CIRCUITO SÉRIE

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CIRCUITO SÉRIE/PARALELO
Prof. Antonio Sergio-D.E.E-CEAR-UFPB.
Os circuito reativos são classificados, assim como os resistivos, em
a) Circuitos série.
b) Circuitos paralelo
c) Circuito série-paralelo.
Em qualquer caso acima, vale tanto as Leis de Kirchhoff nos circuitos resistivos
quanto nos reativos, só que no domínio dos números complexos.
Seja um circuito série composto de duas ou mais impedâncias complexas como
mostrado na figura abaixo.
Fig. 1 - Circuito reativo série
Como se sabe, num circuito série a corrente que circula por um elemento é a
mesma que circula pelos demais. A corrente ao circular por uma impedância provoca
nele uma queda de voltagem representada por V1, V2 e VN, aonde tem-se:
V1 = I.Z1 V2 = I.Z2 e
....
VN = I.ZN
(1)
Fasorialmente falando, tem-se para a lei das malhas:
Vent = V1 +V2 + ...VN
(2)
Em outras palavras, a soma do fasores de tensão do circuito é igual ao fasor de
tensão de entrada.
Por outro lado, a impedância equivalente do circuito é a soma das impedâncias
presentes no mesmo. Assim
ZT=Z1 + Z2 + ...+ZN
(3)
Exemplo 1: Circuito RLC série.
Fig. 2 – Circuito RLC série
1
Num circuito RLC série a impedância é dada por
1
1 ⎞
⎛
(4)
= R + j.⎜ ωL −
⎟
ωC
ωC ⎠
⎝
A equação acima nos leva a pensar que um circuito RLC tem três
comportamentos aparentes:
a) Indutivo:
Quando a reatância indutiva prevalece sobre a capacitiva, isto é,
Z= R + jωL − j
ωL >
1
ωC
(5.1)
Desta forma, a parte imaginária da impedância é positiva e o circuito fica
aparentemente indutivo. A corrente que circula pelo circuito fica atrasada em relação à
tensão de entrada.
b) Capacitivo:
Quando a reatância capacitiva prevalece sobre a indutiva , isto é,
ωL <
1
ωC
(5.2)
Desta forma, a parte imaginária da impedância é negativa e o circuito fica
aparentemente capacitivo. A corrente que circula pelo circuito fica adiantada em
relação à tensão de entrada.
c) Resistivo.
Quando a reatância indutiva se iguala à capacitiva, isto é,
ωL =
1
ωC
(5.3)
Desta forma, a parte imaginária da impedância se anula e o circuito fica
aparentemente resistivo. A corrente que circula pelo circuito fica em fase em com a
tensão de entrada. Fasorialmente, tem-se:
Fig. 3 – Diagrama fasorial da tensão de entrada e da corrente no circuito
RLC série
De acordo com a Eq. (2.3), tem-se:
ω2 =
1
1
⇒ω=
LC
LC
Considerando que ω = 2.π.f, tem-se finalmente:
2
fo =
1
(6)
2.π. LC
Exemplo 2:
Considere o circuito abaixo:
Onde V = 100∠00. Determinar a impedância equivalente, a corrente que
circula pelo circuito e as quedas de voltagem em casa um do seus elementos.
Solução:
Zeq = 4 + j.3 – j.6 = 4 – j.3 = 5∠-36,90
I =
100∠0 o
5∠ − 36,9
o
= 20∠+36,90
Seja V1 a queda de voltagem no resistor; seja V2 a queda de voltagem no
indutor e V3 a queda de voltagem no capacitor.
V1 = 20∠+36,90 x 4 = 80∠+36,90
= 63,97 + j.48,03
V2 = 20∠+36,90 x 3∠900 = 60∠+126,90 = -36,03 + j.47,98
V3 = 20∠+36,90 x 6∠-900 = 120∠-53,10 = 72,05 - j.95,96
V1 + V2 + V3 = 99,99 + j.0,05 ≈ 100∠0o
Observa-se neste exemplo que a lei das malhas num circuito série é válida no
domínio dos números complexos. Somando-se apenas os módulos das voltagens,
tem-se: 80 + 60 + 120 = 260V, bem diferente de 100.
