, de modo que, todos os conceitos vistos no capítulo 2, para excitação DC, são igualmente válidos aqui. Portanto: VP sen t RI P sen t v(t) i(t) v(t) i(t) v(t) R i(t) Figura 4.3. Resposta de corrente em um circuito puramente resistivo. 4.2.1. Potência num Resistor em Regime AC A potência elétrica equivale ao produto entre tensão e corrente. Então: t 38 p( t ) v ( t ) i ( t ) p(t ) VP I P sen2 t ou (4.6) A potência dissipada em um resistor, a partir de uma excitação senoidal, também é uma função do tempo. A trigonometria nos fornece a seguinte relação: sen 2 a 1 (1 cos 2a ) 2 Portanto: p(t ) VP I P (1 cos 2t ) 2 (4.7) mostrando que a potência também segue um curso senoidal, com o dobro da freqüência das ondas de tensão ou corrente (Fig. 4.4). Verifica-se que o valor instantâneo da potência excursiona desde “zero” até um valor máximo VPIP, sem assumir valores negativos. Isto é óbvio, uma vez que estando a corrente e a tensão em fase, ambas sempre exibirão o mesmo sinal, de modo que o produto sempre será positivo. Fisicamente, qualquer que seja o sentido da corrente que percorra um resistor, este sempre dissipará potência. A potência dissipada em um resistor, embora variando no tempo, exibe sempre um valor médio não-nulo, ou seja, VP I P RI P VP2 pM 2 2 2R p(t) VpIp (4.8) p(t) VpIp 2 t /2 /2 /2 v(t) ou i(t) Figura 4.4. Potência dissipada num resistor em regime AC. 4.2.2. Valores Eficazes das Ondas Senoidais As ondas senoidais de tensão e corrente exibem, normalmente, um valor médio nulo. Vamos definir como eficazes os valores que, produzidos por formas de onda contínuas, dissipem a mesma potência, ou seja: PEF RI 2 EF VEF2 R Partindo da definição de valor eficaz, ao comparar as expressões (4.8) e (4.9), verificamos que: (4.9) 39 2 RI EF RI P2 2 I EF IP 2 2 VEF V2 P R 2R e PEF VEF . I EF VEF VP 2 VP . I P 2 Cabe observar que, como os instrumentos comuns de medida de tensão e corrente alternada já têm as suas escalas calibradas em valores eficazes, o cálculo da potência torna-se facilitado. 4.3. Resposta de Freqüência de Elementos Reativos Esta parte do capítulo propõe determinar as relações tensão x corrente nos elementos reativos (armazenadores de energia), com excitação senoidal. 4.3.1. Reatância Capacitiva No circuito da Fig. 4.5, para uma excitação v ( t ) VP sen t , a corrente no capacitor será: i (t ) C dv ( t ) d C VP sen t dt dt i ( t ) CVP cost ou v(t) i(t) (4.10) v(t) i(t) v(t) C t 90o i(t) Figura 4.5. Relação tensão x corrente em um capacitor. Observa-se que num capacitor a forma de onda de voltagem encontra-se atrasada de 90o em relação à da corrente. Segundo a trigonometria, a expressão (4.10) pode ser reescrita como: i (t ) CVP sen(t 90O ) A notação complexa facilita muito a manipulação de expressões, uma vez que no plano complexo o eixo imaginário está à 90o do eixo real, representando uma rotação no sentido antihorário (ou “counter clock wise” - CCW). Desta forma, empregando a unidade imaginária j 1 , a expressão (4.10) poderá ser novamente reescrita como: i ( t ) jCVP sen t (4.11) A Fig. 4.6a mostra a representação da tensão VP e da corrente IP de um capacitor em um plano complexo. Se os vetores girarem no sentido anti-horário, com velocidade angular constante, suas projeções num eixo vertical geram as formas de onda de tensão e de corrente no capacitor, mantida a relação de fase. 40 Num resistor, a relação tensão x corrente denomina-se resistência elétrica, que mantém as variáveis em fase, sendo representada por