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Curso: Engenharia elétrica > Unidade 2

Lição 1: Elementos dos circuitos

Terminologia dos circuitos

Glossário de termos que nós precisamos para conversar sobre circuitos e esquemas. Nós, ramos, laços e malhas, nó de referência e terra, e "equivalência" esquemática. Escrito por Willy McAllister.

Estamos desenvolvendo métodos para analisar um circuito. Por hora, definimos os componentes (resistor, capacitor e indutor) e as fontes (tensão e corrente) mais comuns. Agora, vamos precisar de um vocabulário claro para falar de circuitos. Esse artigo é um glossário de termos e conceitos que usamos em análise e projeto de circuitos.

Circuito

Circuito vem da palavra círculo. Um circuito é uma porção de componentes reais, fontes de potência e fontes de sinal, todos conectados de modo que a corrente possa fluir em um círculo completo

Circuito fechado – Um circuito é fechado se o círculo é completo, se todas as correntes têm uma percurso de volta para onde elas vieram.

Circuito aberto – Um circuito é aberto se o círculo não é completo, se existe uma lacuna ou uma abertura no percurso.

Curto circuito – Um curto ocorre quando um percurso de baixa resistência é conectado (usualmente por engano) a um componente. Na ilustração abaixo, o resistor é o percurso preferencial e o fio curvo em torno dele é o curto. A corrente é desviada de seu percurso preferencial, às vezes com resultados nocivos. O fio põe em curto o resistor, fornecendo um caminho de baixa resistência para a corrente (provavelmente não aquele que o projetista pretendia).

Fechar ou abrir – Você fecha um circuito ao fechar o caminho da corrente, do mesmo jeito quando você acende um interruptor. Abrir um circuito é a ação contrária, ou seja, apagar um interruptor abre o circuito.

Diagrama

Um diagrama é um desenho de um circuito. Um diagrama representa elementos do circuito com símbolos e conexões como linhas.

Elementos – O termo elementos significa "componentes e fontes."

Símbolos – Os elementos são representados em esquemas por símbolos. Os símbolos para elementos comuns de 2 terminais são mostrados aqui,

Linhas – As conexões entre elementos são desenhadas como linhas, que muitas vezes tratamos como "fios". Em um diagrama, estas linhas representam condutores perfeitos com resistência nula. Cada terminal de um componente ou uma fonte tocado por uma mesma linha possui a mesma tensão.

Pontos – As conexões entre linhas podem ser indicadas por pontos. Os pontos são uma indicação inequívoca de que as linhas estão conectadas. Se a conexão é óbvia, você não precisa usar um ponto.

Designador de referência – Quando você adiciona um componente em um diagrama, você frequentemente lhe dá um nome exclusivo, conhecido como designador de referência. Exemplos de designadores de referência são

R1

C6

, e

V_{BAT}

. O

1

R1

é parte do nome, e não indica o valor da resistência. Os designadores de referência são, por definição, exclusivos para cada diagrama. Eles permitem que você identifique os componentes pelo nome, mesmo que alguns deles tenham o mesmo valor. Não há problema em se utilizar designadores de referência em equações. Ao

R1

pode ser atribuído um valor de resistência,

R1 = 4, 7 k Ω

, e isto pode ser utilizado como uma variável nas equações, como em

R2 \cdot C6 = 4, 7 k Ω \cdot 2 μ F

Nó – Uma junção onde

2

ou mais elementos se conectam é chamada de um nó. O diagrama abaixo mostra um único nó (o ponto preto) formado pela junção de cinco elementos (abstratamente representados por retângulos laranja).

Uma vez que as linhas num diagrama representam condutores perfeitos com resistência nula, não há nenhuma regra que diga que as linhas de vários elementos vão necessariamente se reunir em um único ponto de junção. Podemos desenhar o mesmo nó como um nó distribuído, como no esquema abaixo. Estas duas representações do nó significam exatamente a mesma coisa.

Um nó distribuído pode ser espalhado, com segmentos de linha, cotovelos e pontos. Não se confunda, é tudo apenas um único nó. Conectar elementos esquemáticos com condutores perfeitos significa que a tensão em todo nó distribuído é a mesma.

Aqui está um diagrama realista com os nós distribuídos rotulados:

problema 1

Quantos nós existem neste diagrama?

Dependendo do seu livro didático ou fonte da internet de análise de circuitos, você pode encontrar diferentes definições para o termo nó. Os autores escolhem formas ligeiramente diferentes para ensinar análise de circuitos. O objetivo é obter uma abordagem organizada para gerar um sistema de equações simultâneas independentes (faremos isso em um próximo artigo). Existem algumas maneiras de fazer isso, e todos elas atingem o mesmo objetivo, com pequenas variações no jargão usado.

