8- 75

Na posio 2, o condutor move-se perpendicularmente ao fluxo e corta o nmero mximo de linhas de fora, proporcionando a induo da voltagem mxima. O condutor, movendo-se alm da posio 2, corta uma quantidade decrescente de linhas de fora a cada instante, e a voltagem induzida diminui. Na posio 3, o condutor completou meia revoluo e novamente move-se paralelo s linhas de fora, e no h induo de voltagem no condutor.

Como o condutor A passa pela posio 3, a direo da voltagem se inverte, j que o condutor A move-se, agora, para baixo, cortando o fluxo na posio oposta. O condutor A movendo-se atravs do plo sul, diminui gradualmente a voltagem induzida, na direo negativa, at que na posio 4 o condutor mova-se perpendicularmente ao fluxo novamente, e seja gerada a voltagem negativa mxima. Da posio 4 para a 5, a voltagem induzida decresce gradualmente at que atinja o valor zero, e o condutor e a onda estejam prontos para comear um outro ciclo. A curva mostrada na posio 5 chamada de onda senoidal. Representa a polaridade e intensidade dos valores instantneos das voltagens geradas. A linha base horizontal dividida em graus, ou tempo, e a distncia vertical acima ou abaixo da linha base representa o valor da voltagem em cada ponto particular, na rotao do enrolamento (loop). Ciclo e freqncia Sempre que uma voltagem ou corrente passam por uma srie de mudanas, retorna ao ponto de partida e, ento, reinicia a mesma srie de mudanas, a srie chamada ciclo. O ciclo representado pelo smbolo (~). No ciclo de voltagem mostrado na figura 8-167, a voltagem aumenta de zero ao valor positivo mximo e cai para zero; ento, aumenta para o valor mximo negativo e novamente cai a zero. Neste ponto, est em condies de iniciar nova srie. Existem duas alteraes num ciclo completo, a positiva e a negativa. Cada qual meio ciclo.

Figura 8-167 Freqncia em ciclos por segundo. O nmero de vezes, em que cada ciclo ocorre num perodo de tempo, chamado de freqncia. A freqncia de uma corrente eltrica ou voltagem indica o nmero de vezes em que um ciclo se repete em 1 segundo. Num gerador, a voltagem e a corrente passam por um ciclo completo de valores, cada vez que um enrolamento ou condutor passa sob o plo norte e o plo sul do im. O nmero de ciclos para cada revoluo de enrolamento ou condutor igual ao de pares de plos.

A freqncia, ento, igual ao nmero de ciclos em uma revoluo, multiplicado pelo nmero de revolues por segundo. Expresso em equao fica:

F =N de polos

x r.p.m.60

o

2

onde P/2 o nmero de pares de plos e r.p.m./60 o nmero de revolues por segundo. Se num gerador de 2 plos, o condutor girado a 3.600 r.p.m., as revolues por segundo so:

r.p.s = 360060

= 60 revolues por segundo Como existem 2 plos, P/2 igual a 1 e a freqncia de 60 c.p.s..

Num gerador de 4 plos, com uma velocidade do induzido de 1.800 r.p.m., substitui-se na equao:

8- 76

F = P2

x r.p.m.60

F = 42

x 180060

2 x 30= F = 60 c.p.s.

A par da freqncia e ciclagem, a voltagem e a corrente alternada tambm tm uma caracterstica chamada fase. Num circuito alimentado por um alternador, deve haver uma certa relao de fase entre a voltagem e a corrente para que o circuito funcione eficientemente. Tal relao no somente deve haver num sistema alimentado por dois ou mais alternadores, mas tambm entre as voltagens e correntes individuais. Dois circuitos separados podem ser comparados pelas caractersticas de fase de cada um. Quando duas ou mais ondas senides passam por 0 e 180 simultaneamente, e alcanam seus picos, existe uma condio em fase, conforme mostrado na figura 8-168.

Os valores de pico (magnitudes) no tm que ser os mesmos para que a condio em fase exista.

Figura 8-168 Condio em fase da corrente e

da voltagem. Quando as ondas senides passam por 0 e 180 em tempos diferentes, uma condio fora-de-fase existe, conforme mostrado na figura 8-169. A medida em que as duas ondas senides esto fora de fase, elas so indicadas pelo nmero de graus eltricos entre os picos correspondentes das ondas senides. Na figura 8-169, a corrente e a voltagem esto 30 fora de fase.

Figura 8-169 Condio de fora de fase da

corrente e da voltagem. Valores de corrente alternada Existem trs valores de corrente alternada que precisam ser considerados. So eles: instantneo, mximo e efetivo. Um valor instantneo de voltagem ou corrente a voltagem induzida ou corrente fluindo em qualquer momento. A onda senide uma srie destes valores. O valor instantneo da voltagem varia de zero em 0, para mximo a 90, volta a zero a 180, vai para o mximo na direo oposta em 270 e a zero novamente em 360. Qualquer ponto de uma onda senide considerado um valor instantneo de voltagem. O valor mximo o instantneo mais alto. O mais elevado valor positivo isolado ocorre quando a voltagem da onda senide est a 90 graus, e o valor negativo isolado mais alto ocorre quando est a 270 graus. Estes so chamados valores mximos. O valor mximo 1,41 vezes o valor efetivo (ver figura 8-170).

Figura 8-170 Valores efetivos e mximos de

voltagem. O valor efetivo da corrente alternada o mesmo valor da corrente contnua, que possa produzir um igual efeito trmico. O valor efetivo menor do que o valor mximo, sendo

8- 77

igual a 0,707 vezes o valor mximo. Ento, os 110 volts oferecidos para consumo domstico (rede) apenas 0,707 do valor mximo dessa fonte. A voltagem mxima aproximadamente 155 volts (110 x 1,41 = 155 volts - mximo). No estudo da corrente alternada, quaisquer valores dados para corrente ou voltagem so entendidos como sendo valores efetivos, a no ser que seja especificado em contrrio e, na prtica, somente os valores efetivos de voltagem e corrente so usados. Desta forma, voltmetros de corrente alternada e tambm os ampermetros medem o valor efetivo. INDUTNCIA Quando uma corrente alternada flui numa bobina de fio, a elevao e queda do fluxo de corrente, primeiro numa direo e depois na outra, provocam uma expanso e colapso do campo magntico em torno da bobina, na qual induzida uma voltagem em direo oposta voltagem aplicada, e que se ope a qualquer mudana na corrente alternada (ver figura 8-171).

Figura 8-171 Circuito de CA contendo indu-

tncia. A voltagem induzida chamada de fora contra-eletromotriz (f.c.e.m.), j que se ope voltagem aplicada.

Esta propriedade de uma bobina que se ope ao fluxo de corrente atravs de si mesma chamada de indutncia. A indutncia de uma bobina medida em henrys. Em qualquer bobina, a indutncia depende de vrios fatores, principalmente o nmero de espiras, a rea de seo transversal da bobina e seu ncleo. Um ncleo de material magntico aumenta grandemente a indutncia da bobina.

indispensvel lembrar, entretanto, que um fio reto tambm tem indutncia, ainda que pequena, se comparada a de um fio enrolado (bobina). Motores de C.A., rels e transformadores contribuem com indutncia num circuito. Praticamente todos os circuitos de C.A. possuem elementos indutivos. O smbolo para indutncia, em frmulas, a letra L. A indutncia medida em Henrys (abreviado h).

Figura 8-172 Vrios tipos de indutores.

Um indutor (bobina) tem uma indutncia de 1 Henry se uma f.e.m. de 1 volt induzida, quando a corrente atravs do indutor est mudando razo de 1 ampre por minuto. Entretanto, o Henry uma unidade grande de indutncia e usada com indutores relativamente grandes, possuindo ncleos de ferro. A unidade usada para pequenos indutores de ncleo de ar o milihenry (mh). Para indutores de ncleo de ar ainda menores, a unidade de indutncia o microhenry (Mh). A figura 8-172 mostra alguns dos vrios tipos de indutores, juntamente com seus smbolos.

8- 78

Os indutores podem ser conectados num circuito da mesma maneira que os resistores. Quando conectados em srie, a indutncia total a soma das indutncias, ou LT = L1 + L2 + L3 , etc. Quando dois ou mais indutores so conectados em paralelo, a indutncia total , como as resistncias em paralelo, menor do que a do menor indutor, ou

L

L L L

T

1 2 3

=+ +

11 1 1

A indutncia total dos indutores conectados em srie paralelo pode ser calculada, resolvendo-se as indutncias em paralelo e em seguida somando os valores em srie. Em todos os casos, estas frmulas so vlidas para os indutores cujos campos magnticos no tenham interao. Reatncia indutiva A oposio ao fluxo de corrente, que as indutncias proporcionam num circuito, chamada reatncia indutiva. O smbolo para reatncia XL e medida em ohms, assim como a resistncia. Em qualquer circuito em que haja apenas resistncia, a equao para voltagem e corrente a lei de ohm: I = E/R. Similarmente, quando h indutncia num circuito, o envolvimento entre voltagem e corrente pode ser expresso assim:

corrente = voltagemreatancia

ou I = EXL

,

Onde, XL = reatncia indutiva do circuito em ohms. Se todos os demais valores do circuito permanecem constantes, quanto maior a indutncia numa bobina, maior o efeito de auto-induo, ou oposio. Conforme a freqncia aumenta, a indutncia reativa aumenta, j que maior razo de mudana de corrente corresponde o aumento da oposio mudana por parte da bobina. Portanto, a reao indutiva proporcional indutncia e freqncia, ou,

XL = 2 f L Onde,

XL = reatncia indutiva em ohms f = freqncia em ciclos por segundo = 3,1416

Na figura 8-173, um circuito em srie de C.A. considerado como tendo indutncia de 0,146 henry e uma voltagem de 110 volts com uma freqncia de 60 ciclos por segundo. Qual a reatncia indutiva? E o fluxo de corrente? (o smbolo (~) representa um gerador de C.A.)

Figura 8-173 Circuito de C.A. contendo

indutncia. Soluo:

Para encontrar a reatncia indutiva:

XL = 2 x f x L XL = 6,28 x 60 x 0,146

Para encontrar a corrente:

I = EX

L

= =11055

2 ampres

Em circuitos em srie de C.A. (figura 8-174) as reatncias indutivas so somadas da mesma forma que resistncias em srie num circuito de C.C..

Figura 8-174 Indutncia em srie.

8- 79

Da, a reatncia total no circuito ilustrado na figura 8-174 ser igual soma das reatncias individuais. A reatncia total de indutores conectados em paralelo (figura 8-175) encontrada do mesmo modo que a resistncia total num circuito em paralelo. Da a reatncia total de indutncias conectadas em paralelo, conforme mostrado, ser expressa assim:

(X

X X X

L T

L L L

)

( ) ( ) ( )

=+ +

11 1 1

1 2 3

Figura 8-175 Indutncia em paralelo. CAPACITNCIA Uma outra importante propriedade em circuitos de C.A., a par da resistncia e indutncia a capacitncia. Enquanto a indutncia representada num circuito por uma bobina, a capacitncia representada por um capacitor. Quaisquer dois condutores, separados por um no-condutor (chamado dieltrico), constituem um capacitor. Num circuito eltrico, um capacitor serve como reservatrio de eletricidade. Quando um capacitor conectado atravs de uma fonte de corrente contnua, com uma bateria de acumuladores (circuito mostrado na figura 8-176) e a chave ento fechada, a placa marcada com B torna-se positivamente carregada e a placa A negativamente carregada.