um vetor sobre o eixo real (Fig. 4.6b). Num capacitor, a relação tensão x corrente denomina-se reatância capacitiva (XC), e representa a propriedade de uma capacitância em se opor à variações de tensão elétrica. Para uma excitação senoidal v ( t ) VP sen t , a corrente produzida através do capacitor define: XC onde X C v (t ) VP sen t 1 1 j i (t ) jCVP sen t jC C 1 , ou seja, C X C j XC sendo representada sobre o eixo imaginário do plano complexo (Fig. 4.6b), indicando que a reatância produz um deslocamento de 90o na fase. Enquanto, por um lado, o valor da resistência independe da freqüência, por outro, o módulo da reatância depende, variando inversamente proporcional a ela. Por este aspecto, a reatância capacitiva pode ser vista como um resistor, cuja resistência (expressa em ohms (varia com o inverso da freqüência. (a) (b) Im Ip 0 Im 90o 0 Vp Re R -j|X C| Re Figura 4.6. Representações no plano complexo. 4.3.2. Reatância Indutiva No circuito da Fig. 4.7, para uma excitação v ( t ) VP sen t , a corrente no capacitor será: i (t ) 1 1 v ( t ) dt VP sen tdt L L ou i (t ) VP V cost P sen(t 90O ) L L (4.12) Introduzindo a notação complexa, a expressão (4.12) pode ser reescrita como: i (t ) j VP V sen t P sen t L jL (4.13) 41 v(t) i(t) v(t) i(t) v(t) L t 90o i(t) Figura 4.7. Relação tensão x corrente em um indutor. Observamos que, num indutor, ao contrário do capacitor, a tensão presente em seus terminais encontra-se adiantada de 90o em relação à corrente que o percorre. A relação tensão x corrente em um indutor denomina-se reatância indutiva (XL), e representa a propriedade de uma indutância em se opor às variações de corrente elétrica. Para uma excitação senoidal v ( t ) VP sen t , a corrente produzida através do indutor definirá: XL v (t ) V P sen t jL j L i (t ) V P sen t jC onde X L L , ou seja, X L j XL podendo ser representada no plano complexo por um vetor sobre o eixo imaginário, conforme mostrado abaixo. Também verificamos ser o módulo da reatância indutiva diretamente proporcional à freqüência, igualmente expressa em ohms ( Im j|X L| 0 R Re 4.3.3. Impedância Dentro de um conceito mais amplo, define-se impedância como a propriedade que um elemento, ou conjunto de elementos, apresenta, em se opor à passagem e/ou variação de corrente. Elementos como resistência, reatâncias capacitiva e indutiva, ou combinações entre estas, enquadram-se neste conceito. Sendo a resistência representada por um número real e as reatâncias por números imaginários, a impedância resultante desta combinação será representada por um número complexo. 42 Assim como definimos que o inverso da resistência é a condutância, vamos definir os inversos da impedância e das reatâncias, mostrados na tabela abaixo. Símbolo Grandeza Inverso R Resistência Condutância Reatância Indutiva Susceptância Indutiva XL Expressão G 1 R 1 BL XL XC Z Reatância Susceptância Capacitiva Capacitiva Impedância Admitância 1 BC 1 jL jC XC Y 1 Z 4.3.4. Potência em Elementos Reativos Devido à diferença de fase de 90o entre tensão e corrente em um elemento reativo qualquer, a potência elétrica assume a seguinte forma: p ( t ) VP I P sen t cost Empregando a relação trigonométrica sen 2a 2 sen a cos a , passamos a ter: p( t ) VP I P sen 2t 2 (4.14) Ao compararmos esta expressão com (4.7), deduzida para elementos dissipativos, verificamos também que a potência varia segundo o dobro da freqüência da onda excitatória, só que com valor médio nulo. O sentido físico da expressão (4.14) é de que não há energia dissipada, mas tão somente uma troca entre o gerador e o elemento armazenador, que devolve toda a energia recebida duas vezes a cada ciclo da onda excitatória. Esta conclusão assemelha-se à que chegamos no final do capítulo 3, quando ligamos dois elementos armazenadores, estando um delees inicialmente carregado. 