Uma opção orçamental para a conversão dos parâmetros básicos da corrente eléctrica são os divisores de tensão. Tal dispositivo é fácil de fazer, mas para o fazer, é necessário conhecer o objectivo, casos de utilização, princípio de funcionamento e exemplos de cálculos.
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Designação e utilização
Um transformador é utilizado para transformar tensões alternadas de modo a que um valor de corrente suficientemente elevado possa ser armazenado. Se as cargas com baixo consumo de corrente (até centenas de mA) forem adicionadas ao circuito, um conversor de tensão do transformador (U) não seria apropriado.
Nestes casos, pode ser utilizado um simples divisor de tensão (DN), o que custa consideravelmente menos. Uma vez obtido o valor desejado de U, este é rectificado e a energia é fornecida ao consumidor. Se necessário, deve ser utilizada uma fase de potência de saída para aumentar a corrente (I). Além disso, existem também divisores U constantes, mas estes modelos são menos comummente utilizados.
Os DNs são frequentemente utilizados para carregar vários dispositivos em que é necessário obter valores U mais baixos e correntes para diferentes tipos de baterias de 220 V. Além disso, é razoável utilizar dispositivos de partilha em U para criar instrumentos de medição eléctricos, tecnologia informática, bem como impulsos de laboratório e unidades de fornecimento de energia corrente.
Princípio de funcionamento
Um divisor de tensão (DN) é um dispositivo em que o U de saída e o U de entrada estão interrelacionados por meio de um coeficiente de transferência. O factor de transferência é o rácio dos valores U na saída e na entrada do divisor. O circuito de um divisor de tensão é simples e consiste numa cadeia de dois consumidores ligados em série - elementos de rádio (resistências, condensadores ou indutores). Diferem nas suas características de produção.
As principais quantidades de corrente alternada são tensão, corrente, resistência, indutância (L) e capacitância (C). Fórmulas para calcular os valores básicos da electricidade (U, I, R, C, L) quando os consumidores estão ligados em série:
- Os valores de resistência somam-se;
- As tensões são adicionadas;
- A corrente será calculada de acordo com a lei de Ohm para a secção do circuito: I = U / R;
- As indutâncias são adicionadas;
- A capacitância de toda a cadeia de condensadores: C = (C1 * C2 * ... * Cn) / (C1 + C2 + ... + Cn).
O princípio das resistências ligadas em série é utilizado para fazer um simples DN de resistência. O circuito pode ser convencionalmente dividido em 2 braços. O primeiro braço é o superior e está entre a entrada e o ponto zero do DN, e o segundo braço é o inferior, do qual é tirado o U de saída.
A soma do U nestes braços é igual ao valor resultante do U recebido. Os DNs podem ser do tipo linear ou não linear. Os dispositivos lineares são aqueles com um U de saída que varia linearmente com o valor de entrada. São utilizados para definir o U correcto em diferentes partes dos circuitos. Os potenciómetros não lineares são utilizados em potenciómetros funcionais. A sua resistência pode ser activa, reactiva e capacitiva.
Além disso, um DN também pode ser capacitivo. Utiliza uma cadeia de 2 condensadores que estão ligados em série.
O seu princípio de funcionamento baseia-se na componente reactiva da resistência dos condensadores num circuito com uma componente variável. Um condensador não só tem características capacitivas, mas também uma resistência Xc. Esta resistência é chamada capacitância, depende da frequência da corrente e é determinada pela fórmula: Xc = (1 / C) * w = w / C, onde w é a frequência cíclica, C é o valor do condensador.
A frequência cíclica é calculada utilizando a fórmula: w = 2 * PI * f, onde PI = 3,1416 e f é a frequência AC.
O condensador, ou tipo capacitivo, permite correntes relativamente mais altas do que as dos dispositivos resistivos. É amplamente utilizado em circuitos de alta tensão onde o valor U precisa de ser reduzido várias vezes. Tem também a vantagem significativa de não sobreaquecer.
O tipo indutivo é baseado no princípio da indução electromagnética em circuitos de corrente alternada. A corrente flui através de um solenóide, cuja resistência depende de L e é chamada indutiva. O seu valor é directamente proporcional à frequência da corrente alternada: Xl = w * L, onde L é o valor da indutância do circuito ou bobina.
Um DN indutivo só funciona em circuitos com uma corrente que tem um componente variável, e tem uma resistência indutiva (Xl).
Vantagens e desvantagens
As principais desvantagens dos DN resistivos são que não podem ser utilizados em circuitos de alta frequência, a considerável queda de tensão através das resistências, e a redução da potência. Em alguns circuitos é necessário seleccionar a potência das resistências, porque ocorre um aquecimento considerável.
