domingo, 25 de março de 2012

CURSO DE ELETRÔNICA - Potência em C.C

Missão do Sistema SENAI

                Contribuir para o fortalecimento da indústria e o desenvolvimento
     pleno e sustentável do País, promovendo a educação para o trabalho  e  a
     cidadania, a assistência técnica e tecnológica, a produção e disseminação
     de informação e a adequação, geração e difusão de tecnologia.



                Integração – Fortalecer o trabalho em equipe é essencial para  a
      consecução dos objetivos e satisfação dos clientes externos e internos.



Existem conceitos da física que estão presentes no nosso dia a dia e aos quais nos referimos, mesmo sem que tenhamos um conhecimento mais profundo. Assim acontece, por exemplo, quando procuramos um aparelho de som e optamos por um de maior potência ou ao escolher uma lâmpada optamos por uma de menor potência para gastar menos energia.

O conceito de potência está ligado ao nosso dia a dia à idéia de força, produção de som, calor, luz e até mesmo ao consumo de energia.

Para sua melhor compreensão do conceito de potência a partir da energia elétrica, e sua aplicação na vida prática, foi elaborado este fascículo, que tratará de potência elétrica em corente contínua, visando capacitá-lo a determinar a potência dissipada por uma carga ligada a uma fonte de energia elétrica.

         Estudando este fascículo com atenção, o leitor estará caminhando para uma utilização mais consciente deste conceito.




A passagem da corrente elétrica através de uma carga instalada em um circuito elétrico produz efeitos tais como calor, luz e movimento. A Fig.1 mostra alguns exemplos.

                    

Fig.1 Exemplos de alguns efeitos produzidos pela corrente elétrica.

O calor, a luz e o movimento produzido pelo consumidor a partir da energia elétrica é denominado de trabalho.

A capacidade de cada consumidor de produzir trabalho em um determinado tempo a partir da energia elétrica é denominada potência elétrica.

O conhecimento da potência elétrica de cada componente em um circuito é muito importante para que se possa dimensioná-lo corretamente.


TRABALHO ELÉTRICO


Os circuitos elétricos são montados com o objetivo de realizar um aproveitamento da energia elétrica. Entre os efeitos que se pode obter a partir da energia elétrica, citam-se:

EFEITO CALORÍFICO


Nos fogões elétricos, chuveiros e aquecedores a energia elétrica é convertida em calor. A Fig.2 mostra como exemplo o aquecedor.


Fig.2 Aquecedor elétrico.


 EFEITO LUMINOSO



Nas lâmpadas, como a da Fig.3, a energia elétrica é convertida em luz (e também uma parcela em calor).


Fig.3 Lâmpada elétrica.


EFEITO MECÂNICO



Os motores convertem energia elétrica em força motriz (movimento). A Fig.4 mostra um exemplo da conversão de energia elétrica em energia mecânica.


Fig.4  Motor elétrico.

Este trabalho de transformação da energia elétrica em outra forma de energia é realizado pelo consumidor ou carga. Ao transformar a energia elétrica em outra forma de energia, o consumidor realiza um trabalho elétrico.


POTÊNCIA ELÉTRICA


Analisando um tipo de carga em particular, como por exemplo, a lâmpada, verificar-se que nem todas produzem a mesma quantidade de luz. Existem lâmpadas que produzem grandes quantidades de luz e outras que produzem pequenas quantidades.

Da mesma forma, existem aquecedores capazes de ferver um litro d’água em 10 minutos e outros que podem fazê-lo em 5 minutos. Tanto um aquecedor como o outro realizam o mesmo trabalho elétrico: aquecer um litro d’água até a temperatura de 100ºC. Entretanto, um deles é mais rápido, realizando o trabalho em menor tempo.

A partir desta afirmação, conclui-se que os dois aquecedores não são iguais.

Existe uma grandeza elétrica através da qual se relaciona o trabalho elétrico realizado e o tempo necessário para sua realização. Esta grandeza é denominada de potência elétrica.
 Potência elétrica é a capacidade de realizar trabalho na unidade de tempo a partir da energia elétrica.


A partir disso, pode-se afirmar :

·        Lâmpadas que produzem quantidades diferentes de luz são de potências diferentes.

·        Aquecedores que levam tempos diferentes para ferver uma mesma quantidade de água são de potências diferentes.


O mesmo acontece em relação a outros tipos de consumidores, tais como motores, aquecedores etc.