Em alguns textos, um nó é definido como sendo a junção entre

3

ou mais elementos. Nessa abordagem, todos os nós estão incluídos em uma análise de circuitos completa.

Outro termo que você pode encontrar é o de nó essencial. Ele é um nó com

3

ou mais elementos conectados. Nessa abordagem, os nós possuem

2

ou mais conexões e os nós essenciais possuem

3

ou mais conexões. Os nós essenciais devem ser incluídos em uma análise de circuitos completa.

Na Khan Academy, usamos a definição na qual o nó é a junção entre

2

ou mais elementos. Com essa definição, alguns nós podem se tornar redundantes (i.e. não independentes).

A definição de

2

elementos é usada em programas de simulação de circuitos como o SPICE, o qual exige que cada junção possua um nome único. Essa é uma razão pela qual se usa o termo "nó" para todas as junções.

Todas essas nuances de significado têm o mesmo objetivo. Não é preciso se preocupar sobre qual forma é a "correta". Se você usar uma outra referência junto com a da Khan Academy, verifique a definição específica de nó para ver se ela é a mesma que usamos aqui.

Ramo – Os ramos são conexões entre nós. Um ramo é um elemento (resistor, capacitor, fonte, etc.). O número de ramos em um circuito é igual ao número de elementos.

problema 2

Quantos ramos há neste diagrama?

Laço – Um laço é qualquer caminho fechado passando por elementos do circuito. Para desenhar um laço, selecione um nó qualquer como ponto de partida e desenhe um percurso através de elementos e nós até retornar ao nó de partida. Existe apenas uma regra: um laço pode visitar (passar por) um nó apenas uma vez. Tudo bem se um laço se sobrepõe ou contém outro laço. Alguns dos laços em nosso circuito são mostrados aqui. (Você pode achar outras, também. Se eu contei certo, há seis.)

Malha – Uma malha é um laço que não apresenta outros laços dentro dele. Você pode imaginar isso como sendo uma malha para cada "janela aberta" do circuito.

problema 3

Quantas malhas há neste circuito?

Nó de Referência – Em análise de circuitos, normalmente escolhemos um dos nós para ser o nó de referência. As tensões de todos os outros nós são medidas em relação ao nó de referência. Qualquer nó pode ser o de referência, mas duas escolhas comuns que simplificam a análise de circuitos são:

o terminal negativo da fonte de tensão ou de corrente que alimenta o circuito, ou
o nó conectado ao maior número de ramos.

Terra – O nó de referência é muitas vezes chamado de terra. O conceito de terra tem três significados importantes.

O terra é

o ponto de referência a partir do qual as tensões são medidas.
o caminho de retorno da corrente elétrica para a sua fonte.
uma conexão física direta para a Terra, que é importante para a segurança.
Se um equipamento ou ferramenta elétrica falha e, acidentalmente, cria um curto circuito entre a alta tensão interna e a superfície metálica do equipamento, é muito mais seguro direcionar a perigosa corrente para a Terra do que para você. O invólucro metálico de um equipamento é conectado a um fio terra, o qual segue pelo sistema elétrico da casa para a Terra, direcionando a perigosa corrente para um lugar seguro, longe das pessoas. Quando o equipamento ou ferramenta está funcionando corretamente, a corrente que flui pelo fio terra de segurança é nula.

O nó terra tem esse nome devido ao terceiro significado. Mas os outros dois são igualmente importantes.

Você vai se deparar com vários símbolos para o terra:

Circuito equivalente

Nós precisamos separar um tempo para falar sobre a ideia de circuito equivalente. Isto é importante pois um circuito pode ser representado por diagramas esquemáticos de diferentes maneiras.

Os dois circuitos a seguir são desenhados de formas diferentes. O esquema da esquerda mostra uma fonte de tensão e três resistores em ordem numérica. No esquema da direita, o resistor

R 3

aparece à esquerda da fonte de tensão.

Esses dois diagramas representam corretamente o mesmo circuito? Dito de outra forma,
Esses dois diagramas são equivalentes?

Dizemos que um circuito real e um diagrama (ou dois diagramas) são equivalentes se eles possuem os mesmos nós e ramos.

Para serem equivalentes, os dois diagramas devem:

Representar todos os componentes e fontes
Ter o mesmo número de nós
Cada nó deve ser conectado aos mesmos ramos

Vamos verificar se os nossos dois diagramas são equivalentes:

Todos os componentes e fontes estão representados em ambos diagramas?
Chamada ... $V$ ‍, aqui!, $R 1$ ‍, aqui!, $R 2$ ‍, aqui! $R 3$ ‍, aqui!
Todos elementos contabilizados.
Ambos diagramas têm o mesmo número de nós?
Sim. Ambos diagramas tem $2$ ‍ nós.
Cada nó está conectado aos mesmos ramos?
– Sim. Cada nó se conecta a três resistores e uma fonte.