4.4. Circuito RC com Excitação Senoidal Ao conectarmos um circuito RC a um gerador de tensão senoidal (Fig. 4.8a): 43 V (t ) VR (t ) VC (t ) 1 V (t ) R .i ( t ) jC V (t ) R.i(t ) X C .i(t ) Z R 1 jC Z R j XC (4.15) denominamos Z de impedância total do circuito, calculada a partir da soma vetorial da resistência R e da reatância capacitiva X C (Fig. 4.8b). Outra maneira de escrever a expressão (4.15) seria: Z Z Z R2 1 tg 1 RC 1 2 2 C (4.16) 1 onde Z representa o módulo da impedância, e tg 1 , seu ângulo. Calculando as RC variáveis do circuito, obtemos: 1) V (t ) VP sen t i (t ) VP sen t VP i (t ) 1 2 R 2 2 C Z 2) VR (t ) R.i (t ) 3) VC (t ) VP 1 1 2 2 2 RC sen(t ) sen(t ) (4.18) 1 VP i (t ) sen(t 90O ) 2 2 2 jC 1 R C (a) R (4.19) (b) i(t) V(t) (4.17) C Im 0 -j|X C| R Re . Z Figura 4.8. Circuito RC com excitação senoidal. 4.4.1. Composição das Variáveis do Circuito - Diagrama Fasorial Se observarmos os vetores (fasores) geratrizes das ondas senoidais (tensão e corrente) em um dado instante t, verificamos que guardam entre si uma relação angular, ou de fase (Fig 4.9). Considerando o instante t=0, os valores instantâneos correspondem aos das expressões (4.16) a (4.19). Assim: 44 1) 2) 3) V (0) 0 i (0) I P sen VR (0) VR P sen 4) VC (0) VC P sen( 90O ) v(t) 90 o VP VR IP 90o VC(t) VP t 0o VR(t) VC Figura 4.9. Composição das variáveis em um circuito RC. A lei das malhas (1a lei de Kirchoff) é verificada a cada instante, pois a tensão do gerador corresponde a soma vetorial das tensões na resistência e no capacitor. Se observarmos a corrente, esta encontra-se em fase com a tensão sobre R, e adiantada de 90o em relação à tensão sobre C; também está adiantada do ângulo da impedância () em relação à tensão do gerador. Quanto mais reativo for o circuito ( X C R ), maior será o avanço da corrente. 4.4.2. Filtros RC Devido ao caráter de dependência de freqüência da reatância capacitiva, um circuito RC é naturalmente seletivo, passando a comportar-se como um filtro. Dependendo de como a resposta é obtida, tanto a partir da resistência quanto da capacitância, este circuito passa a responder como um filtro (i) passa-baixa, permitindo a passagem das baixas freqüências até um dado valor de corte superior, ou (ii) passa-alta, permitindo a passagem das altas freqüências a partir de um dado valor de corte inferior. 4.4.2.1. Filtros RC Passa-Baixa Ao considerar a saída do circuito RC sobre o capacitor ( VO ), verificamos que seu comportamento em função da freqüência, como mostrado na Fig. 4.10, está de acordo com a seguinte expressão: VO VP 1 2 R 2 C2 45 em que, para 0 VO VP e VO 0 . A curva de resposta da Fig. 4.10 mostra que o capacitor comporta-se como um atenuador para as altas freqüências provenientes do gerador. Atribui-se a denominação de freqüência de corte (O ), ou ponto de meia potência, ao valor de que confere a máxima transferência de potência à saída do circuito, quando X C R , ou seja, 1 R C que correponde a 0,707VP (ou O 1 RC 1 V ), já que a potência de saída é proporcional ao quadrado de 2 P VO . Outra maneira de representar o ponto de meia potência seria através do uso da seguinte notação logarítimica: VO dB 20 log(0,707) 3dB Convém salientar que a fase decorrente dos filtros RC também é um dado importante, já que afeta as características do sinal que está sendo filtrado; no ponto de meia potência, assume o seguinte valor: 1 tg 1 (1) 45O RC tg 1 R |vO| VP 0,707VP V(t) C VO(t) f 0 t Figura 4.10. Filtro RC passa-baixa. 