Figura 8-176 Capacitor em um circuito de CC.

A corrente flui no circuito externo durante o tempo que os eltrons esto se movendo de B para A. O fluxo de corrente no circuito mximo no momento em que a chave fechada, mas diminui continuamente, at alcanar zero. A corrente torna-se zero assim que a diferena de voltagem de A e B torna-se igual a voltagem da bateria. Se a chave for aberta, as placas permanecem carregadas. Entretanto, o capacitor descarrega-se rapidamente, se colocado em curto. A quantidade de eletricidade que um capacitor pode acumular depende de vrios fatores, incluindo o tipo de material do dieltrico. diretamente proporcional rea da placa, e inversamente proporcional distncia entre as placas. Na figura 8-177, duas chapas planas de metal so colocadas prximo uma da outra (mas no se tocando). Normalmente elas so eletricamente neutras, isto , no h evidncia de carga eltrica em ambas as placas.

Figura 8-177 Circuito de um capacitor

(condensador) bsico.

No momento em que a chave fechada na posio bateria, o medidor mostrar uma certa corrente fluindo numa direo, mas quase que, instantaneamente, retornar a zero. Se a bateria for retirada do circuito e a chave for fechada na posio capacitor, o medidor mostrar uma corrente momentnea, mas em sentido contrrio anterior. Esta experincia demonstra que as duas placas acumulam energia, quando conectadas a uma fonte de voltagem, e liberam energia quando colocadas em curto. As duas chapas formam um capacitor simples, ou condensador e possuem a capacidade de acumular energia. A energia realmente estocada no campo eltrico, ou dieltrico, entre as placas. Tambm deve estar claro que durante o tempo em que o capacitor est sendo carregado ou descarregado, h corrente no circuito,

8- 80

embora o circuito esteja interrompido pelo intervalo entre as placas do capacitor. Entretanto, existe corrente somente enquanto ocorre carga e descarga, e este perodo de tempo muito curto. No pode ocorrer nenhum movimento ininterrupto de corrente contnua atravs de um capacitor. Um capacitor bom bloquear a corrente contnua (no a C.C. pulsativa) e permitir a passagem dos efeitos da corrente alternada. A carga de eletricidade que pode ser colocada num capacitor proporcional voltagem aplicada e capacitncia do capacitor (condensador). A capacitncia depende da rea total das placas, da espessura do dieltrico e da composio do dieltrico. Se uma folha fina de baquelite (preenchida com mica) for substituda por ar entre as placas de um capacitor, por exemplo, a capacitncia ser aumentada cerca de cinco vezes. Qualquer carga produzida por voltagem aplicada e mantida no limite por um isolador (dieltrico) cria um campo dieltrico.

Uma vez que o campo seja criado, tende a opor-se a qualquer mudana de voltagem que poderia afetar sua situao original. Todos os circuitos possuem alguma capacitncia, mas a menos que possuam algum capacitor, ela desconsiderada. Dois condutores, chamados eletrodos ou placas, separados por um no-condutor (dieltrico) formam um capacitor simples. As placas podem ser feitas de cobre, de estanho ou de alumnio. Freqentemente elas so feitas de folha (metais comprimidos em finas folhas capazes de serem enroladas). O dieltrico pode ser ar, vidro, mica, ou eletrlito, feito de uma pelcula de xido, mas o tipo usado determinar o total da voltagem que pode ser aplicada e a quantidade de energia que pode ser acumulada. Os materiais dieltricos tm estruturas atmicas diferentes e apresentam quantidades diferentes de tomos para o campo eletrosttico. Todos os materiais dieltricos so comparados ao vcuo e recebem uma classificao numrica de valor de acordo com a razo de capacidade entre eles. O nmero atribudo a um material baseado na mesma rea e espessura em relao ao vcuo.

Os nmeros usados para expressar essa razo so chamados constantes dieltricas, e so representados pela letra K. A tabela na figura 8-178 apresenta o valor de K para alguns materiais usados.

Material K (Constante dieltrica) Ar 1.0 Resina 2.5 Papel de amianto 2.7 Borracha dura 2.8 Papel seco 3.5 Isolantita 3.5 Vidro comum 4.2 Quartzo 4.5 Mica 4.5 a 7.5 Porcelana 5.5 Vidro cristal 7.0 Vidro tico 7.9

Figura 8-178 Constantes Dieltricas. Se uma fonte de corrente contnua substituda por bateria, o capacitor atua um pouco diferente do que ocorre com corrente contnua.

Quando usada a corrente alternada num circuito (figura 8-179), a carga das placas modifica-se constantemente. Isto significa que a eletricidade deve fluir primeiro de Y, no sentido horrio, para X, depois, de X, no sentido anti-horrio, para Y, depois, de Y, no sentido horrio, para X, e assim por diante.

Figura 8-179 Capacitor num Circuito CA. Embora nenhuma corrente flua atravs do isolador entre as placas do capacitor, ela flui constantemente no restante do circuito, entre X e Y. Num circuito em que existe somente capacitncia, a corrente precede a voltagem, ao passo que num circuito onde exista somente indutncia, a corrente retarda-se frente a voltagem.

8- 81

A unidade de medida de capacitncia o farad, para o qual o smbolo a letra f. O farad muito grande para uso prtico e a unidade geralmente usada o microfarad (f), um milionsimo do farad, e o micro-microfarad (f), um micronsimo do microfarad. Tipos de capacitores Os capacitores podem ser divididos em dois grupos: fixos e variveis. Os capacitores fixos que tm, aproximadamente, capacitncia constante, podem ser divididos de acordo com o tipo de dieltrico usado nas seguintes classes: papel, leo, mica e capacitores eletrolticos. Os capacitores de cermica so tambm usados em alguns circuitos. Quando conectando capacitores eletrolticos num circuito, a correta polaridade tem que ser observada. Capacitores de papel podem ter um terminal marcado ground (terra), significando que este terminal est ligado folha externa. Normalmente, a polaridade no tem que ser observada em capacitores de papel, leo, mica ou cermica. Capacitores de papel As placas dos capacitores de papel so tiras de folha de metal, separadas por papel encerado (figura 8-180). A capacitncia dos capacitores de papel est na faixa de 200 f a alguns f. As tiras de folha e as de papel so enroladas juntas, para formar um cartucho cilndrico, que ento selado com cera para afastar a umidade e prevenir corroso e vazamento.

Figura 8-180 Capacitor de papel.

Duas pontas de metal so soldadas s placas. Cada uma estendendo-se para cada lado do cilindro. O conjunto includo tanto numa cobertura de papelo quanto numa capa de plstico moldado duro (uma ou outra). Os capacitores tipo banheira bathtub so capacitores de papel em cartuchos

hermeticamente fechados em capas metlicas. A capa freqentemente serve como um terminal comum para vrios capacitores includos, mas quando no um terminal, a capa serve como uma blindagem contra interferncia eltrica (figura 8-181).

Figura 8-181 Capacitor de papel tipo banheira. Capacitores a leo Em transmissores de radar e rdio, altas voltagens, suficientes para causar centelhamento ou ruptura em dieltricos de papel, so muitas vezes empregadas.

Conseqentemente, nestas aplicaes, capacitores que usam leo ou papel impregnado com leo, como material dieltrico so preferidos. Os capacitores deste tipo so consideravelmente mais caros do que os capacitores comuns de papel e o seu uso , em geral, restrito a equipamentos de transmisso de rdio e radar.

Figura 8-182 Capacitor de leo

Capacitores de mica O capacitor fixo de mica feito de placas de folha de metal, que so separadas por folhas de mica formando o dieltrico. O conjunto inteiro coberto com plstico moldado, que evita a umidade.

8- 82

Figura 8-183 Capacitores de mica.

A mica um excelente dieltrico que suporta maiores voltagens do que o papel, sem permitir centelhamento entre as placas. Os valores normais dos capacitores de mica variam de aproximadamente 50 f a cerca de 0.02 f. Capacitores de mica so mostrados na figura 8-183

. Capacitores eletrolticos Para capacitncias maiores do que alguns microfarads, as reas das placas dos capacitores de mica ou papel precisam se tornar muito grandes. Ento, neste caso, normalmente so empregados capacitores eletrolticos, que permitem grandes capacitncias em pequenos tamanhos fsicos. Sua faixa de valores abrange de 1 a cerca de 1.500 microfarads. Diferentemente dos outros tipos, os capacitores eletrolticos so geralmente polarizados e podem ser submetidos apenas voltagem contnua ou voltagem contnua pulsativa, embora um tipo especial de capacitor eletroltico seja feito para uso em motores. O capacitor eletroltico amplamente utilizado em circuitos eletrnicos e consiste em duas placas de metal, separadas por um eletrlito. O eletrlito em contato com o terminal negativo, tanto na forma lquida ou pastosa, inclui o terminal negativo. O dieltrico uma pelcula de xido extremamente fina depositada sobre o eletrodo positivo do capacitor. O eletrodo positivo uma folha de alumnio dobrada para obteno de mxima rea. O capacitor submetido a processo de modelagem durante a fabricao, quando uma corrente passada atravs dele. O fluxo de

corrente resulta no depsito de fina cobertura de xido sobre a placa de alumnio. O espao justo dos eletrodos positivo e negativo aumenta relativamente o alto valor de capacitncia, mas permite maior possibilidade de interrupo de voltagem e vazamento de eltrons de um eletrodo para o outro. Dois tipos de capacitores eletrolticos so usados: (1) eletroltico mido; e (2) eletroltico seco. No primeiro, o eletrlito um lquido e o invlucro deve ser prova de vazamento. Este tipo deve sempre ser montado na posio vertical. O eletrlito do eletroltico seco uma pasta num separador feito de um material absorvente como gaze ou papel. O separador no-somente conserva o eletrlito no lugar mas tambm previne possibilidade de curto-circuito entre as placas. Capacitores eletrolticos secos so feitos tanto na forma cilndrica quanto retangular, e podem ser cobertos com papelo ou metal. J que o eletrlito no pode derramar, os capacitores secos podem ser montados em qualquer posio conveniente. Capacitores eletrolticos so mostrados na figura 8-184.

Figura 8-184 Capacitores eletrolticos. Capacitores em paralelo e em srie Os capacitores podem ser combinados em paralelo ou em srie, para dar valores equivalentes, que podem ser tanto a soma dos valores individuais (em paralelo) ou um valor menor do que a menor capacitncia (em srie). A figura 8-185 mostra as ligaes em srie e em paralelo.