Existem motores de grande potência (como os dos elevadores) e de pequena potência (como os dos gravadores de fita cassete).

A potência elétrica é uma grandeza e como tal pode ser medida. A unidade de medida da potência elétrica é o watt, representada pelo símbolo W.


 A unidade de medida de potência elétrica é o watt.


Esta unidade é definida da seguinte forma: 1W é o trabalho realizado em um segundo por um consumidor alimentado por uma tensão de 1V pelo qual circula uma corrente de 1A.

A unidade de medida da potência elétrica watt tem múltiplos e submúltiplos. A Tabela 1 apresenta os múltiplos e submúltiplos usuais do watt.

Tabela 1 Múltiplos e submúltiplos do watt.

Denominação
Símbolo
Valor em relação ao watt
Múltiplos
Quilowatt
KW
103 W ou 1.000 W
Unidade
Watt
W
1 W

Submúltiplos
Miliwatt
mW
10-3 W ou 0,001 W
Microwatt
mW
10-6 W ou 0,000001 W


Para a conversão de valores, usa-se o mesmo sistema de outras unidades.


Quilowatt          Watt                    Miliwatt             Microwatt


KW


W


mW


mW

















Apresenta-se a seguir alguns exemplos de conversão:

1)    1,3W é o mesmo que 1300mW.
2)    640mW é o mesmo que 0,64W.
3)    0,007W é o mesmo que 7mW.
4)    350W é o mesmo que 0,35kW
5)    2,1kW é o mesmo que 2100W.
6)    12mW é o mesmo que 12000mW.



A potência elétrica de um consumidor, representada pela letra P, depende da tensão aplicada e da corrente que circula nos seus terminais.

Matematicamente, a potência de um consumidor é dada por:

                                     P = V ´ I                                                               (1)

onde V é a tensão entre os terminais do consumidor e I a corrente circulante no mesmo.


Exemplo 1:

Uma lâmpada de lanterna de 6V solicita uma corrente de 0,5A das pilhas. Qual a potência da lâmpada?

DadosV = 6V     I = 0,5V


Solução :
P = V ´ I
P = 6 ´ 0,5 = 3W


De forma semelhante à Lei de Ohm, a equação da potência pode ser colocada em triângulo, como mostrado na Fig.5.


Fig.5  Triângulo para cálculo da potência

Assim, obtém-se facilmente as equações de corrente para o cálculo de qualquer das três grandezas da equação:

P = V ´ I    Ü    Cálculo da potência quando se dispõe da tensão e da corrente.

I = P / V     Ü    Cálculo da corrente quando se dispõe da potência e da tensão.

V = P / I     Ü     Cálculo da tensão quando se dispõe da potência e da corrente.


 As equações devem ser usadas com os valores nas unidades padrão de medidas (V, A, W).


Em muitas ocasiões, faz-se necessário calcular a potência de um componente e não se dispõe da tensão ou da corrente.

Não dispondo da tensão (V), não é possível calcular a potência pela Eq.(1)

  
Essa dificuldade pode ser solucionada com o auxílio da Lei de Ohm da seguinte forma :

1.      Coloca-se lado a lado os dois triângulos, como mostrado na Fig.6



Fig.6  Triângulo da Lei de Ohm e da potência.

2.      Através  dos dados fornecidos pelo problema  (I e R)  e  da  Lei de Ohm, obtém-se a tensão aplicada ao consumidor:

                                     V = R ´ I                                                                 (2)

Substituindo o valor de V  da Eq.(2) (Lei de Ohm) na Eq.(1) (equação da potência), têm-se:

                                     P = V ´ I   Þ   P = ( R ´ I ) ´ I =    R X I 2           (3)

Esta equação pode ser usada para determinar a potência de um componente e é conhecida como equação da potência por efeito Joule.

O mesmo tipo de dedução pode ser realizado para obter-se uma equação que permita determinar a potência a partir da tensão e resistência.

pela Lei de Ohm :         I = V / R

Substituindo o valor de I da Eq.(2) (Lei de Ohm) na Eq.(1) (equação da potência), têm-se:

P = V ´ I    Þ    P = V ´  (V/R) =  V2 / R  


As equações para determinação da potência podem ser colocadas nos triângulos para facilitar as sua utilizações, como ilustrado na Fig.7.

        

Fig.7  Triângulos para o cálculo da potência

A seguir estão apresentados alguns exemplos que ilustram a utilidade das equações para a determinação da potência.