4.4.2.2. Filtros RC Passa-Alta Se agora tomarmos a saída do circuito sobre o resistor, teremos o comportamento inverso ao caso anterior. A expressão de VO é dada por: VP VO 1 1 R2C 2 2 46 em que, para 0 VO 0 e VO VP . A curva de resposta da Fig. 4.11 mostra que o comportamento de VO sobre o resistor resulta da diferença entre a tensão produzida pelo gerador e o efeito de atenuação provocado pela reatância capacitiva, em relação às altas freqüências. O valor de tensão correspondente ao ponto de meia potência equivale ao do caso anterior, ou seja, para X C R : VP VO 1 1 VP 0,707VP 2 2 1 2 2 RC RC Entretanto, o valor do ângulo de fase da tensão de saída corresponde a: 1 tg 1 (1) 45O RC tg 1 C |vO| VP 0,707VP R VO(t) 0 f t Figura 4.11. Filtro RC passa-alta. 4.5. Circuito RL com Excitação Senoidal Ao excitarmos um circuito RL com um gerador senoidal, conforme mostrado na Fig. 4.12a, a impedância total do circuito será obtida a partir de: V (t ) VR (t ) VL (t ) V (t ) R jL.i (t ) V (t ) R.i (t ) X L .i (t ) Z R jL Z R j XL (4.20) representada pela soma vetorial ilustrada na Fig. 4.12b. Outra maneira de escrever a expressão (4.20) seria: Z Z Calculando as variáveis do circuito, obtemos: Z R 2 2 L2 L tg 1 R 47 1) V (t ) V P sen t i (t ) VP sen t i (t ) Z VP 2) VR (t ) R.i (t ) 1 sen(t ) R2 VP 1 (a) R 2 2 L2 sen(t ) 2 L2 3) VL (t ) jL.i (t ) VP R 2 sen(t 90O ) 2 L2 R (b) i(t) . Im Z j|X L| v(t) L 0 R Re Figura 4.12. Circuito RL com excitação senoidal. 4.5.1. Composição das Variáveis do Circuito - Diagrama Fasorial Observando os vetores geratrizes das senóides em t=0, obteremos o diagrama fasorial mostrado abaixo. 90o VL 90o V 0o I VR Segundo ele, a corrente está em fase com a tensão sobre a resistência, atrasada de 90o em relação à tensão medida sobre os terminais da indutância, e de um ângulo em relação à tensão do gerador. Quanto mais reativo for o circuito, maior será o ângulo da impedância, e igualmente maior será o atraso de fase da corrente em relação à tensão do gerador. 4.5.2. Filtros RL Sendo a reatância indutiva diretamente proporcional à freqüência, os circuitos RL também comportam-se como filtros, como os que são mostrados na Fig. 4.13. 48 Mantidas as dualidades entre os circuitos RC e RL, o filtro da Fig. 4.13a é denominado passa-alta e o da Fig 4.13b, passa-baixa. As curvas de resposta de freqüência são semelhantes às dos filtros RC, bem como as expressões de VO , ou seja, para o passa-baixa: VP VO 1 2 L2 R2 e para o passa-alta : VP VO 1 R2 2 L2 em que a freqüência de corte superior ou inferior é dada por O R , obtida para o ponto de meia L potência, onde X L R . Cabe observar que os pontos de corte obtidos pela análise de freqüência correspondem aos inversos das constantes de tempo dos mesmos circuitos (RC e RL) na análise de tempo. R (a) v(t) L (b) L vo(t) f R v(t) f vo(t) Figura 4.13. Filtros RL do tipo (a) passa-alta e (b) passa-baixa. 