8- 83

Figura 8-185 Capacitores em paralelo e em

srie. As duas unidades usadas em medio da capacitncia so o farad e o coulomb. Conforme definido anteriormente, o farad quantidade de capacitncia presente num capacitor, quando um coulomb de energia eltrica acumulada nas placas, e um volt aplicado atravs do capacitor. Um coulomb a carga eltrica de 6,28 bilhes de bilhes de eltrons. Disto, conclui-se que:

C (em farads) = Q (em coulombs )E ( em volts )

Em A da figura 8-185, a voltagem, E, a mesma para todos os capacitores. A carga total, Qt , a soma das cargas individuais, Q1, Q2 e Q3 . Usando a equao bsica para o capacitor,

C = QE

A carga total Qt = Ct x E, onde Ct a capacitncia total. J que a carga total dos capacitores em paralelo a soma das cargas individuais dos capacitores,

Qt = Q1 + Q2 + Q3

Usando ambas as equaes para a carga total, desenvolve-se a equao

Ct E = C1 E + C2 E + C3 E Dividindo-se ambos os termos da equao por E, d-se

Ct = C1 + C2 + C3 Esta frmula usada para determinar a capacitncia total, para qualquer nmero de capacitores em paralelo. Na arrumao em srie, (B da figura 8-185), a corrente a mesma em todas as partes do circuito. Cada capacitor desenvolve uma voltagem durante a carga, e a soma das voltagens de todos os capacitores tem que ser igual voltagem aplicada, E.

Por meio da equao para capacitor, a voltagem aplicada, E, igual carga total dividida pela capacitncia total, ou

E = QC

t

t

A carga total, Qt , igual carga em qualquer dos capacitores, porque a mesma corrente flui em todos pelo mesmo intervalo de tempo e porque a carga igual corrente vezes o tempo em segundos (Qt = I x t).

Por isso, Qt = Q1 + Q2 + Q3

e, uma vez que em um circuito com capacitores em srie

Ck = C1 + C2 + C3 , onde E1, E2, E3 so as voltagens dos trs capacitores.

Ento,

QC

QC

QC

QC

t

t

t

1

t

2

t

3

= + + Dividindo a equao por Qt , temos

8- 84

1 1 1 1C C C Ct 1 2 3

= + + A recproca da capacitncia total de qualquer nmero de capacitores em srie igual soma dos recprocos valores individuais. Os capacitores em paralelo combinam-se por uma regra semelhante usada na combinao de resistores em srie.

Os capacitores em srie combinam-se por uma regra semelhante da combinao de resistores em paralelo. No arranjo de dois capacitores em srie, C1, C2 , a capacidade total dada pela equao:

C C x CC Ct

1 2

1 2

= + Classificao de voltagem dos capacitores Na seleo ou substituio de um capacitor para uso em um circuito em particular, o seguinte deve ser considerado: (1) o valor da capacitncia desejada; e (2) a voltagem qual o capacitor ser submetido. Se a voltagem aplicada s placas for alta demais, o dieltrico romper-se-, e ocorrer o centelhamento entre as placas. O capacitor ento colocado em curto, e o possvel fluxo de corrente poder causar danos a outras partes do equipamento. Os capacitores possuem uma classificao de voltagem que no deve ser excedida. A voltagem de trabalho do capacitor a voltagem mxima que pode ser aplicada sem risco de centelhamento. A voltagem de trabalho depende (1) do tipo de material empregado como dieltrico; e (2) da espessura de dieltrico. A voltagem um fator a ser considerado na determinao de capacitncia, porque a capacitncia diminui medida que a espessura do dieltrico aumenta. Um capacitor de alta voltagem, que possui um dieltrico espesso precisa ter uma rea de placa maior, de forma a manter a mesma capacitncia que um capacitor de baixa voltagem similar, tendo um dieltrico fino. A capacidade de alguns materiais dieltricos comumente usados est listada na figura 8-186.

A classificao da voltagem tambm depende da freqncia, porque as perdas e o

efeito trmico resultante aumentam conforme o aumento da freqncia.

Dieltrico

K

Resistncia de isolao do dieltrico (volts por 0,001 de polegada)

Ar 1.0 80 Papel (1) Parafinado (2) Encerado

2.2 3.1

1200 1800

Vidro 4.2 200 leo de Mamona 4.7 380 Baquelite 6.0 500 Mica 6.0 2000 Fibra 6.5 50

Figura 8-186 Resistncia de isolao de alguns

materiais dieltricos. Um capacitor que pode ser seguramente carregado em 500 volts C.C., no pode ser submetido com segurana a C.A. ou C.C. pulsativa, com valores efetivos de 500 volts. Uma voltagem alternada de 500 volts (r.m.s.) tem um pico de voltagem de 707 volts, e um capacitor no qual seja aplicado deve ter uma voltagem de trabalho de, no mnimo, 750 volts. O capacitor deve, ento, ser selecionado de tal forma que sua voltagem de trabalho seja, pelo menos, 50% maior do que a mais alta voltagem a ser aplicada nele. Reatncia capacitiva A capacitncia, como a indutncia, oferece oposio ao fluxo de corrente. Esta oposio chamada reatncia e medida em ohms. O smbolo para reatncia capacitiva Xc. A equao,

corrente = voltagemreatancia capacitiva

, ou

I = EXc

similar lei de Ohm e a equao para corrente num circuito indutivo. Maior a freqncia, menor a reatncia. Da, a reatncia capacitiva,

c xf x 2

1=X onde: f = freqncia em ciclos por segundo c = capacidade em farads 2 = 6,28

8- 85

Problema: Um circuito em srie concebido, em que a voltagem utilizada seja 110 volts a 60 c.p.s. e a capacitncia de um condensador seja 80 f. Achar a reatncia capacitiva e o fluxo de corrente.

Soluo: Para encontrar a reatncia capacitiva, a equao Xc = 1/2 fc usada. Primeiro, a capacitncia, 80 f, convertida para farads, dividindo-se 80 por 1.000,000, j que 1 milho de microfarads igual a 1 farad. Este quociente igual a 0,000080 farad. Substituindo na equao,

X x 60 x 0,000080c

= 16 28,

X c = 33 2, ohms de reatncia Encontra-se o fluxo de corrente:

I = EXc

= =11033 2

3 31,

, ampres

Reatncias capacitivas em srie e em paralelo Quando capacitores so conectados em srie, a reatncia igual soma das reatncias individuais. Ento, (XC)t = ( Xc )1 + ( Xc )2 A reatncia total dos capacitores conectados em paralelo encontrada da mesma forma que a resistncia total calculada num circuito em paralelo:

( )

( ) ( ) ( )

X

X X X

c t

c c 2 c

=+ +

11 1 1

1 3

Fase de corrente e voltagem em circuito reativo Quando corrente e voltagem cruzam o zero e alcanam o valor mximo ao mesmo tempo, diz-se que esto em fase(A da figura 8-187). Se a corrente e a voltagem passam pelo zero e atingem o valor mximo em tempos diferentes, so ditas fora de fase.

Num circuito contendo apenas indutncia, a corrente alcana um valor mximo depois da voltagem, atrasando-se em 90 graus ou um quarto de ciclo em relao voltagem (B da figura 8-187). Num circuito contendo apenas capacitncia, a corrente alcana seu valor mximo, e adianta-se em relao voltagem por 90 graus ou um quarto de ciclo (C da figura 8-187). Para a corrente se atrasar ou adiantar em relao voltagem num circuito, depende da intensidade da resistncia, indutncia e capacitncia no circuito.

Figura 8-187 Fase de corrente e voltagem. LEI DE OHM PARA CIRCUITOS DE C.A. As regras e equaes para circuitos de C.C. aplicam-se a circuitos de C.A. somente quando os circuitos contm resistncias, como no caso de lmpadas ou elementos trmicos. Para que se use valores efetivos de voltagem e corrente em circuitos de C.A., o efeito de indutncia e capacitncia com resistncia precisa ser considerado. O efeito combinado de resistncia, reatncia indutiva e reatncia capacitiva forma a oposio total ao fluxo de corrente num circuito de C.A. Tal oposio chamada de impedncia, e representada pela letra Z. A unidade de medida para a impedncia o ohm. Circuitos de C.A. em srie Se um circuito de C.A. consiste de resistncia apenas, o valor da impedncia o mesmo que o da resistncia e a lei de Ohm para um circuito de C.A., I = E/Z exatamente a mesma como para um circuito de C.C. Na figura 8-188, est ilustrado um circuito em srie, contendo uma lmpada com resistncia de 11 ohms conectada atravs de uma fonte. Para encontrar quanta corrente fluir, se forem aplicados 110 volts C.C., e quanta corrente fluir se forem aplicados 110 volts C.A., os seguintes exemplos so resolvidos:

8- 86

I = ER

v11

= =110 10 ampres c.c.

I = EZ

v11

= =110 10 ampres c.a.

Figura 8-188 Circuito em srie.

Quando um circuito de C.A. contm resistncia e tambm indutncia ou capacitncia, a impedncia, Z, no a mesma que a resistncia, R. A impedncia a oposio total do circuito para o fluxo de corrente. Num circuito de C.A., esta oposio consiste de resistncia e reatncia indutiva ou capacitiva, ou elementos de ambas. A resistncia e a reatncia no podem ser somadas diretamente, mas podem ser consideradas duas foras agindo em ngulos retos entre si. Assim sendo, a relao entre resistncia, reatncia e impedncia pode ser ilustrada por um tringulo retngulo (mostrado na figura 8-189).

A frmula para achar a impedncia, ou total oposio ao fluxo de corrente num circuito de C.A. pode ser obtida pelo uso de lei dos tringulos-retngulos, chamada de teorema de Pitgoras, aplicvel a qualquer tringulo retngulo.

Ela estabelece que o quadrado da hipotenusa igual a soma dos quadrados dos catetos.

Figura 8-189 Tringulo de impedncia.

Assim, o valor de qualquer lado de um tringulo retngulo pode ser encontrado se os dois outros lados forem conhecidos. Se um circuito de C.A. contiver resistncia e indutncia, como mostrado na figura 8-190, a relao entre os lados pode ser determinada assim: Z2 = R2 + XL2 A raiz quadrada de ambos os lados da equao Z = R2 + XL2

Esta frmula pode ser usada para determinar a impedncia, quando os valores da reatncia indutiva e da resistncia so conhecidos.

Ela pode ser modificada para resolver impedncia em circuitos contendo reatncia capacitiva e resistncia, substituindo-se XL2 por XC , na frmula. Em circuitos contendo resistncia com reatncias capacitivas e indutivas juntas, as reatncias podem ser combinadas, mas por causa dos seus efeitos opostos no circuito, elas so combinadas por subtrao: X = XL - XC ou X = XC - XL (o menor sempre subtrado do maior) Na figura 8-190, um circuito em srie, com resistncia e indutncia conectadas em srie ligado a uma fonte de 110 volts com 60 ciclos por segundo. O elemento resistivo uma lmpada, com resistncia de 6 ohms, e o elemento indutivo uma bobina com indutncia de 0,021 Henry. Qual o valor da impedncia e a corrente atravs da lmpada e da bobina?

Figura 8-190 Circuito contendo resistncia e

indutncia.

