Capacitores AC

O que é corrente alternada?

Se considerarmos uma corrente direta, ela nem sempre pode ser perfeitamente constante: a tensão na saída da fonte pode depender da carga ou do grau de descarga da bateria ou da bateria galvânica. Mesmo com uma tensão estabilizada constante, a corrente no circuito externo depende da carga, o que confirma a lei de Ohm. Acontece que essa também não é uma corrente constante, mas também não pode ser chamada de variável, uma vez que não muda de direção.

Uma variável é geralmente chamada de tensão ou corrente, cuja direção e magnitude não mudam sob a influência de fatores externos, como uma carga, mas são completamente "independentes": é assim que o gerador a gera. Além disso, essas alterações devem ser periódicas, ou seja, repetindo durante um certo período de tempo chamado período.

Se a tensão ou a corrente mudarem de qualquer maneira, sem se preocupar com a frequência e outras regularidades, esse sinal será chamado de ruído. Um exemplo clássico é "neve" em uma tela de TV com um sinal de transmissão fraco. Exemplos de alguns sinais elétricos periódicos são mostrados na Figura 1.

Para corrente contínua, existem apenas duas características: a polaridade e a tensão da fonte. No caso de corrente alternada, esses dois valores claramente não são suficientes, portanto vários outros parâmetros aparecem: amplitude, frequência, período, fase, valor instantâneo e eficaz.

Figura 1Exemplos de alguns sinais elétricos periódicos

Mais frequentemente em tecnologia, é preciso lidar com oscilações sinusoidais, além disso, não apenas na engenharia elétrica. Imagine uma roda de carro. Ao dirigir uniformemente em uma boa estrada suave, o centro da roda descreve uma linha reta paralela à superfície da estrada. Ao mesmo tempo, qualquer ponto na periferia da roda se move ao longo de um sinusóide em relação à linha mencionada acima.

O mencionado acima pode ser confirmado pela Figura 2, que mostra um método gráfico para a construção de um senoide: quem estudou desenho bem sabe como executar essas construções.

Figura 2Método Gráfico de Onda Senoidal

Pelo curso escolar de física, sabe-se que um sinusóide é o mais comum e adequado para o estudo de uma curva periódica. Exatamente da mesma maneira, são obtidas oscilações sinusoidais em alternadoresdevido ao seu dispositivo mecânico.

A Figura 3 mostra um gráfico da corrente sinusoidal.

Figura 3Gráfico de corrente senoidal

É fácil ver que a magnitude da corrente varia ao longo do tempo; portanto, o eixo das ordenadas é indicado na figura como i (t), é a função da corrente versus o tempo. O período completo da corrente é indicado por uma linha sólida e possui um período T. Se você iniciar a consideração da origem, poderá ver que, a princípio, a corrente aumenta, atinge Imax, passa por zero, diminui para –Imax e depois aumenta e chega a zero. Em seguida, o próximo período começa, conforme mostrado pela linha tracejada.

Na forma de uma fórmula matemática, o comportamento atual é escrito da seguinte forma: i (t) = Imax * sin (ω * t ± φ).

Aqui i (t) é o valor instantâneo da corrente, dependendo do tempo, Imax é o valor da amplitude (desvio máximo do estado de equilíbrio), ω é a frequência circular (2 * π * f), φ é o ângulo da fase.

A frequência circular ω é medida em radianos por segundo e o ângulo de fase φ em radianos ou graus. Este último só faz sentido quando existem duas correntes sinusoidais. Por exemplo, em cadeias com capacitor a corrente está à frente da tensão em 90˚ ou exatamente um quarto do período, como mostra a Figura 4. Se houver uma corrente sinusoidal, você poderá movê-la ao longo do eixo das ordenadas conforme desejar e nada mudará com isso.

Figura 4 Em circuitos com um capacitor, a corrente está à frente da tensão em um quarto de período

O significado físico da frequência circular ω é o ângulo em radianos que “percorrerá” um sinusóide em um segundo.

Período - T é o tempo durante o qual a onda senoidal fará uma oscilação completa. O mesmo se aplica a vibrações de formas diferentes, por exemplo, retangulares ou triangulares. O período é medido em segundos ou em unidades menores: milissegundos, microssegundos ou nanossegundos.

Outro parâmetro de qualquer sinal periódico, incluindo um senoide, é a frequência, quantas oscilações o sinal fará em 1 segundo. A unidade de medida de frequência é Hertz (Hz), nomeada para o cientista do século XIX Heinrich Hertz. Portanto, a frequência de 1 Hz nada mais é do que uma oscilação / segundo. Por exemplo, a frequência da rede de iluminação é de 50Hz, ou seja, exatamente 50 períodos sinusoidais passam em um segundo.