Os dois nós estão marcados com linhas laranjas. Os quatro ramos estão indicados com flechas azuis.

Então a resposta é: sim, esses diagramas são equivalentes.

Equivalência significa que os nós correspondente vão ter a mesma tensão e os ramos correspondentes vão ter a mesma corrente. Essas são as características que precisamos verificar para que os diagramas sejam iguais.

Você poderia construir um circuito real baseado em qualquer um desses diagramas. Coloque os fios e componentes em cima de qualquer um dos esquemas e solde-os. Ambos os diagramas vão resultar no circuito pretendido, com as tensões nos nós e correntes nos ramos idênticas.

Essa discussão sobre equivalência pode parecer um tanto exagerada: O que há de especial? Os diagramas possuem uma propriedade curiosa que muitas vezes "pega" os iniciantes.

Um confuso jogo de diagramas

Vamos mostrar algo que pode parecer exagerado (mas apenas por enquanto). Como determinamos, os dois esquemas seguintes são equivalentes. Mas nem tudo é exatamente igual. As conexões ponto a ponto individuais das linhas entre os elementos não são as mesmas

Observe a flecha azul no diagrama da esquerda. Esse fio leva a corrente até

R 2

R 3

Você consegue encontrar o fio equivalente no diagrama da direita?

(Encontre um fio carregando corrente para

R 2

R 3

O que está acontecendo? É uma pergunta difícil, com o objetivo de destacar algo sobre a natureza dos diagramas.

Este "enigma" revela uma diferença fundamental entre um circuito real e um desenho esquemático. As linhas de um diagrama esquemático não representam necessariamente a ordem específica ponto a ponto das conexões que o circuito real correspondente possa ter. A questão sobre um condutor conduzindo corrente para

R 2

R 3

presume uma ordem de fios específica que não existe no diagrama da direita.

Mas como evitar ser enganado com esta armadilha dos diagramas? Você pode sempre contar com correntes idênticas nos ramos em todo o diagrama equivalente ou circuito real. Então, sempre pense na corrente fluindo em um ramo (fluindo em um componente ou fonte), e não na corrente fluindo em um "fio". Correntes em "fios" podem ou não existir em uma versão equivalente de um diagrama ou em um circuito real construído a partir de qualquer diagrama.

Revisão de conceito: Equivalência

Aqui está um desafio para ajuda-lo a verificar seu entendimento sobre a equivalência de diagramas.

Quais destes diagramas representam o mesmo circuito (são equivalentes)?

Assuma que todos os resistores tenham o mesmo valor.
Não se apresse, isto não é simples.
Dica: Há três respostas.

Desenhando um bom diagrama

Um bom diagrama serve para uma série de propósitos nobres. Um bom diagrama

compreende o projeto de um circuito sem deixar ambiguidades.
permite que você compartilhe seu projeto com outra pessoas.
ajuda-o a se lembrar de como funciona o seu circuito, mesmo tempos depois.

Você e seus colegas vão reconhecer estes hábitos de desenho para a criação de bons diagramas,

Posicione as entradas à esquerda e saídas à direita.
Deixe a informação fluir da esquerda para a direita através do circuito.
Use a posição na página para sugerir os níveis de tensão. Ou seja, desenhe fios de tensão mais alta mais próximos ao topo da página e tensões mais baixas (como o terra) perto da parte inferior da página.

Os esquemas a seguir são equivalentes, mas o da esquerda não é tão fácil de ler como o da direita. O da direita segue as diretrizes para um bom esquema.

Invólucro do vídeo da Khan Academy

Ver transcrição do vídeo

Bons diagramas captam o objetivo do seu projeto. Você comunica seu propósito mais rapidamente e confiavelmente se desenhar esquemas que tornem óbvio o que você está tentando fazer.

Ao lhe pedirem para interpretar diferentes diagramas, perca um pouco de tempo verificando o estilo do desenho. Imite o estilo dos diagramas que você achar fácil de interpretar. Ponha sua criatividade no projeto do circuito, não em desenhar um diagrama em um novo estilo.

Agora você tem um vocabulário completo para falar sobre circuitos e seus componentes. Estamos prontos para começar a analisá-los.

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Publicado há há 7 anos. Link direto para a postagem “Estou gostando muito dess...” de marcosgoncalves.net
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