8- 87

Soluo: Primeiro, a reatncia indutiva da bobina calculada:

XL = 2 x f x L XL = 6.28 x 60 x 0,021

XL = 8 ohms de reatncia indutiva Depois, calculada a impedncia total: Z = R2 + XL2 Z = 62 + 82 Z = 36 + 64 Z = 100 Z = 10 ohms de impedncia. Em seguida, o fluxo de corrente

I = EZ

= =11010

11 ampres de corrente.

A queda de voltagem atravs da resistncia (EXL) ER = I x R ER = 11 x 6 = 66 volts A queda da voltagem atravs da indutncia (EXL) EXL = I x XL

EXL = 11 x 8 = 88 volts A soma das duas voltagens maior do que a voltagem da fonte. Isto decorre do fato de as duas voltagens estarem fora de fase e, assim sendo, representam de per si a voltagem mxima. Se a voltagem, no circuito, for medida com um voltmetro, ela ser de aproximadamente 110 volts a voltagem da fonte. Isto pode ser provado pela equao E = (ER)2 + (EXL)2

E = 662 + 882 E = 4356 + 7744 E = 12.100 E = 110 volts

Na figura 8-191 ilustrado um circuito em srie, no qual um capacitor de 200 Mf est conectado em srie com uma lmpada de 10 ohms. Qual o valor da impedncia, do fluxo de corrente e da queda de voltagem atravs da lmpada?

Figura 8-191 Circuito contendo resistncia e

capacitncia. Soluo: Primeiro, a capacitncia convertida de Mf para farads. J que 1 milho de microfarads igual a 1 farad, ento

200 0 000200 Mf = 2001.000.000

= , farads

X f Cc

= 12

X x 60 x 0,000200 farads c

= 16 28,

07536,0

1Xc == = 13 de reatncia capacitiva

Para encontrar a impedncia, Z = R2 + XC2 Z = 102 + 132 Z = 100 + 169 Z = 269 Z = 16.4 ohms de reatncia capacitiva Para encontrar a corrente,

I = EZ

= =11016 4

6 7,

, ampres

8- 88

A queda de voltagem na lmpada ER = 6,7 x 10 ER = 67 volts A queda de voltagem no capacitor (EXC) ser EXC = I x XC EXC = 6,7 x 13 EXC = 86,1 volts A soma destas duas voltagens no igual voltagem aplicada, j que a corrente avanada em relao voltagem. Para encontrar a voltagem aplicada, usa-se a frmula: ET = (ER)2 + (EXC)2 ET = 67

2 + 86,12

ET = 4489 + 7413 ET = 11902 ET = 110 volts Quando o circuito contm resistncia, indutncia e capacitncia, a seguinte equao usada para achar a impedncia: Z = R

2 + (XL - XC)2

Exemplo: Qual a impedncia de um circuito em srie (figura 8-192), consistindo de um capacitor com reatncia de 7 ohms, um indutor com uma reatncia de 10 ohms e um resistor com resistncia?

Figura 8-192 Circuito contendo resistncia, indutncia e capacitncia.

Soluo: Z = R

2 + (XL - XC)2

Z = 42 + (10 - 7)2

Z = 4

2 + 32 Z = 25 Z = 5 ohms Considerando que a reatncia do capacitor 10 ohms e a reatncia de indutor 7 ohms, ento XC maior do que XL . Ento, Z = R

2 + (XL - XC)2

Z = 4

2 + (7 - 10)2 Z = 4

2 + (- 3)2 Z = 16 + 9 Z = 25 Z = 5 ohms Circuitos de C.A. em paralelo Os mtodos usados para resolver problemas de circuitos de C.A. em paralelo so basicamente os mesmos usados para os circuitos em srie de C.A.. Voltagens ou correntes fora-de-fase podem ser somadas usando-se a lei dos tringulos retngulos, mas solucionando-se problemas de circuitos. As correntes atravs das ramificaes so somadas desde que as quedas de voltagens atravs das vrias derivaes sejam as mesmas e iguais voltagem aplicada. Na figura 8-193 mostrado esquematicamente, um circuito de C.A. em paralelo, contendo uma indutncia e uma resistncia. A corrente fluindo atravs da indutncia, IL, de 0,0584 ampre, e a corrente fluindo atravs da resistncia de 0,11 ampre.

Qual a resistncia total no circuito?

Figura 8-193 Circuito em paralelo CA

contendo indutncia e resistncia.

8- 89

Soluo:

IT =

IL

2 + IR 2

= (0,0584)2+ (0,11)2

=

0,0155 = 0,1245 ampre

J que a reatncia indutiva ocasiona adiantamento da voltagem em relao corrente, a corrente total, que contm um componente da corrente indutiva, retarda-se em relao a voltagem aplicada. Plotando-se a corrente e a voltagem, o ngulo entre os dois, chamado ngulo de fase, ilustra o quanto a corrente se atrasa em relao voltagem. Na figura 8-194, um gerador de 110 volts conectado a uma carga, consistindo de uma capacitncia de 2f e uma capacitncia de 10 ohms, em paralelo. Qual o valor da impedncia e do fluxo total de corrente?

Figura 8-194 Circuito de CA em paralelo

contendo capacitncia e resistncia.

Soluo: Primeiro, ache a reatncia capacitiva do circuito:

X f C

c = 12 Transformando 2 f em farads e inserindo os valores na frmula dada:

X x 3,14 x 60 x 0,000002c

= =12

= 10 00075360 7 536, .

ou 10.000 =

= 1327 de reatncia capacitiva Para encontrar a impedncia, a frmula de impedncia usada em circuito de C.A. em srie precisa ser modificada para se ajustar ao circuito em paralelo:

( )2222 1327)000.10(1327000.10

+=

+= x

XR

XRZC

C =

= 0,1315 (aproximadamente)

Para encontrar a corrente atravs da capacitncia:

I EX 1327

0,0829 cc

= = =110 ampres Para encontrar a corrente fluindo pela resistncia:

I ER

0,011 R = = =11010000 ampres Para encontrar a corrente total no circuito:

22 CRT III += IT = + =( , ) ( , )0 011 0 08292 2 = 0,0836 ampres (aproximadamente) Ressonncia Tem sido mostrado que tanto a reatncia indutiva (XL = 2 fL) e a reatncia capacitiva X

f CC= 1

2 tm funes de uma freqncia de corrente alternada. Diminuindo a freqncia, diminui o valor hmico da reatncia indutiva, mas uma diminuio na freqncia, aumenta a reatncia capacitiva. Numa particular freqncia, conhecida como freqncia de ressonncia, os efeitos reativos de um capacitor e de um indutor sero iguais.

Como estes efeitos so opostos entre si, eles se anularo, permanecendo apenas o valor hmico da resistncia em oposio ao fluxo de corrente, no circuito.

8- 90

Se o valor da resistncia for pequeno ou consistir somente de resistncia nos condutores, o valor do fluxo de corrente pode tornar-se muito elevado. Num circuito, onde o indutor e capacitor estejam em srie e a freqncia seja a de ressonncia, o circuito referido como em ressonncia, neste caso, um circuito ressonante em srie. O smbolo para a freqncia ressonante Fn. Se, na freqncia de ressonncia, a reatncia indutiva for igual reatncia capacitiva, ento teremos:

X X ou 2 f L = 12 f CL C

= Dividindo-se ambos os termos por 2 fL,

F ) LCn

22= 12(

Extraindo-se a raiz quadrada de ambos os termos:

F LCn

= 12

Onde Fn a freqncia ressonante em ciclos por segundo, C a capacitncia em farads e L a indutncia em henrys. Com essa frmula, a freqncia em que um capacitor e um indutor sero ressonantes pode ser determinada. Para encontrar a reatncia indutiva do circuito, usa-se: XL = 2 ( ) fL A frmula de impedncia usada num circuito de C.A. em srie, precisa ser modificada para aplicar-se a um circuito em paralelo.

22L

L

XR

XRZ+

=

Figura 8-195 Circuito ressonante em paralelo.

Para resolver cadeias paralelas de indutncia e reatores capacitivos, usa-se:

X = X XX X

L C

L C+

Para resolver cadeias paralelas com resistncia capacitiva e indutncia, usa-se:

Z = R X XX X R X R X

L C

L2

C2

L C+ ( )2

Como na freqncia de ressonncia XL cancela XO, a corrente pode tornar-se muito alta, dependendo do valor de resistncia. Em casos assim, a queda de voltagem atravs do indutor ou capacitor ser, muitas vezes, mais alta do que a voltagem aplicada. Num circuito ressonante em paralelo (figura 8-195), as reatncias so iguais, e correntes idnticas fluiro atravs da bobina e do capacitor. Como a reatncia indutiva faz a corrente atravs da bobina retardar-se em 90 graus em relao voltagem, e a reatncia capacitiva faz a corrente atravs do capacitor adiantar-se em 90 graus em ralao voltagem, as duas correntes ficam defasadas em 180 graus. O efeito de anulao dessas correntes significaria que nenhuma corrente fluiria do gerador, e a combinao em paralelo do indutor e do capacitor aparentaria uma impedncia infinita.

Na prtica, nenhum circuito semelhante possvel, j que algum valor de resistncia est sempre presente e o circuito em paralelo, s vezes, chamado circuito tanque, atua como uma impedncia muito alta; ele tambm chamado de circuito anti-ressonante, j que seu efeito no circuito oposto ao do circuito srie-ressonante, no qual a impedncia muito baixa.

Potncia em circuitos de C.A. Num circuito de C.C. a potncia obtida pela equao P = EI (watts = volts x ampres). Da, se 1 ampre de corrente flui num circuito

8- 91

com uma voltagem de 200 volts, a potncia de 200 watts.

O produto de volts pelos ampres a potncia verdadeira em um circuito.

Num circuito de A.C., um voltmetro indica a voltagem efetiva e um ampermetro indica a corrente efetiva.

Figura 8-196 Fator de potncia em um circuito

de CA.

O produto dessas duas leituras chamado de potncia aparente. Somente o circuito de C.A. formado de resistncia, e a potncia aparente igual potncia real (verdadeira) como mostrado na figura 8-196..

Quando h capacitncia ou indutncia no circuito, a corrente e a voltagem no esto exatamente em fase, e a potncia verdadeira menor do que a potncia aparente.

A potncia verdadeira obtida por meio de um wattmetro. A proporo entre a potncia verdadeira e a aparente chamada de fator de potncia e expressa em unidades percentuais. Na forma de equao, a relao : FP= Fator de Potncia

FP = 100 x Watts (potencia verdadeira)volts x amperes (potencia aparente)

Problema: Um motor de C.A. de 220 volts toma 50 ampres de uma linha, mas um wattmetro na linha mostra que somente 9.350 watts so tomados pelo motor. Qual a potncia aparente e o fator de potncia? Soluo: Potncia aparente = volts x ampres = 220 x 50 = 11000 watts ou volt - ampres

aparente) (potenciaVA 100 x a) verdadeir(potencia Watts=FP =

= =9350 x 10011000

85 ou 85%

TRANSFORMADORES Um transformador modifica o nvel de voltagem, aumentando-o ou diminuindo-o como necessrio. Ele consiste em duas bobinas eletricamente independentes, que so dispostas de tal forma que o campo magntico em torno de uma das bobinas atravessa tambm a outra bobina. Quando uma voltagem alternada aplicada a (atravs de) uma bobina, o campo magntico varivel formado em torno dela cria uma voltagem alternada na outra bobina por induo mtua. Um transformador tambm pode ser usado com C.C. pulsativa, mas voltagem C.C. pura no pode ser usada, j que apenas uma voltagem varivel cria o campo magntico varivel, que a base do processo de induo mtua. Um transformador consiste de trs partes bsicas, conforme mostrado na figura 8-197. So elas: um ncleo de ferro, que proporciona um circuito de baixa relutncia para as linhas de fora magntica; um enrolamento primrio, que recebe a energia eltrica da fonte de voltagem aplicada; um enrolamento secundrio, que recebe energia eltrica, por induo, do enrolamento primrio.