Exemplo 2:

Um aquecedor elétrico tem uma resistência se 8W e solicita uma corrente de 10A. Qual é a sua potência?

Dados :       I =10 A            R = 8 W                            

Solução :
P=R x I 2 = 8 x 100 = 800W


Exemplo 3:

Um isqueiro de um automóvel funciona com 12Vcc fornecidos pela bateria. Sabendo-se que a resistência do isqueiro é de 3W, calcular a potência dissipada.

Dados :       V =12 Vcc            R = 3 W                                  

Solução :
P = V2 /R  12 x 12 / 3 = 48W

 


Alguns aparelhos elétricos, tais como chuveiros, lâmpadas e motores apresentam uma característica particular: são aparelhos que têm uma tensão estabelecida para o funcionamento.

Assim, existem chuveiros para 110V ou 22V, lâmpadas para 6V, 12V, 110V, 220V e outras tensões e os motores são encontrados para tensões tais como 110V, 220V, 380V e outras.

Esta tensão para a qual estes consumidores são fabricados é chamada de tensão nominal de funcionamento.

Os consumidores que apresentam estas características devem sempre ser ligados na tensão correta (nominal), que normalmente está especificada no seu corpo, como ilustrado na Fig.8









Fig.8 Indicação de tensão de funcionamento

Quando estes aparelhos são ligados corretamente, a quantidade de calor, luz ou movimento produzida é exatamente aquela para a qual foram projetados.

Por exemplo, uma lâmpada de 110V e 60W ligada corretamente, produz 60W entre luz e calor. Diz-se, neste caso, que a lâmpada esta dissipando sua potência nominal.

Portanto, potência nominal é a potência para qual um consumidor foi projetado. Uma lâmpada, um aquecedor ou um motor trabalhando dissipando a potência nominal, estão na sua condição ideal de funcionamento.

LIMITE DE DISSIPAÇÃO DE POTÊNCIA


Existe um grande número de componentes eletrônicos que se caracterizam por não ter uma tensão nominal de funcionamento especificada. Estes componentes podem funcionar com os mais diversos valores de tensão.

Os resistores são um exemplo típico deste tipo de componentes. Não trazem nenhuma referência quanto a tensão nominal de funcionamento.

Entretanto, todo o resistor que é ligado a uma fonte geradora dissipa uma potência que pode ser calculada.

Tomando-se como exemplo o circuito apresentado na Fig.9.


Fig.9  Potência dissipada em um resistor

A potência dissipada é:

P = V ´ I = 10V ´ 0,1A
P = 1W

Como o resistor não produz luz ou movimento, esta potência é dissipada em forma de calor, o que é constatado pelo aquecimento do componente.


 Os resistores dissipam potência elétrica em forma de calor.


É necessário garantir que a quantidade de calor produzida pelo resistor não seja demasiada, provocando um aquecimento tão grande que possa destruí-lo.



Dessa forma, conclui-se que se a dissipação de potência for limitada, a produção de calor também será.

Por essa razão, os resistores têm uma característica denominada de limite de dissipação que estabelece um valor máximo de potência que o resistor pode dissipar sem sofrer danos.


 O limite de dissipação de um resistor é a potência máxima que ele pode dissipar sem sofrer danos.


Os resistores são fabricados em diversos valores de limite de dissipação. Entre os valores mais comuns de limites de dissipação, encontram-se:

1/8W ou 0,125W, 1/4W ou 0,25W, 1/2W ou 0,5W, 1W, 2W, 5W, 10W e outros.

Deve-se sempre ter em mente que estes valores representam o limite máximo de dissipação.

Por medida de segurança à preservação do componente, deve-se manter a potência dissipada no componente abaixo de 50% do valor limite. Isto deve permitir que o componente trabalhe morno. Se for necessário que o componente trabalhe frio, usa-se no máximo 30% da potência nominal. Por exemplo, para um resistor de 470W/1W, tem-se que este resistor trabalha no limite de dissipação quente se ele estiver dissipando 1W, trabalha morno se estiver dissipando 0,5W e trabalha frio se estiver dissipando até 0,3W.

Os resistores para diferentes limites de dissipação têm tamanhos diferentes, como pode ser visto na Fig.10.


Fig.10  Resistores de diferentes limites de dissipação.