Se o período atual for conhecido (você pode medir com um osciloscópio), a frequência do sinal ajudará a descobrir a fórmula: f = 1 / T. Além disso, se o tempo for expresso em segundos, o resultado será em Hertz. Por outro lado, T = 1 / f, frequência em Hz, o tempo é obtido em segundos. Por exemplo, quando 50 hertz o período será de 1/50 = 0,02 segundos ou 20 milissegundos. Na eletricidade, as frequências mais altas são usadas com mais frequência: KHz - kilohertz, MHz - megahertz (milhares e milhões de oscilações por segundo), etc.

Tudo o que se diz sobre a corrente também é verdadeiro para a tensão alternada: na Fig. 6 basta mudar a letra I para U. A fórmula terá a seguinte aparência: u (t) = Umax * sin (ω * t ± φ).

Essas explicações são suficientes para retornar ao experimento com capacitores e explique seu significado físico.

O capacitor conduz corrente alternada, como mostrado no diagrama da Figura 3 (consulte o artigo - Capacitores para instalações elétricas CA) O brilho da lâmpada aumenta quando um capacitor adicional é conectado. Quando os capacitores são conectados em paralelo, suas capacitâncias simplesmente aumentam, para que possamos assumir que a capacitância Xc depende da capacitância. Além disso, também depende da frequência da corrente e, portanto, a fórmula se parece com isso: Xc = 1/2 * π * f * C.

Segue-se da fórmula que com o aumento da capacitância e frequência da tensão alternada, a reatância Xc diminui. Essas dependências são mostradas na Figura 5.

Figura 5. A dependência da reatância do capacitor na capacitância

Se substituirmos a frequência em Hertz na fórmula e a capacitância em Farads, o resultado será em Ohms.

O condensador aquecerá?

Agora, lembre-se da experiência com um capacitor e um medidor elétrico, por que ele não gira? O fato é que o medidor considera energia ativa quando o consumidor é uma carga puramente ativa, por exemplo, lâmpadas incandescentes, chaleira elétrica ou fogão elétrico. Para esses consumidores, a tensão e a corrente coincidem na fase, têm um sinal: se você multiplicar dois números negativos (tensão e corrente durante o meio ciclo negativo), o resultado de acordo com as leis da matemática ainda é positivo. Portanto, a capacidade desses consumidores é sempre positiva, ou seja, entra na carga e é liberado na forma de calor, como mostra a Figura 6 pela linha tracejada.

Figura 6

No caso em que o capacitor é incluído no circuito de corrente alternada, a corrente e a tensão não coincidem na fase: a corrente está 90% acima da fase na tensão, o que leva a uma combinação quando a corrente e a tensão têm sinais diferentes.

Figura 7

Nesses momentos, o poder é negativo. Em outras palavras, quando a energia é positiva, o capacitor é carregado e, quando negativo, a energia armazenada é transferida de volta para a fonte. Portanto, em média, resulta em zeros e simplesmente não há nada para contar aqui.

O capacitor, a menos que, é claro, possa ser reparado, nem se aquecerá. Portanto, freqüentemente capacitor chamado resistência livre, que permite seu uso em fontes de alimentação de baixa potência sem transformador.Embora esses blocos não sejam recomendados devido ao seu perigo, ainda é necessário fazer isso algumas vezes.

Antes de instalar nessa unidade capacitor de têmpera, deve ser verificado através de uma simples conexão à rede: se em meia hora o condensador não aquecer, poderá ser incluído com segurança no circuito. Caso contrário, você só precisa jogar fora sem se arrepender.

O que mostra um voltímetro?

Na fabricação e reparo de vários dispositivos, embora não com muita frequência, é necessário medir tensões alternadas e até correntes. Se um sinusóide se comporta de maneira tão agitada, então para cima e para baixo, o que mostrará um voltímetro normal?

O valor médio de um sinal periódico, neste caso um sinusóide, é calculado como a área delimitada pelo eixo da abcissa e a imagem gráfica do sinal dividida por 2 * π radianos ou o período do sinusóide. Como as partes superior e inferior são absolutamente idênticas, mas têm sinais diferentes, o valor médio do sinusóide é zero, e não é necessário medi-lo, e é simplesmente sem sentido.

Portanto, o dispositivo de medição mostra o valor eficaz da tensão ou corrente. O valor médio quadrático é o valor da corrente periódica na qual a mesma quantidade de calor é liberada na mesma carga que na corrente contínua. Em outras palavras, a lâmpada brilha com o mesmo brilho.

Isso é descrito pelas fórmulas assim: Icrc = 0,707 * Imax = Imax / √2 para tensão, a fórmula é a mesma, basta alterar uma letra Ucrc = 0,707 * Umax = Umax / √2. São esses valores que o dispositivo de medição mostra. Eles podem ser substituídos em fórmulas ao calcular de acordo com a lei de Ohm ou ao calcular potência.

Mas isso não é tudo o que um capacitor em uma rede CA é capaz. No próximo artigo, consideraremos o uso de capacitores em circuitos pulsados, filtros passa-alto e passa-baixo, em geradores de onda senoidal e de onda quadrada.

Boris Aladyshkin

Continuação do artigo: Capacitores em circuitos eletrônicos