4.6. Componentes Reais - Fator de Qualidade A resistência do fio do enrolamento e as perdas no núcleo nos elementos indutores, bem como as fugas pelas superfícies e dielétrico nos capacitores, passam a introduzir componentes dissipativos ao elemento real; pode ser representado por uma reatância ideal em série com uma resistência, ou uma susceptância ideal em paralelo com uma condutância (Fig. 4.14). Define-se como fator de qualidade Q, a figura de mérito de um componente real, que compara o quanto ele é reativo em relação ao quanto ele é dissipativo. RS RS RP L L RP C Figura 4.14. Componentes reativo reais. C 49 Em termos de representação série, utilizamos a reatância e a resistência; em paralelo, a susceptância e a condutância. Sendo assim, o Q de um componente é definido por: Q X RS Q ou B GP (4.21) Para um mesmo componente, qualquer uma das representações poderá ser empregada, conforme as conveniências da análise. Para o indutor: QL L RS 1 R QL L P 1 L RP ou (4.22) Comparando as duas expressões anteriores, obtemos: L RS RP L RP QL2 . RS (4.23) Para o capacitor: QC 1 CRS QC ou C 1 RP CRP (4.24) Comparando as duas expressões de (4.24), obtemos: 1 CRP CRS RP QC2 . RS (4.25) As expressões (4.23) e (4.25) relacionam as resistências série e paralelo, sendo úteis para a conversão de uma associação em outra. 4.7. Indutância Mútua - Transformadores Quando dois enrolamentos estão montandos sobre um mesmo núcleo, o fluxo magnético que se forma devido à corrente que se desenvolve em um, induz uma corrente no outro, e vice-versa. Este efeito de indutância entre dois circuitos elétricos distintos, com um circuito magnético em comum, é denominado indutância mútua, designada pela letra M, expressa em henries. A relação M K. L1 . L2 mostra ser a indutância mútua proporcional à média geométrica das indutâncias entre os enrolamentos primário (L1) e secundário (L2), sendo a constante K denominada fator de acoplamento entre os dois lados do circuito; seu valor máximo para um transformador ideal equivale à unidade. A Fig. 4.15a ilustra a representação esquemática de um transformador, bem como as variáveis associadas ao lados primário (1) e secundário (2), enquanto a Fig. 4.15b mostra um 50 circuito completo composto por um gerador V1 e uma carga R. Como a indutância é diretamente proporcional ao número de espiras, as tensões induzidas também o serão. Na prática, um dado muito útil é a relação (a) entre o número de espiras (N1 e N2): V1 N 1 a V2 N 2 (4.26) onde V1 e V2 representam os valores eficazes das tensões nos dois enrolamentos, respectivamente. Seguindo a lei de conservação de energia, observa-se que a potência transferida entre os dois lados do circuito transformador é constante, desprezando-se as referidas perdas. Desta forma, a relação: I1 N 2 1 I2 N1 a impõe que corrente seja a vezes menor para a proporção entre os valores eficazes de I1 e I2. Desta mesma relação tira-se outro dado importante para o dimensionamento de um transformador, qual seja seu produto ampère-espira, que sempre será constante, ou seja, N1 . I1 N 2 . I 2 . Para o circuito da Fig. 4.15b, vamos determinar qual a resistência vista pelo gerador a partir dos terminais de entrada do circuito, no seu lado primário. No circuito secundário, a corrente equivale à I 2 a . I1 , e a tensão à R . I 2 , ou V2 R. a . I1 ; mas: V2 1 1 V1 , onde V1 R. a . I1 . a a Portanto, a relação entre a tensão e a corrente no primário de um transformador, a partir da resistência que carrega o gerador, é: RREFLETIDA V1 a 2 .R V2 representando a resistência refletida no circuito primário, segundo o quadrado da relação entre espiras. M (a) a (b) I1 V1 L1 L2 N1 N2 V2 V1 I2 R V2 Figura 4.15. Transformador. (a) Representação esquemática e (b) circuito completo.