Sempre que for necessário solicitar ou comprar um resistor, é necessário fornecer a sua especificação completa (por exemplo, resistor de 820W, com 10% de tolerância e 1/2W de potência).



domingo, 18 de março de 2012

CURSO DE ELETRÔNICA - Divisor de tensão

Missão do Sistema SENAI

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     Nosso negócio

                Educação para o Trabalho e Cidadania.



Introdução



Com a evolução da tecnologia e dos meios produtivos, os equipamentos eletrônicos têm se tornado cada vez mais compactos. Isto torna necessário que estes equipamentos sejam alimentados por fontes de energia portáteis (pilhas e baterias).

Surge então a questão: como fornecer diferentes tensões adequadas a cada componente a partir de uma tensão única, fornecida pela fonte? A resposta está nos divisores de tensão.

Este fascículo foi elaborado para o seu conhecimento e compreensão da forma de funcionamento e particularidades dos divisores de tensão, visando a capacitá-lo a dimensionar corretamente os resistores que os compõem.



Divisor de tensão



É um circuito formado por resistores que permite obter, a partir de alimentação fornecida, qualquer valor de tensão menor, necessário ao funcionamento dos circuitos. A Fig.1 mostra um exemplo de um divisor de tensão.


Fig.1 Divisor de tensão.

O divisor de tensão é muito utilizado nos circuitos eletrônicos para a obtenção da tensão típica de funcionamento de cada componente sem que seja necessário usar diversas fontes de alimentação.

O CIRCUITO SÉRIE COMO DIVISOR DE TENSÃO

        
Um circuito série, formado por dois resistores, divide a tensão aplicada na sua entrada em duas partes, ou seja, duas quedas de tensão, conforme ilustrado na Fig.2.


Fig.2 Queda de tensão em dois resistores ligados em série.

O circuito série é, portanto, um divisor de tensão. Dimensionando os valores dos resistores pode-se dividir a tensão de entrada de qualquer forma que seja necessária, como mostrado no exemplo da Fig.3.


Fig.3 Divisão da tensão de acordo com os valores das resistências.

DIVISOR DE TENSÃO COM CARGA


A divisão da tensão através de um divisor resistivo tem por finalidade fornecer uma parte da tensão de alimentação para um componente ou circuito.


Por exemplo, pode-se utilizar um divisor de tensão para obter 6V numa lâmpada, a partir de uma fonte de 10V, conforme ilustrado na Fig.4.

  

Fig.4 Obtenção de uma tensão de 6V a partir de uma fonte de 10V.


A tensão fornecida pela fonte ao divisor é denominada de tensão de entrada, e a tensão fornecida pelo divisor à carga é denominada de tensão de saída. O circuito ou componente que é aumentado pelo divisor é denominado de carga do divisor, como pode ser visto na Fig. 5


Fig. 5 O componente conectado à saída é denominado de "carga".

A carga de um divisor pode ser um componente eletrônico, uma lâmpada ou até mesmo um circuito eletrônico. Por esta razão, quando se calcula ou representa em diagrama um divisor, a carga é representada simplesmente por um bloco, denominado RL, independentemente do que seja realmente, como pode ser visto na Fig.6.


Fig.6 Representação da carga RL.

INFLUÊNCIA DA CARGA SOBRE O DIVISOR


Qualquer carga que seja conectada a um divisor de tensão, fica sempre em paralelo com um dos resistores que o compõem. Como pode ser visto no exemplo da Fig.7, ao ligar a chave a carga fica em paralelo com R2.



Fig.7  A carga é conectada em paralelo com R2.


Ao ser conectada ao divisor, a carga altera a resistência total do circuito divisor, fazendo com que as tensões em cada resistor se modifiquem. Por esta razão sempre que se calcula um divisor deve-se determinar as características da carga e considerá-la como sempre ligada ao circuito.

  

Dimensionamento do divisor de tensão



Os dados necessários para o dimensionamento dos componentes de um divisor são:

·        Tensão de entrada.
·        Tensão de carga (ou de saída do divisor).
·        Corrente de carga.


Exemplo 1:

Necessita-se alimentar uma lâmpada de 6V e 0,5W a partir de uma fonte que fornece 10Vcc. Dimensionar o divisor de tensão.

Do enunciado, obtêm-se diretamente dois dados:

·        Tensão de entrada : 10Vcc.
·        Tensão de carga : 6Vcc.