No circuito abaixo, no entanto, temos um comportamento aparentemente resistivo.
Toda a voltagem de entrada está no resistor. Mos
3
Exemplo 3
No circuito da Fig. 2 considere R = 100Ω , L = 0,01H e C = 3µF
a) Determinar a frequência de ressonância fo.
b) Determinar a impedância vista pela fonte de entrada com f = fo, f = 0,1fo e f
= 10fo
c) Repetir (b) para corrente que circula pelo circuito.
Solução.
a) Usando os dados dos componentes na Eq. (6), tem-se para a frequência de
ressonância::
fo =
1
6,2832. 3x10 − 6 x 0,01
= 918,88 Hz
b) A impedância indutiva é:
XL = 2.π.f.L
E a capacitiva é:
1
XC =
2.πf .C
Na frequência de ressonância, tem-se:
XL = 6,2832x918,88x0,01 = 57,735 Ω
1
XC =
= 57,735 Ω
6,2832x918,88x3x10 − 6
Considerando, como foi dito acima, V1 = I.Z1 V2 = I.Z2 e
....
VN = I.ZN, tem-se:
Z = 100 + j0
Isto é, a impedância geral do circuito é um numero real. Nesta freqüência a impedância capacitiva de iguala em módulo à impedância indutiva. Só em módulo, por que
em termos de impedância complexa, elas estão no eixo imaginário do plano complexo
com sinais contrários. Nesta freqüência o circuito entra em ressonância.
Para f = 0,1.fo = 91,9 Hz, tem-se:
Z = 580,7∠-800
Para f = 10.fo = 9,19 KHz, tem-se:
Z = 580,7∠-800
É interessante calcular a tensão em cada elemento do circuito na ressonância.
Antes disso é preciso determinar a corrente que circula pelo circuito. Esta corrente é
dada por:
4
V V ∠α 0
I= =
Z∠β
Z
(7)
Supondo-se que a tensão de entrada seja 10 VRMS e com ângulo supostamente
zero, tem-se:
V =
10
= 0,1A = 100mA
100
Como o ângulo da impedância na ressonância também é zero, tem-se I = 0,1∠0o.
Assim, seja VR a tensão desenvolvida no resistor; VL a tensão desenvolvida no indutor e
VC a tensão no capacitor são:
VR = IxR = 0,1∠0o.x 100 = 10∠0o.
VL = IxZL = 0,1∠0ox 57,735∠90o = 5,8∠90o = +j5,8
VC = IxZC = 0,1∠0ox 57,735∠-90o = 5,8∠-90o = - j5,8
VL + VL + VC = 10 + j5,8 – j5,8 = 10.
Em diagrama fasorial tem-se:
VL
VR
VC
O que valida a lei das malhas no domínio dos números complexos.
Regra fundamental:
A lei das malhas num circuito série reativo só é válida no domínio dos números
com-plexos, isto é, a soma dos fasores de tensão num circuito série é igual ao
fasor da tensão de entrada.
Convém observar neste ponto que os voltímetros alternados medem os valores
efica-zes, que são os módulos dos fasores.
A figura 5 mostra o efeito ressonante do circuito RLC série em que a corrente
atinge um valor máximo na freqüência de ressonância que no caso do exemplo acima é
cerca de 918,88 Hz.
Quando a freqüência é menor que a da ressonância, o comportamento capacitivo do
circuito é predominante, isto é, o circuito é aparentemente capacitivo, pois XC é maior
que XL (Eq. 5.2); quando a freqüência é maior que a da ressonância, o comportamento
indutivo do circuito é predominante, isto é, o circuito é aparentemente indutivo, pois
XL é maior XC (Eq. 5.1). Por fim, quando a frequência é iguala da ressonância, o
circuito tem um comportamento aparentemente resistivo. Nesta frequência o módulo
da impedância geral do circuito tem um valor mínimo.
5
Divisor de Tensão
Um conceito muito interessante em circuitos elétricos. Na figura 6 temos dois
circuitos: um divisor resistivo e outro divisor de impedância.