Figura 8-197 Transformador com ncleo de

ferro.

8- 92

O primrio e o secundrio deste transformador de ncleo fechado so enrolados sobre um ncleo fechado, para obter o mximo efeito indutivo entre as duas bobinas. Existem duas classes de transfor-madores: (1) transformadores de voltagem, usados para aumentar ou diminuir voltagens; e (2) transformadores de corrente, usados em circuitos de instrumentos. Nos transformadores de voltagem, as bobinas primrias so ligadas em paralelo com a fonte de voltagem, conforme mostrado na figura 8-198, letra A.

Os enrolamentos primrios dos transformadores de corrente so ligados em srie no circuito primrio (B da figura 8-198). Dos dois tipos, o transformador de voltagem o mais comum. Existem muitos tipos de transformadores de voltagem. A maioria deles de transformadores de aumento ou diminuio. O fator que determina um ou outro tipo a proporo de espiras, que a relao entre o nmero de espiras do enrolamento primrio e do secundrio.

Figura 8-198 Transformador de voltagem e de corrente.

Por exemplo, a proporo de espiras do transformador de reduo mostrado em A da figura 8-199 5 por 1, tendo em vista que o primrio possui cinco vezes mais espiras do que o secundrio.

O transformador de elevao mostrado em B da figura 8-199 tem uma razo de espiras de 1 por 4.

Considerando-se 100% de eficincia, a proporo entre a voltagem de entrada e a de sada de um transformador a mesma que a do nmero de espiras no primrio e secundrio.

Figura 8-199 Transformadores de reduo e de

elevao.

Assim, quando 10 volts so aplicados ao primrio do transformador mostrado em A da figura 8-199, dois volts so induzidos no secundrio.

Se 10 volts forem aplicados ao primrio do transformador mostrado na letra B da figura 8-199, a voltagem nos terminais do secundrio ser 40 volts. impossvel construir um transformador com 100% de eficincia, porque no so todas as linhas de fora do primrio que conseguem cortar a bobina do secundrio. Uma certa quantidade de fluxo magntico vaza do circuito magntico.

O grau de eficincia como o fluxo do primrio, que aproveitado no secundrio, chamado de coeficiente de acoplamento. Por exemplo, se for concebido que o primrio de um transformador desenvolve 10.000 linhas de fora, mas apenas 9.000 passam atravs do secundrio, o coeficiente de acoplamento seria 9 ou, dito de outra maneira, o transformador teria 90% de eficincia. Quando uma voltagem de C.A. ligada atravs dos terminais do primrio de um transformador, fluir uma corrente alternada, ocorrendo auto-induo de uma voltagem na bobina do primrio, a qual ser oposta e aproximadamente igual voltagem aplicada.

Bobina primria 10 voltas

Bobina Primria 2 voltas

Bobina Secundria

2 voltas

Bobina Secundria

8 voltas

A

B

8- 93

A diferena entre estas duas voltagens permite apenas a corrente suficiente no primrio, para magnetizar o seu ncleo. Isto chamado de corrente de excitao ou magnetizao. O campo magntico provocado por esta corrente de excitao corta a bobina do secundrio e induz uma voltagem por induo mtua. Se uma carga for conectada atravs da bobina secundria, a corrente de carga fluindo atravs da bobina secundria produzir um campo magntico, que tender a neutralizar o campo magntico produzido pela corrente do primrio. Isto reduzir a voltagem auto-induzida (oposio) na bobina do primrio e permitir fluir mais corrente no primrio. A corrente do primrio aumenta conforme a corrente de carga do secundrio aumenta e diminui conforme a corrente de carga do secundrio diminui.

Quando a carga do secundrio removida, a corrente do primrio ento reduzida a uma pequena corrente de excitao, suficiente somente para magnetizar o ncleo de ferro do transformador. Quando um transformador eleva a voltagem, ele reduz a corrente na mesma proporo. Isto fica evidente em se considerando a frmula de potncia eltrica (I x E) e que a potncia desenvolvida no secundrio a mesma do primrio, menos a energia perdida no processo de transformao. Assim, se 10 volts e 4 ampres (40 watts de potncia) so usados no primrio para produzir um campo magntico, haver 40 watts de potncia desenvolvidos no secundrio (desconsiderando qualquer perda). O transformador tendo uma proporo de elevao de 4 por 1, a voltagem atravs do secundrio ser de 40 volts e a corrente ser de 1 ampre. A voltagem 4 vezes maior e a corrente um quarto dos valores do circuito primrio, mas a potncia (valor de I x E) a mesma. Quando a proporo de espiras e a voltagem de entrada so conhecidas, a voltagem de sada pode ser determinada da seguinte forma:

EE

NN

2

1

2

1

= Onde E a voltagem do primrio, E2 a voltagem de sada do secundrio e N1 e N2 so o

nmero de espiras do primrio e do secundrio, respectivamente. Transpondo a equao, para achar a voltagem de sada, temos:

E E NN21 2

1

=

Os transformadores de voltagem mais comumente usados so os seguintes:

(1) Transformadores de potncia, que so usados para elevar ou reduzir voltagens e correntes em muitos tipos de fontes de fora. Eles variam desde os pequenos transformadores de potncia mostrados na figura 8-200, usados num rdio-receptor, at os grandes transformadores utilizados para reduzir alta-tenso para o nvel de 110/120 volts usados domesticamente. Na figura 8-201, o smbolo esquemtico para um transformador de ncleo de ferro mostrado. Neste caso, o secundrio constitudo por trs enrolamentos distintos. Cada secundrio possui um ponto intermedirio de ligao, chamado center tap, que proporciona a seleo de metade da voltagem do enrolamento inteiro. Os terminais dos vrios enrolamentos so identificados por cdigo de cores, pelos fabricantes, conforme indicado na figura 8-201. Este um cdigo de cores padronizado, mas outros cdigos ou nmeros podem ser utilizados.

(2) Transformadores de udio parecem

transformadores de potncia. Eles tm apenas um secundrio e destinam-se a funcionar na faixa de audiofreqncias (20 a 20.000 c.p.s.)

Figura 8-200 Transformador de potncia.

8- 94

Figura 8-201 Smbolo esquemtico para um transformador com ncleo de ferro.

(3) Transformadores de RF destinam-se a

operar em equipamentos que funcionam na faixa de freqncia de rdio. O smbolo para os transformadores de RF o mesmo usado para bobinas de RF. Tm ncleo de ar, conforme mostrado na figura 8-202.

Figura 8-202 Transformadores com ncleo de

ar.

(3) Autotransformadores so geralmente usados em circuitos de fora; entretanto, eles podem ser destinados a outros usos. Dois smbolos diferentes de autotransformadores usados em circuitos de fora ou udio so mostrados na figura 8-203. Quando usados em circuito de navegao ou de comunicao RF (B da figura 8-203), so os mesmos, no havendo nenhum smbolo para ncleo de ferro.

Os autotransformadores usam parte do

enrolamento como primrio; e dependendo de elevao ou reduo, ele usa todo ou parte do mesmo enrolamento como secundrio. Por exemplo, o autotransformador mostrado em A da figura 8-203 poderia usar as vrias

combinaes apresentadas para os terminais primrio e secundrio.

Figura 8-203 Autotransformadores.

Transformadores de corrente So usados em sistemas de fonte de fora de C.A., para captar a corrente da linha do gerador e prover uma corrente, proporcional corrente de linha, para circuito de proteo e dispositivos de controle. O transformador de corrente um transformador do tipo anel, usando um terminal de fora condutor de corrente como primrio (tanto o terminal de fora ou o terminal de aterramento de gerador). A corrente no primrio induz uma corrente no secundrio, por induo magntica. Os lados de todos os transformadores de corrente so marcados H1 e H2, na base. Os transformadores devem ser instalados com o lado H1 na direo do gerador, no circuito, mantendo a polaridade apropriada. O secundrio do transformador no pode jamais ficar aberto quando o sistema estiver funcionando, caso contrrio, isto provocaria altas voltagens perigosas e poderia superaquecer o transformador.

Portanto, as conexes de sada do transformador precisam estar sempre conectadas com um jumper quando o transformador no estiver sendo usado, mas permanece no sistema. Perdas dos transformadores Juntamente com a perda de energia provocada por acoplamento imperfeito, os

8- 95

transformadores esto sujeitos perdas do ferro e do cobre. A perda do cobre causada pela resistncia do condutor, envolvendo as espiras da bobina. Existem dois tipos de perdas do ferro, chamados perda por histerese e perda por Eddy current. A primeira, a energia eltrica requerida para magnetizar o ncleo do transformador, mudando de direo juntamente com a voltagem alternada aplicada. A segunda, provocada por correntes eltricas (Eddy current) induzidas no ncleo do transformador pelas variaes dos campos magnticos.

Para reduzir as perdas por Eddy current os ncleos so feitos de camadas laminadas com isolao, que reduzem a circulao de correntes induzidas. Potncia em transformadores Como um transformador no adiciona nenhuma eletricidade ao circuito, mas meramente modifica ou transforma a eletricidade que j existe nele, de uma voltagem noutra, a quantidade total de energia no circuito permanece a mesma. Se fosse possvel construir um transformador perfeito, no haveria perda de fora nele; a energia seria transferida sem eliminao, de uma voltagem noutra. J que a potncia o produto da voltagem pela amperagem, um aumento da voltagem pelo transformador resultar numa diminuio da corrente e vice-versa. No pode haver maior potncia no lado do secundrio de um transformador do que existir no lado do primrio. O produto de ampres vezes volts permanece o mesmo. A transmisso de fora por longas distncias realizada por meio de transformadores. Na fonte de fora a voltagem elevada para reduzir a perda na linha durante a transmisso. No ponto de utilizao, a voltagem reduzida, j que no praticvel o uso de alta voltagem para operar motores, luzes ou outros aparelhos eltricos. Ligao de transformadores em circuitos de C.A. Antes de estudar as vrias maneiras de ligar transformadores em circuitos de C.A., as

diferenas entre circuitos monofsicos e trifsicos precisam ser claramente entendidas. Num circuito monofsico, a voltagem gerada por uma bobina alternadora. Esta voltagem monofsica pode ser obtida de um alternador monofsico ou de uma fase de um alternador trifsico, conforme ser abordado adiante, no estudo de geradores de C.A. Num circuito trifsico, trs voltagens so geradas por um alternador com trs bobinas distintas, ocorrendo que as trs voltagens geradas so iguais mas atingem seus valores mximos em tempos diferentes. Em cada fase do gerador trifsico com 400 ciclos, um ciclo gerado a cada 1/400 segundos. Em sua rotao, o plo magntico cruza uma bobina e gera uma voltagem mxima, um tero de ciclo (1/1200 segundos), depois ele cruza uma outra bobina e gera nela uma alta voltagem. Isto ocasiona voltagens mximas geradas nas trs bobinas, sempre separadas um tero de ciclo (1/1200 segundos). Os geradores trifsicos primitivos eram ligados s suas cargas com seis fios e todos eles conduziam corrente. Posteriormente, experincias provaram que o gerador forneceria mais fora com as bobinas conectadas, de tal modo que somente trs fios eram necessrios para as trs fases, conforme mostrado na figura 8-204.