A corrente de carga não é fornecida diretamente, mas pode ser determinada através da seguinte equação:

                                     P = V´I                                                                  (1)


Uma vez dispondo dos dados essenciais, pode-se elaborar um esquema do divisor de tensão que contenha estes dados.


Dimensionamento do valor de R2

Para se determinar o valor de R2, utiliza-se a lei de Ohm:

R=V/I

A tensão sobre R2 é a mesma tensão da carga, uma vez que R2 e a carga estão em paralelo, conforme ilustrado na figura abaixo.



Para se determinar o valor de R2 pela Lei de Ohm, necessita-se ainda da corrente neste resistor, que não é fornecida no enunciado do problema.

Para dar continuidade ao cálculo é necessário admitir (escolher) um valor para esta corrente. Quando a carga não varia, solicitando do divisor uma corrente de valor fixo, como é o caso de lâmpadas e resistores, qualquer valor pode ser admitido para a corrente em R2. Por exemplo I r2= 10mA, 200mA, 1mA ou 1A. Em geral, admitem-se valores de corrente pequenos para que a dissipação de potência nos resistores do divisor seja pequena.
Retornando ao exemplo, admitindo-se uma corrente de 10mA no resistor R2 , como ilustrado abaixo, tem-se:


  
Dimensionamento do valor de R1

O resistor R2 também é determinado pela Lei de Ohm:

 R2= VR2/IR2
Fazendo-se necessário determinarem-se os valores de   VR2 e IR2 .

A queda de tensão em R2 pode ser determinada através da 2ª Lei de Kirchhoff

                                 Vcc= VR1+VR2+VR3+ ..... VR      (2)

A queda de tensão sobre R1 é a tensão de entrada menos a tensão de saída
 VR1=VCC -  V saida

A corrente em R1 pela 1ª Lei de Kirchhoff é a soma das correntes em R2 e RL:

IR1=IR2 + IRL

Substituindo-se VR1 e VR2 na Lei de Ohm, tem-se:


         A figura seguinte mostra o esquema do divisor de tensão com os valores de R1 e R2 calculados.

   

PADRONIZAÇÃO DOS VALORES DOS RESISTORES


Normalmente os valores de resistor encontrados através do cálculo não coincidem com os valores padronizados de resistores encontrados no comércio.

Após realizar o cálculo, deve-se escolher os resistores comerciais mais próximos dos calculados. Por exemplo, no divisor usado como exemplo, tem-se:

R1=43W (não comercial)

Primeira opção comercial: 47W.
Segunda opção comercial: 39W.

R2=600W (não comercial)

Primeira opção comercial: 680W.
Segunda opção comercial: 560W.

Optando-se pelo valor comercial mais alto que 43W, ou seja, 47W no caso, deve-se optar também pelo valor mais alto que 600W, ou seja, 680W e vice-versa.

O divisor fica com a configuração mostrada na figura seguinte :


A substituição dos resistores calculados por valores padronizados provoca diferença nas tensões do divisor. Sempre se deve recalcular as tensões do divisor com os valores padronizados, como ilustrado abaixo.


Observa-se pela figura acima que a padronização dos resistores provoca uma pequena diferença na tenção de saída do divisor (de 6V para 5,8V).


DETERMINAÇÃO DA POTÊNCIA DE DISSIPAÇÃO DOS RESISTORES


Uma vez definidos os resistores padronizados e as tensões do divisor, determinam-se as potências de dissipação dos resistores:


Do circuito, obtêm-se os dados necessários para os cálculos :


Deve-se usar resistores com potência de dissipação máxima pelo menos duas vezes maior que a dissipação real. O diagrama final do divisor é o mostrado na figura abaixo :



Exemplo 2:

Precisa-se alimentar uma carga de 400W e 12V a partir de uma fonte de 20V, utilizando-se um divisor de tensão. Projete o circuito necessário.

Solução:

Dados obtidos no enunciado:

·        Tensão de entrada : 20Vcc.
·        Tensão de saída : 12Vcc.

Corrente da carga


A figura mostra o diagrama do divisor :



Dimensionamento de R2

  

Dimensionamento de R1


Padronizando os valores dos resistores, para os valores comerciais maiores, tem-se:

R2 = 820W
R1 = 180W

Recalculando as tensões com os valores padronizados, obtêm-se os valores indicados na figura abaixo :


Determinando-se a potência dos resistores, tem-se:


Portanto, R1 pode ser de 1W e R2 de 1/2W.

O esquema final do divisor é mostrado abaixo :