Na maioria dos circuitos AC, são utilizados DN de carga activa (resistiva), mas com condensadores de compensação ligados em paralelo a cada uma das resistências. Esta abordagem reduz o aquecimento mas não elimina a principal desvantagem que é a perda de energia. Uma vantagem é a utilização em circuitos DC.
Os elementos activos (resistências) devem ser substituídos por elementos capacitivos para eliminar a perda de potência num DN resistivo. Um elemento capacitivo tem várias vantagens sobre um DN resistivo:
- É utilizado em circuitos de corrente alternada;
- Não há sobreaquecimento;
- A perda de potência é reduzida, uma vez que o condensador não tem potência em oposição a uma resistência;
- Pode ser utilizado em fontes de alimentação de alta voltagem;
- Alta eficiência;
- Menor I-perda.
A desvantagem é que não pode ser utilizado em circuitos U constantes. Isto porque o condensador nos circuitos CC não tem capacidade, mas apenas actua como um condensador.
Um DN indutivo em circuitos AC também tem uma série de vantagens, mas também pode ser utilizado em circuitos U constantes. Uma bobina indutora tem uma resistência, mas devido à indutância, esta opção não é adequada porque há uma queda significativa em U. As principais vantagens em relação ao tipo resistivo de DN:
- Aplicação em redes com U variável;
- Aquecimento por elementos menores;
- Menos perda de potência em circuitos de corrente alternada;
- Eficiência comparativamente elevada (superior à capacitiva);
- Utilização em equipamento de medição de alta precisão;
- Menor inexactidão;
- A carga ligada à saída do divisor não afecta o factor de divisão;
- A perda de corrente é inferior à dos divisores capacitivos.
As desvantagens são as seguintes:
- A utilização de DC U nas redes de alimentação eléctrica resulta em perdas de corrente significativas. Além disso, a tensão cai drasticamente devido ao consumo de energia eléctrica para a indutância.
- A resposta de frequência do sinal de saída (sem o uso de ponte rectificadora e filtro) varia.
- Não adequado para circuitos AC de alta tensão.
Cálculo do divisor de tensão com resistências, condensadores e indutores
Depois de seleccionar o tipo de divisor de voltagem é necessário utilizar as fórmulas para calcular. O cálculo incorrecto pode queimar o próprio dispositivo, a fase de amplificação da corrente de saída, e o consumidor. As consequências de cálculos incorrectos podem ser piores do que a falha de componentes de rádio: um incêndio em resultado de um curto-circuito, e electrocussão.
Ao calcular e montar o circuito, as normas de segurança devem ser claramente observadas, o dispositivo deve ser verificado antes de ligar para uma montagem correcta e não testado numa sala húmida (a possibilidade de electrocussão aumenta). A lei básica utilizada nos cálculos é a lei de Ohm para uma secção de circuitos. A sua formulação é a seguinte: a corrente é directamente proporcional à tensão numa secção de circuito e inversamente proporcional à resistência dessa secção. A entrada sob a forma de uma fórmula é a seguinte: I = U / R.
Algoritmo para o cálculo de um divisor de tensão com resistências:
- Tensão total: Upit = U1 + U2, onde U1 e U2 são os valores U em cada uma das resistências.
- Tensões nas resistências: U1 = I * R1 e U2 = I * R2.
- Upit = I * (R1 + R2).
- Corrente sem carga: I = U / (R1 + R2).
- A queda em U de cada resistência: U1 = (R1 / (R1 + R2)) * U pi e U2 = (R2 / (R1 + R2)) * Upit.
Os valores de R1 e R2 devem ser 2 vezes inferiores à resistência à carga.
Para calcular o divisor de tensão nos condensadores, podem ser utilizadas as seguintes fórmulas: U1 = (C1 / (C1 + C2)) * Upit e U2 = (C2 / (C1 + C2)) * Upit.
Fórmulas semelhantes para calcular o DN em indutâncias: U1 = (L1 / (L1 + L2)) * Upit e U2 = (L2 / (L1 + L2)) * Upit.
Os divisores são utilizados na maioria dos casos com uma ponte de díodos e um estabilitron. Um estabilitron é um dispositivo semicondutor que actua como um estabilizador U. Os díodos devem ser seleccionados com um U invertido acima do U admissível neste circuito. O estabilitron deve ser seleccionado de acordo com o livro de referência para a tensão de estabilização necessária. Além disso, deve ser incluída uma resistência à sua frente no circuito, uma vez que sem ela o dispositivo semicondutor irá queimar-se.
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