Fig 6 – Divisor de tensão resistivo e divisor de por impedância.
A corrente que circula pelo circuito da esquerda é dada por:
I=
V
R1 + R 2
A tensão de saída Vo = I.R2. Combinando com a equação acima tem-se:
Vo =
V.R 2
R1 + R 2
(8.1)
Os dois resistores formam o que se conhece em circuitos elétricos por divisor
resistivo, isto é, as duas resistências dividem a tensão de entrada, V, em dois valores
que somados dão a tensão de entrada e Vo é um destes valores.
De maneira equivalente podemos chegar a uma conclusão equivalente em
relação ao circuito da direita que a extensão da equação da esquerda no domínio
complexo.:
Vo =
V.Z 2
Z1 + Z 2
(8.2)
Exemplo 4:
Duas impedâncias estão em série, Z1 = 4∠30o e Z2 = 5∠60o sob uma tensão de
V = 20∠60o. Determinar a corrente do conjunto, as voltagens em cada carga e somálas para comparar com a voltagem de entrada.
Solução:
Como as cargas estão em série, tem-se:
I=
V.
Z1 + Z 2
Z1 = 3,46 + j.2 ;
Z2 = 2,5 + j.4,33
Z1 + Z2 = 5,96 + j.6,33 = 8,69∠46,72o
6
20∠60 o.
= 2,3∠13,28o
I=
o
8,69∠46,72
Quanto às tensões em cada carga, tem-se:
V1 = Z1xI = 4∠30ox2,3∠13,28o = 9,2∠43,28o = 6,70 + j.6.31
V2 = Z2xI = 5∠60ox2,3∠13,28o = 11,5∠73o = 3,36 + j.11
V1 + V2 = 10,06 + j.17,31 ≈ 20 ∠60o
c) CIRCUITO PARALELO
No entendimento de instalações elétricas, tanto prediais como industriais, os
circuitos paralelos são os mais importantes. Todas as cargas numa instalação
monofásica (ou – que dá no mesmo – estiverem numa mesma fase) estão ligadas em
paralelo. Assim, ao se ligar, por exemplo, numa mesma tomada um ventilador e uma
lâmpada, estas cargas estão em paralelo.
Se uma casa é ligada apenas numa fase, todas cargas desta casa estão ligadas em
paralelo, como lâmpadas, geladeira, tv, ventilador, etc. como estão mostradas na Fig 6.
Fig. 6 – Diagrama esquemático de uma instalação elétrica predial monofásica
Num circuito paralelo, todas as cargas estão sujeitas à mesma voltagem, mas por
elas circulam correntes diferentes.
O diagrama esquemático geral de um circuito paralelo genérico está mostrado na
figura abaixo.
Fig. 7 - Circuito reativo paralelo
7
Pela Lei dos Nós, tem-se
IT = I1 + I2 + I3 + ....+ IN
(9)
Isto é, a soma dos fasores de corrente de cada elemento do circuito é igual ao
fasor da corrente total (IT) fornecida pela tensão de entrada. Ainda tem-se:
I1 =
Vent
Z1
V
I2 = ent
Z2
Considerando que IT =
I3 =
Vent
V
... IN = ent
Z3
ZN
(10)
Vent
, e combinando (9) com (10), tem-se:
ZT
1
1
1
1
= +
+..... +
Z T Z1 Z 2
ZN
(11)
Onde ZT é a impedância equivalente geral do circuito. Também podemos
escrever:
V
Z = ent
IT
(12)
Por outro lado, se o circuito tem apenas duas impedâncias Z1 e Z2 tem-se de
maneira mais simplificada:
ZT =
Z1xZ 2
Z1 + Z 2
(13)
Exemplo 5:
No circuito abaixo determinar as correntes em cada ramo do circuito, sua
corrente total e sua impedância equivalente, sabendo-se que V = 220∠0o
Solução:
O circuito tem duas impedâncias:
Z1 = 290 + j.368,8 = 469,16 ∠51,82o e Z2 = -j.596,31 = 596,31∠-900
8
As correntes em cada ramo serão:
I1 =
V
220∠0 o
=
= 0,469∠ − 51,82 o = 0,290 − j.0,369 =
o
Z1 469,16∠51,82
I2 =
V
220∠0 o
=
= 0,369∠90 o = j.0,369
o
Z 2 596,31∠ − 90
IT = I1 + I2 = 0,290∠0o
Em diagrama fasorial tem-se:
A impedância equivalente é dada por:
Zeq =
V
220∠0 0
=
= 758,62∠0 0
I T 0,290∠0 0
O circuito como um todo tem comportamento aparentemente resistivo.