Figura 8-204 Gerador de trs fases usando trs

condutores. O uso de trs fios padro para transmisso de fora trifsica, atualmente. O retorno de corrente de qualquer uma bobina do alternador flui, voltando atravs dos outros dois fios no circuito trifsico. Os motores trifsicos e outras cargas trifsicas so ligados com suas bobinas ou elementos de carga colocados de tal forma que

8- 96

requerem trs linhas para disponibilizao de fora. Os transformadores que so usados para elevao de voltagem ou reduo, num circuito trifsico, so ligados eletricamente de modo que a fora fornecida para o primrio e tomada do secundrio pelo sistema trifsico padro. Entretanto, transformadores monofsicos e lmpadas e motores monofsicos podem ser ligados atravs de uma das fases do circuito trifsico, conforme mostrado na figura 8-205.

Figura 8-205 Transformador de reduo

usando sistema bifsico. Quando cargas monofsicas so ligadas em circuitos trifsicos, as cargas so distribudas igualmente pelas trs fases para balancear as trs bobinas do gerador. Um outro uso do transformador o monofsico com vrias tomadas no secundrio. Com este tipo de transformador, a voltagem pode ser diminuda para prover vrias voltagens de trabalho, conforme mostrado na figura 8-206.

Figura 8-206 Tomadas do secundrio de um

transformador. Um transformador, com tomada central alimentando um motor de 220 volts, acompanhado de quatro lmpadas de 110 volts, mostrado na figura 8-207.

O motor ligado atravs do transformador integral, e as lmpadas so ligadas da tomada central para uma das extremidades do transformador com esta ligao

somente a metade da sada do secundrio usada.

Figura 8-207 Transformador de reduo

usando sistema trifsico. Este tipo de ligao do transformador amplamente usado em aeronaves por causa das combinaes de voltagens, que podem ser obtidas de um transformador. Vrias voltagens podem ser tomadas do enrolamento secundrio do transformador, colocando-se tomadas (durante a fabricao) em vrios pontos ao longo dos enrolamentos secundrios. Os valores variados de voltagem podem ser obtidos utilizando-se qualquer dupla de tomadas, ou uma tomada e qualquer das extremidades do enrolamento secundrio. Transformadores para circuitos trifsicos podem ser ligados em qualquer uma das vrias combinaes das ligaes psilon (y) e delta (). A ligao usada depende dos requisitos para o transformador.

Quando a ligao psilon usada em transformadores trifsicos, um quarto fio ou neutro pode ser usado. O fio neutro liga equipamentos monofsicos ao transformador. As voltagens (115v) entre qualquer uma das linhas trifsicas e o fio neutro podem ser usadas por dispositivos como lmpadas ou motores monofsicos. Todos os quatro fios, em combinao podem fornecer energia de 208 volts, trifsica, para funcionamento de equipamentos trifsicos, tais como motores trifsicos ou retificadores. Quando apenas equipamento trifsico usado, o fio terra pode ser omitido. Isto permite um sistema trifsico de trs fios, conforme ilustrado na figura 8-208.

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Figura 8-208 Primrio e secundrio com

ligao psilon (Y). A figura 8-209 mostra o primrio e o secundrio com ligao delta. Com este tipo de ligao, o transformador tem a mesma sada de voltagem da voltagem de linha.

Entre quaisquer das duas fases, a voltagem 240 volts. Neste tipo de ligao, os fios A, B e C podem fornecer 240 volts de fora trifsica para operao de equipamentos trifsicos.

Figura 8-209 Primrio e secundrio com ligao

delta. O tipo de ligao usado para bobinas primrias, pode ou no, ser o mesmo usado para bobinas secundrias. Por exemplo, o primrio pode ser uma ligao delta e o secundrio uma ligao psilon.

Isso chamado de ligao delta-psilon de transformador. Outras combinaes so delta-delta, psilon-delta e psilon-psilon.

Anlise e pesquisa de panes em transformadores Existem ocasies em que um transformador precisa ser testado quanto a interrupes e curtos e, muitas vezes, necessrio determinar se um transformador de elevao ou reduo. Um enrolamento aberto pode ser localizado por meio de um ohmmetro, conforme mostrado na figura 8-210. Ligado conforme demonstrado, o ohmmetro marcaria resistncia infinita. Se no houvesse interrupo na bobina, ele indicaria o valor de resistncia do fio da bobina. Tambm o primrio, quanto o secundrio, podem ser testados da mesma maneira.

Figura 8-210 Testando quanto ao rompimento

do enrolamento de um transformador.

O ohmmetro pode tambm ser usado para testar enrolamentos em curto, conforme demonstrado na figura 8-211, entretanto, este mtodo no preciso. Se, por exemplo, o transformador tendo 500 espiras, e uma resistncia de 2 ohms estivesse com 5 espiras em curto, a resistncia seria reduzida, aproximadamente 1,98 ohms, que no seria o suficiente para ser lido no ohmmetro.

Figura 8-211 Testando quanto a curto no

enrolamento de transformadores. Neste caso, a voltagem de entrada pode ser aplicada ao primrio para permitir medio da voltagem de sada no secundrio. Se a voltagem no secundrio for baixa pode ser concludo que o transformador tenha alguns

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enrolamentos em curto, e ele deva ser substitudo. Se a voltagem voltar ao normal, o transformador pode ser considerado defeituoso. Um ohmmetro pode ser usado para determinar se um transformador de elevao ou reduo. Num transformador de reduo, a resistncia do secundrio ser menor do que a do primrio, e a recproca ser verdadeira, no caso de um transformador de elevao. Ainda um outro mtodo envolve aplicar uma voltagem ao primrio e medir a sada do secundrio. As voltagens usadas no poderiam exceder a voltagem de entrada especificada. Quando um enrolamento estiver completamente em curto, normalmente torna-se superaquecido por causa do elevado fluxo de corrente. Em muitos casos, o valor excessivo derreteria a cera no transformador, e isto poderia ser percebido pelo cheiro resultante. Uma leitura de voltmetro atravs do secundrio marcaria zero. Se o circuito incluir um fusvel, a corrente elevada pode provocar a queima deste antes de danificar seriamente o transformador. Na figura 8-212 mostrado um ponto do enrolamento do transformador ligado a terra. Se o circuito externo do circuito do transformador est aterrado, uma parte do enrolamento est efetivamente em curto.

Figura 8-212 Parte de um enrolamento de

transformador aterrado. Um megmetro ligado entre um lado do enrolamento e o invlucro (corpo) do transformador confirmaria tal condio com uma leitura baixa ou zero. Neste caso o transformador precisa ser substitudo. Todos os transformadores discutidos nesta seo so indicados com um enrolamento primrio. Eles funcionam com uma fonte de C.A. simples.

Transformadores que funcionam com trs voltagens de um alternador ou gerador de C.A. so denominados transformadores trifsicos ou polifsicos. Eles sero discutidos no estudo de geradores e motores.

AMPLIFICADORES MAGNTICOS O amplificador magntico um dispositivo de controle, sendo empregado em escala crescente em muitos sistemas eletrnicos e eltricos de aeronaves, por sua robustez, estabilidade e segurana em comparao com as vlvulas vcuo. Os princpios de funcionamento do amplificador magntico podem ser melhor compreendidos, revisando-se o funcionamento de um transformador simples. Se uma voltagem C.A. for aplicada ao primrio de um transformador de ncleo de ferro, o ncleo ir se magnetizar e desmagnetizar com a mesma freqncia da voltagem aplicada.

Isto, por sua vez, induzir uma voltagem no secundrio do transformador. A voltagem de sada, atravs dos terminais do secundrio, depender da relao entre o nmero de espiras no primrio e secundrio do transformador. O ncleo de ferro do transformador tem um ponto de saturao, alm do qual a aplicao de uma fora magntica maior no produzir nenhuma alterao na intensidade de magnetizao. Conseqentemente, no haver mudana na sada do transformador, ainda que a entrada seja muito aumentada. O circuito de amplificador magntico na figura 8-213 ser usado para explicar como um amplificador magntico funciona. Suponha que exista 1 ampre de corrente na bobina A, que possui 10 espiras.

Se a bobina B tiver tambm 10 espiras, uma sada de 1 ampre ser obtida, se a bobina B estiver apropriadamente carregada. Aplicando-se corrente contnua na bobina C, o ncleo da bobina do amplificador magntico pode ser adicionalmente magnetizado. Suponha que a bobina C tenha o nmero apropriado de espiras e com a aplicao de 30 miliampres, que o ncleo seja magnetizado ao ponto em que 1 ampre na bobina A resulte em somente 0,24 ampres de sada da bobina B. Variando-se a entrada de C.C. na bobina C continuamente de 0 a 30 miliampres, e conservando uma entrada de 1 ampre na bobina A, possvel controlar a sada da bobina B em qualquer ponto entre 0,24 e 1 ampre, neste exemplo. O termo amplificador usado para este dispositivo, porque usando-se

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uns poucos miliampres obtem-se o controle de uma sada de 1 ou mais ampres.

Figura 8-213 Circuito amplificado magntico. O mesmo procedimento pode ser usado com o circuito mostrado na figura 8-214. Controlando-se o grau de magnetizao do anel de ferro, possvel controlar a quantidade de corrente fluindo para a carga, j que o

Figura 8-214 Circuito reator saturvel. nvel de magnetizao controla a impedncia do enrolamento de entrada de C.A.. Este tipo de amplificador magntico chamado de circuito motor saturvel simples. Adicionando-se um retificador em tal circuito, metade do ciclo de entrada de C.A. seria removido, permitindo uma corrente contnua fluir para a carga. A quantidade de corrente contnua fluindo na carga do circuito controlada por um enrolamento de controle de C.C. (s vezes referido como bias). Este tipo de amplificador magntico referido como sendo do auto-saturao.

A fim de usar a energia total de entrada, um circuito, como o que mostrado na figura 8-215, pode ser utilizado. Este circuito usa uma ponte retificadora da onda completa. A carga receber uma corrente contnua controlada, usando-se a totalidade da entrada de C.A. Este tipo de circuito conhecido como um amplificador magntico de auto-saturao, onda completa.