Exemplo 6
Determinar as correntes de cada ramo do circuito abaixo e somá-las para obter a
corrente total V = 100∠30o. Determinar, também, a impedância equivalente.
Solução:
Z1 = 3+ j.4 = 5∠+ 53,1o
Z2 = 4- j.6 = 7,2∠-56,3o
9
I1 =
V 100∠30 o
=
= 20∠ − 23,1o = 18,70 - j.7,1
o
Z1 5∠53,1
I2 =
V
100∠30 o
=
= 13,89∠86,3o = 0,90 + j.13,86
o
Z 2 7,2∠ − 56,3
IT = I1 + I2 = 19,60 + j.6,76 = 20,73∠21,14o
A impedância equivalente é:
Zeq =
V
100∠30 0
=
= 4,82∠8,86 0
I T 20,73∠21,14 0
Exemplo 7:
Trocando a reatância capacitiva acima de –j6 por uma indutiva de +j6
Solução:
Z1 = 3+ j.4 = 5∠+ 53,1o
Z2 = 4+ j.6 = 7,2∠+56,3o
I1 =
V 100∠30 o
=
= 20∠ − 23,1o = 18,70 - j.7,1
o
Z1 5∠53,1
I2 =
V
100∠30 o
=
= 13,89∠ − 26,3o = 12,72 - j.5,58
Z 2 7,2∠ + 56,3o
IT = I1 + I2 = 31,42 - j.12,68 = 33,88∠-24,42o
A impedância equivalente é:
Zeq =
V
100∠30 0
=
= 2,95∠ + 54,42 0
0
I T 33,88∠ − 24,42
10
IMPEDÂNCIAS EM PARALELO: METODO DAS ADMITÂNCIAS
Se várias impedâncias Z1, Z2 , e Z3 estão ligadas em paralelo a uma voltagem
V, tem-se:
1
1
1
1
=
+
+
Z T Z1 Z 2 Z 3
Chama-se admitância o inverso da impedância cujo símbolo é Y. Assim,
1
1
R + j.X
R
j.X
=
=
= 2
− 2
2
Z
R + j.X (R + j.X) x (R − j.X) R + X
R + X2
YT = Y1 + Y2 + .... YN
Y=
(14)
Exemplo 9
Um circuito em paralelo tem três ramos:
Ramo A : ZA = 3 + j10
Ramo B : ZB = 10
Ramo C : ZC = 7 + j4
O circuito é alimentado por uma tensão de 110V. Calcular pelo método das
admitâncias a admitância total, a corrente de cada ramo e a corrente total.
Solução:
YA =
1
= 0,028 − j.0,092 = 0,096∠-73,07o
3 + j10
YB = 1/10 = 0,1 = 0,1∠0o
1
= 0,11 –j.0,062 = 0,126∠-29,41o
7 + j4
A corrente em cada ramo é:
YC =
IA = V x YA = 100 ∠0o x 0,096∠-73,07o = 9,6∠-73,07o = 2,80 - j9,18
IB = V x YB = 100 ∠0o x 0,1∠0o = 10 + j.0
IC = V x YC = 100 ∠0o x 0,126∠-29,41o = 12,6∠-29,41o = 10,98 - j.6,18
IA + IB + IC = 23,78 - j.15,36 = 28.31∠-32,86o
A admitância total do circuito é:
YA + YB + YC = 0,238 - j.0,154 = 0,283∠-32,91o
A impedância equivalente total do circuito é:
1
1
ZT =
=
=
YT
0,283∠ − 32,91o
11
12