Figura 8-215 Amplificador magntico de auto-

saturao e de onda completa. Na figura 8-216 presumido que o enrolamento de controle de C.C. alimentado por uma fonte varivel.

A fim de controlar tal fonte e usar suas variaes para controlar a sada de C.A., necessrio acrescentar um outro enrolamento de c.c. que tenha um valor constante. Este enrolamento, conhecimento como um enrolamento de referncia, magnetiza o ncleo em uma direo.

Figura 8-216 Circuito bsico pr-amplificador. VLVULAS ELETRNICAS O uso de vlvulas nos sistemas eletrnicos e eltricos de aeronaves declinou rapidamente por causa das inmeras vantagens

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do uso de transistores. Entretanto, alguns sistemas em aplicaes especiais podem ainda utilizar vlvulas em aparelhos equipando aeronaves muito antigas.

Por esta razo, e ainda, porque este assunto tem valor ilustrativo para dar idia do que ocorreu antes do transmissor, o estudo das vlvulas ser mantido, aqui, como parte do programa de manuteno de aeronaves. Originalmente, as vlvulas foram desenvolvidas para equipamentos de rdio. Elas eram usadas em rdio-transmissores, como amplificadores, para controlar voltagem e corrente; como osciladores para gerar sinais de udio e rdio-freqncia e, como retificadores, para converter corrente alternada em corrente contnua. Vlvulas de rdio foram usadas com propsitos semelhantes em muitos dispositivos eltricos de aeronaves, tais como: piloto automtico e regulador de turbosupercharger. Quando um pedao de metal aquecido, a velocidade dos eltrons no metal aumentada. Se o metal for aquecido a temperatura suficientemente elevada, os eltrons so acelerados a um ponto em que alguns deles realmente abandonam a superfcie do metal, conforme mostrado na figura 8-217.

Figura 8-217 Princpio de operao de uma

vlvula a vcuo. Numa vlvula, os eltrons so fornecidos por um pedao de metal chamado catodo, que aquecido por uma corrente eltrica.Observados determinados limites, quanto mais quente o catodo maior o nmero de eltrons que sero cedidos ou emitidos. Para aumentar o nmero

de eltrons emitidos, o catodo revestido com componentes qumicos especiais. Se os eltrons emitidos no so sugados por um campo externo, eles formam uma nuvem negativamente carregada ao redor do catodo, chamada carga espacial. O acmulo de eltrons perto do emissor repele outros que venham do prprio emissor. O emissor, se isolado, torna-se positivo por causa da perda de eltrons. Isto estabelece um campo eletrosttico entre a nuvem de eltrons e o catodo agora positivo. Um equilbrio atingido quando apenas eltrons suficientes fluem do catodo para a rea em redor dele, para suprir a perda causada pela difuso da carga espacial. Tipos de vlvulas Existem muitos tipos diferentes de vlvulas, das quais a maioria classifica-se em quatro tipos: (1) diodo, (2) triodo, (3) tetrodo e (4) pentodo. Destas o diodo usado quase que exclusivamente para transformar corrente alternada em corrente contnua. Em algumas vlvulas, o catodo aquecido por C.C. e tanto emissor de eltrons quanto membro condutor de corrente, enquanto em outras o catodo aquecido por corrente alternada.

Vlvulas que se destinam ao funcionamento com C.A. usam um elemento de aquecimento especial que aquece indiretamente o emissor de eltrons (catodo). Quando um potencial C.C. aplicado entre o catodo e um outro elemento da vlvula chamado de placa, com o lado positivo de voltagem ligado placa, os eltrons emitidos pelo catodo so atrados pela placa. Estes dois elementos constituem a forma mais simples de vlvula, que o diodo. No diodo os eltrons so atrados pela placa, quando ela mais positiva do que o catodo, e so repelidos, quando a placa menos positiva. A corrente flui atravs da vlvula quando ela instalada num circuito, somente quando positiva em relao ao catodo.

A corrente no flui quando a placa negativa (menos positiva), em relao ao catodo, conforme ilustrado na figura 8-218. Esta caracterstica confere ao diodo seu tipo de uso, seja de retificao ou de transformao de corrente alternada em contnua.

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Figura 8-218 Operao de uma vlvula diodo. Diodos retificadores so usados em sistemas eltricos de aeronaves, especialmente quando alta voltagem C.C. desejada para lmpadas.

Podem ser usados tanto como retificadores de meia onda ou de onda completa; podem ser usados unitariamente, em paralelo, ou em circuitos-ponte. Conforme mostrado na figura 8-219, um retificador de meia onda possui vlvula de dois elementos (placa e catodo). Uma retificadora de onda completa possui trs elementos (duas placas e um catodo). Num circuito de meia-onda, a corrente flui somente durante a metade positiva do ciclo da voltagem aplicada (placa positiva e catodo negativo, para haver fluxo de eltrons).

Figura 8-219 Circuito retificador de vlvula de

meia onda.

Fluem do catodo para a placa e da atravs da carga, de volta para o catodo. No ciclo negativo da voltagem aplicada, no h fluxo de corrente atravs da vlvula. Isto resulta

em sada de voltagem retificada (C.C.), mas consiste em pulsos de corrente de meio ciclo. Numa vlvula ligada como retificadora de onda completa, a corrente flui para a carga em ambos os meios ciclos da corrente alternada. A corrente flui da placa superior, atravs da carga de C.C. numa alternao, e na seguinte a corrente flui para a placa inferior e atravs da carga na mesma direo. Vlvulas retificadoras foram largamente substitudas em sistemas de aeronaves por discos secos ou diodos semicondutores. No estudo de dispositivos ou aparelhos solid state, o processo de retificao tratado detalhadamente. O triodo uma vlvula de trs elementos. Adicionalmente placa e ao catodo existe um terceiro elemento, chamado grade, localizado entre o catodo e a placa, conforme mostrado na figura 8-220. A grade uma malha de fio fino ou tela. Ela serve para controlar o fluxo de eltrons entre o catodo e a placa. Sempre que a grade se torna mais positiva do que o catodo, ocorre um aumento no nmero de eltrons atrados pela placa, resultando no aumento do fluxo de corrente de placa. Se a grade se torna negativa em relao ao catodo o movimento de eltrons para a placa retardado, e o fluxo de corrente de placa diminui.

Figura 8-220 Vlvula triodo.

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Normalmente, a grade negativa com referncia ao catodo. Uma maneira de tornar a grade negativa usar uma pequena bateria ligada em srie com o circuito de grade. Esta voltagem negativa aplicada grade chamada de bias. O uso mais importante de um triodo como vlvula amplificadora.

Quando uma resistncia ou impedncia ligada em srie no circuito de placa, a queda de voltagem atravs dela, que depende da corrente fluindo por ela, pode ser modificada pela variao da corrente de grade.

Uma diminuta mudana na voltagem de grade provocar uma grande mudana na queda de voltagem, atravs da impedncia de placa. Ento, a voltagem aplicada grade amplificada no circuito de placa da vlvula. Uma vlvula tetrodo uma vlvula de quatro elementos, sendo o elemento adicional em relao ao triodo, mais uma grade (screen grid) (figura 8-221).

Figura 8-221 Esquema de um triodo.

Esta grade est localizada entre a grade de controle e a placa, e operada com uma voltagem positiva um pouco mais baixa do que a voltagem de placa.

Ela reduz os efeitos s vezes indesejveis no funcionamento da vlvula, causados pelo retorno de alimentao de energia da sada da vlvula para o circuito de entrada (grade). Sob certas condies de funcionamento esta ao de retorno muito pronunciada num triodo, e faz com que a vlvula haja como um oscilador e no como amplificador. As principais vantagens de tetrodos sobre triodos so: maior amplificao para menores voltagens de entrada; e menos retorno da placa para o circuito de grade. Uma caracterstica indesejvel da vlvula tetrodo a emisso secundria, que o termo aplicado condio em que os eltrons

so lanados da placa no espao entre os elementos da vlvula, por seu movimento rpido de coliso com a placa. Em vlvulas triodo, sendo a grade negativa em relao ao catodo, ela repele os eltrons secundrios e o funcionamento da vlvula no afetado. No tetrodo, o efeito da emisso secundria especialmente perceptvel, j que a screen grid, que positiva em relao ao catodo, atrai os eltrons secundrios e provoca uma corrente reversa entre a screen grid e a placa. Os efeitos da emisso secundria so evitados quando se acrescenta uma terceira grade, chamada grade supressora, entre a screen grid e a placa. Esta grade repele os eltrons secundrios que se direcionam para a placa. Uma vlvula com trs grades chamada de pentodo, o qual possui um elevado fator de amplificao e usado para amplificar sinais fracos. O esquema de um pentodo mostrado na figura 8-222.

Figura 8-222 Esquema de um pentodo.

Quando um eltron encontra uma molcula de gs, a energia transferida pelo impacto causa molcula (ou tomo) perda ou ganho de um ou mais eltrons. Consequentemente, a ionizao ocorre. Qualquer gs ou vapor no tendo ions praticamente um isolante perfeito. Se dois eletrodos forem colocados num meio semelhante, nenhuma corrente fluir entre eles. Entretanto, os gases sempre tm alguma ionizao residual por causa dos raios csmicos, materiais radioativos nas paredes dos recipientes, ou ao da luz.

Se um potencial for aplicado entre dois elementos entre os quais exista um gs, os ons migram entre eles e proporcionam o efeito de fluxo de corrente. Isto chamado de corrente

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escura porque nenhuma luz visvel associada a corrente. Se a voltagem entre os eletrodos for aumentada, a corrente comea a subir. A determinado ponto, conhecido como limiar, a corrente repentinamente comea a subir sem que a voltagem aplicada seja aumentada. Se houver resistncia suficiente no circuito externo, para prevenir que a corrente aumente rapidamente, a voltagem cai imediatamente para um nvel menor e ocorre a interrupo. Esta mudana abrupta acontece como um resultado da ionizao do gs por choque de eltrons. Os eltrons liberados pelo gs ionizado formam o fluxo e liberam outros eltrons. O processo , ento, cumulativo. A voltagem de interrupo determinada basicamente pelo tipo de gs, o material usado como eletrodos e seu tamanho e espaamento. Uma vez ocorrendo a ionizao, a corrente pode aumentar para 50 miliampres ou mais, com pequena mudana na voltagem aplicada.

Se a voltagem for aumentada, a corrente aumentar e o catodo ser aquecido pelo bombardeamento de ons que o golpeiam. Quando a vlvula torna-se bastante quente, resulta em emisso termoinica. Esta emisso reduz a perda de voltagem na vlvula, o que, causando mais corrente fluindo, aumenta a taxa de emisso e a ionizao. Esta ao cumulativa provoca uma repentina diminuio na queda de voltagem atravs da vlvula e um aumento muito grande no fluxo de corrente; a no ser que a vlvula se destine a funcionar desta maneira, ela pode sofrer dano pelo aumento excessivo do fluxo de corrente. O que fundamental para a formao de um centelhamento; as vlvulas que funcionam com estas correntes elevadas so chamadas de arc tube.

Para corrente acima de 50 miliampres, a unidade normalmente pequena e denominada vlvula incandescente por causa da luz colorida que ela emite. Um exemplo de uma vlvula assim a familiar luz neon. O princpio do controle de grade pode ser aplicado a quase todas as vlvulas a gs, mas usado especialmente com catodo frio, catodo quente e do tipo arc tube de triodos e tetrodos. As do tipo catodo quente, de trs elementos, recebem em geral o nome THYRATRON.

Um outro tipo especial de vlvula a vcuo a fotoeltrica, que basicamente a mesma coisa que o diodo simples comentado anteriormente. Ela tem um bulbo vazio de vidro, um catodo que emite eltrons, quando a luz atravessa a vlvula, e uma placa que atrai eltrons, quando uma voltagem aplicada.

A sensibilidade da vlvula depende da freqncia ou cor da luz usada para excit-la e especificada nesses termos. Por exemplo, algumas vlvulas so sensveis luz vermelha, outras a luz azul. Na maioria das vlvulas fotoeltricas, o catodo parece um meio cilindro e revestido com mltiplas camadas de metal raro, csio, cobertas por xido de csio, que por sua vez, repousa sobre uma camada de prata. A placa tem o formato de um pequeno basto, e localiza-se no centro do catodo. Outros tipos de vlvulas a vcuo incluem aquelas com as caractersticas de diversas vlvulas incorporadas numa s, conforme mostrado na figura 8-223.

Figura 8-223 Combinaes de vlvulas.

TRANSISTORES O transistor um componente eletrnico que tem a mesma performance de uma vlvula vcuo. Ele muito pequeno, leve no peso e no requer aquecimento; tambm mecanicamente marcado e no acelera a extrao de sinal. Os transistores vm sendo no geral usados por mais de uma dcada, mas comparado a alguns dos componentes, eles so relativamente novos. Um transistor um semicondutor que pode ser de dois tipos de materiais, cada qual com propriedades eltricas. Os semicondutores

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so materiais cujas caractersticas de resistncia encontram-se classificada entre os bons condutores e isolantes. As interfaces entre as partes do transistor so chamadas de juno. Diodos de selnio e germnio (retificadores) so exemplos de componentes semelhantes e so chamados diodos de juno. A maioria dos transistores feita de germnio, aos quais certas impurezas so acrescentadas para passarem certas caractersticas. As impurezas geralmente usadas so arsnio ou indium. O tipo de transistor que pode ser usado em algumas aplicaes no lugar da vlvula triodo o transistor de funo, o qual atualmente possui duas funes.

Ele possui um emissor, base e coletor que correspondem ao catodo, grade e placa respectivamente, na vlvula triodo. Os transistores de funo so de dois tipos, o NPN e o PNP. (Olhar figura 8-224). Teoria de operao de transistor Antes que a operao de transistor e que o sentido de P e N, possa ser explanado necessrio considerar a teoria de ao do transistor.

Figura 8-224 Transistores NPN e PNP.

A lacuna considerada uma carga positiva. Se um eltron de um tomo vizinho move-se, a lacuna no se move realmente; ela ocupada por outro eltron, e uma outra lacuna formada. Em A da figura 8-225, os eltrons so representados por pontos pretos, e as lacunas por crculos pontilhados.

Figura 8-225 Eltrons e lacunas em transistores. Em B da figura 8-225, os eltrons moveram-se de sua posio ocupada em A, para o espao esquerda em A da Figura 8-225. Efetivamente, as lacunas foram movidas um espao para a direita. O movimento dos eltrons uma corrente. Ao mesmo modo, o movimento das lacunas tambm corrente. A corrente de eltrons move-se em uma direo; a corrente de lacunas percorre a direo oposta. O movimento da carga uma corrente. Nos transistores, tanto os eltrons como as lacunas representam a corrente. Em transistores, os materiais referidos usados so: o material N e o material P. O material N rico em eltrons e, portanto, funciona como corrente de eltrons. O material P escasso com relao a eltrons, portanto, funciona como lacunas. Um transistor NPN no intercambivel com um transistor PNP e vice-versa. Entretanto, se a fonte de fora for revertida, eles podem ser intercambiveis.Visto que a temperatura crtica, em um circuito transistorizado deve existir refrigerao para os transistores. Outra precauo que precisa ser tomada para todo circuito transistorizado : nunca se deve energizar deliberadamente um circuito aberto. Diodos A figura 8-226 ilustra um diodo de germnio que consiste de dois diferentes tipos de materiais semicondutores.

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Com a bateria conectada, como mostrado, lacunas positivas e eltrons so repelidos pela bateria para a juno, causando uma interao entre as lacunas e eltrons. Isto resulta em um fluxo de eltrons atravs da juno para as lacunas e para o terminal positivo da bateria. As lacunas se movem em direo ao terminal negativo da bateria. Isso chamado de direo avanada, e uma alta corrente.

Figura 8-226 Fluxo de eltrons e de lacunas em

um diodo com direo avanada. Conectando a bateria, como mostrado na figura 8-227, causar s lacunas e aos eltrons a atrao no caminho da juno, e pequena interao entre eltrons e lacunas ocorre (na juno). Isto resultar em um muito pequeno fluxo de corrente, chamado corrente reversa.

Figura 8-227 Fluxo de eltrons e de lacunas em

um diodo com corrente reversa. O potencial nos eletrodos do diodo transistor, vindo da bateria chamado Bias. Este movimento pode ser bias direto ou reverso, isto , em direo de uma corrente alta ou na de uma corrente baixa. O elemento N-germnio fabricado com uma impureza, semelhante ao arsnico contribuindo para ceder o excesso de eltrons. O arsnico libera os eltrons

imediatamente, e pode ser usado como um carregador O elemento P-germnio tem uma impureza acrescentada como o indium. Isso leva os eltrons germnios e deixa as lacunas, ou cargas positivas. Diodo Zener Diodo Zener (algumas vezes chamado de diodo separador) usado primariamente para regulagem de voltagem. Eles so designados assim, por abrirem (permitir passar corrente) quando o potencial do circuito igual ou acima da voltagem desejada. Abaixo da voltagem desejada, o Zener paralisa o circuito do mesmo modo, como qualquer outro diodo polarizado reversamente. Por causa do diodo Zener, admitido livre fluxo em uma direo. Quando este usado em um circuito de corrente alternada devem ser usados dois diodos em posies opostas. Presta-se ateno nas correntes alternadas. O Zener pode ser usado em muitos lugares onde uma vlvula no pode ser usada, por ser este de pequeno tamanho e pode ser usado em circuito de baixa voltagem.

A vlvula usada nos circuitos acima de 75 volts, porm o diodo Zener pode ser usado em regulagens de voltagens to baixas quanto 3,5 volts. Transistor PNP A figura 8-228 mostra um circuito de transistor, energizado por baterias. O circuito emissor polarizado pela bateria e, diretamente, com alto fluxo de corrente.

Figura 8-228 Transistor com fluxo de eltrons.

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O circuito coletor polarizado pela bateria e baixo fluxo de corrente. Se o circuito emissor for fechado (do coletor aberto), uma alta corrente do emissor ir fluir, uma vez que este polarizado diretamente. Se o coletor for fechado (do emissor aberto), uma baixa corrente ir fluir, uma vez que este polarizado na direo reversa. Ao mesmo tempo, uma corrente de lacunas est fluindo na direo oposta no mesmo circuito, como mostra a figura 8-229. A corrente de lacunas flui do terminal positivo da bateria, ao passo que a corrente de eltrons flui do terminal negativo. A operao com ambas as chaves fechadas a mesma como no transistor PNP, exceto que, o emissor agora libera eltrons ao invs de lacunas na base, e o coletor, sendo positivo, ir coletar os eltrons.

Figura 8-229 Fluxo de corrente de lacunas.

Haver outra vez um grande aumento na corrente do coletor com a chave do emissor fechada. Com a chave do emissor aberta, a corrente de coletor ser pequena, desde que esteja polarizada inversamente. No primeiro instante deve parecer que o transmissor no pode amplificar, desde que haja menos corrente no coletor do que no emissor. Lembramos, no entanto, que o emissor, polarizado positivamente, e uma pequena voltagem causa uma grande corrente, equivalendo a um circuito de baixa resistncia. O coletor polarizado inversamente e uma grande voltagem causa uma pequena corrente, equivalendo a um circuito de alta resistncia.

Quando ambas as chaves so fechadas, um fenmeno conhecido como ao de transistor ocorre. O emissor, polarizado diretamente, tem suas lacunas ejetadas atravs

da juno N na regio de base (o terminal positivo da bateria repele as lacunas atravs da juno). O coletor, sendo polarizado negativamente, agora atrair essas lacunas atravs da juno base para o coletor. Esta atrao de lacunas pelo coletor causaria uma grande corrente reversa se a chave do emissor estivesse aberta. Um grande aumento da corrente reversa do coletor causada pela ento chamada ao do transistor, pelas lacunas do emissor que passam para o coletor. Ao invs das lacunas flurem atravs da base e retornarem para o emissor, elas fluiro atravs do coletor, Ec e Ee para o emissor; a corrente da base muito pequena. A soma da corrente do coletor e da base igual a corrente do emissor. Num transistor tpico a corrente do coletor pode ser 80% ou 99% da corrente do emissor, com o restante fluindo atravs da base. Transistor NPN Na figura 8-230, um transistor NPN est conectado no circuito. Nota-se que as polaridades da bateria esto invertidas em relao ao circuito do transistor PNP. Mas com os tipos de materiais do transistor invertidos, o emissor ainda polarizado diretamente, e o coletor ainda polarizado reversamente. Neste circuito, um pequeno sinal aplicado na entrada causa uma pequena mudana nas correntes do emissor e coletor; porm, o coletor sendo uma alta resistncia requer somente uma pequena mudana de corrente para voltagem. Por esta razo, um sinal amplificado aparece no terminal de sada.

Figura 8-230 Circuito de transistor NPN.

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O circuito da ilustrao chamado de amplificador de base comum, porque a base comum aos circuitos de entrada e de sada (emissor e coletor). A figura 8-231 mostra um tipo diferente de circuito de conexo. Este chamado de amplificador de emissor comum, e similar ao amplificador triodo convencional. O emissor como um catodo, a base como uma grade, e o coletor como uma placa. O coletor polarizado por uma corrente reversa. Se o sinal de entrada estiver no ciclo positivo, como mostra a figura 8-231, isto auxiliar a polaridade, e aumentar a corrente de base e emissor. Isso aumenta a corrente de coletor, tornando o terminal de sada mais negativo.

Figura 8-231 Amplificador de emissor comum. No prximo meio ciclo, o sinal ser oposto a polarizao e diminuir a corrente do emissor e do coletor. No entanto, a sada ainda ser positiva. Este estar 180 fora de fase com a entrada, como numa vlvula triodo amplificadora. A corrente de base uma pequena parte da corrente total do emissor, baseado nisto, somente uma pequena mudana na sua corrente de base causa uma grande mudana na corrente do coletor. No entanto, ele novamente amplifica o sinal.

Este circuito tem ma