Note de curs Elemente de Inginerie Electric

1

CURS NR. 1

Circuite electrice de curent alternativ 1.1 Generaliti Curentul electric este fenomenul de deplasare ordonat, ntr-un sens sau altul a

purttorilor de sarcin electric. ntr-o prim clasificare deosebim: curent electric continuu; curent electric alternativ.

Curentul electric continuu const n deplasarea dirijat a purttorilor de sarcin n acelai

sens. La rndul su curentul continuu poate fi: curent continuu constant - viteza de deplasare a purttorilor de sarcin este constant; curent continu variabil - viteza de deplasare a purttorilor de sarcin este variabil. Sensul deplasrii ns nu se schimb. Reprezentarea grafic, n domeniul timp a diferitelor categorii de curent electric este de

forma:

a.

d.c.

b.t

t

t

t

i(t)

i(t)

i(t)

i(t)

Figura 1

a. curent continuu constant pozitiv b. curent continuu constant negativ c. curent continuu variabil pozitiv d. curent continuu variabil negativ Curentul alternativ const n deplasarea dirijat a purttorilor de sarcin, alternativ ntr-un

sens i cellalt. El poate avea diferite forme de variaie n timp. Exemple n acest sens sunt prezentate n

figura 2.

Note de curs Elemente de Inginerie Electric

2

a.

d.c.

b.t

t t

t

i(t)

i(t)

i(t)

i(t)

Figura 2

a. curent alternativ cu variaie nedefinit; b. curent alternativ dreptunghiular; c. curent alternativ triunghiular (n dinte de fierstru); d. curent alternativ sinusoidal. Acesta din urm este cel care are cea mai larg utilizare n industrie, agricultur, i n

general n toate laturile vieii economico-sociale. Energia electric pe care o utilizm este energia electric a curentului alternativ furnizat de generatoarele electrice ale sistemului energetic naional.

Curentul alternativ sinusoidal i datoreaz marea rspndire ctorva avantaje eseniale i anume:

- generatoarele de curent alternativ sunt mult mai simple constructiv i mai fiabile dect generatoarele de curent continuu. n cazul acestora din urm, aa cum se va vedea n capitolul consacrat mainilor electrice piesa scump i puin fiabil este colectorul.

- se poate asigura transportul energiei de curent alternativ la distane mari, cu pierderi mici. n timp ce utilizarea energiei electrice se face la tensiune redus, din motive de electrosecuritate, transportul ei se face la tensiuni mari, conform schiei din figura 3.

~la

Co

TC2LTTR TC1

G

Figura 3 G-generator TR - transformator ridictor de tensiune LT - linie de transport TC1, TC2 - transformatoare cobortoare de tensiune Co - consumator Transportul la distane mare a devenit posibil dup inventarea transformatorului electric. - motorul electric de curent alternativ este mult mai simplu, mai fiabil mai robust i mai

uor dect cel de curent continuu, pentru aceleai performane de acionare.

Note de curs Elemente de Inginerie Electric

3

Curentul alternativ sinusoidal se produce utiliznd principiul induciei electromagnetice a lui Faraday.

Sensul convenional pozitiv al curentului este de la plus la minus sau mai general spus de la potenialul mai ridicat la cel mai sczut.

Unitate de msur [I]SI = 1A; Curentul se msoar cu AMPERMETRUL.

Ampermetrul se leag n serie cu consumatorul prin care dorim s msurm valoarea

curentului care-l strbate. Dac dorim s msurm curentul printr-un conductor, acesta se ntrerupe, iar acolo se

insereaz ampermetrul (figura 4).

Figura 4. Msurarea curentului

Funcionarea unui circuit nu ar trebui s se modifice atunci cnd facem o msurtoare.

Aceasta nseamn c prezena ampermetrului pe conductorul secionat trebuie s fie identic din punct de vedere electric cu situaia n care nu exista ampermetrul.

n concluzie, un ampermetru ar trebui s se comporte "ca o srm", sau altfel spus s aib rezistena unui conductor, adic s aib rezisten intern nul.

Deci un ampermetru ideal are rezistena intern nul. n realitate, nu exist ampermetre ideale. Pentru msurtori, va trebui s folosim ampermetre cu rezisten intern ct mai mic.

Potenial, tensiune i tensiune electromotoare Potenialul electric al unui punct al unui circuit.

Prin definiie potenialul electric este egal cu lucrul mecanic necesar pentru transportul unei sarcini unitare din acel punct pn ntr-un punct de potenial nul, spre exemplu un punct aflat la infinit.

i reciproca este adevrat, adic pentru aducerea unei sarcini electrice dintr-un punct ce are potenial nul ntr-un punct ce are potenialul +V, trebuie consumat un lucru mecanic.

Conform principiului conservrii energiei, lucrul mecanic cheltuit nu "dispare". El se va regsi n energia potenial pe care o dobndete sistemul, adic sarcina adus la potenialul +V.

Evident c o dat consumat acest lucru mecanic, energia total a sistemului a crescut. Unitatea de msur a potenialului este [V]SI = 1 VOLT. Potenialul electric al unui punct este o mrime scalar cu semn. De aceea notaia

potenialului se face ntotdeauna printr-o cifr sau liter cu semn. Exemplu: +5V, +24V, -12V; +Vcc; +E, - VE, etc.(Figura 5)

Note de curs Elemente de Inginerie Electric

4

Figura 5. Schem electric cu notaii de poteniale electrice.

Termenul de potenial are o conotaie energetic. Altfel spus potenial nseamn

"capacitatea de a efectua lucru mecanic". Spre exemplu dac legm un motor electric de cc, ntre punctul de potenial +V i punctul de potenial nul atunci evident c lucrul mecanic efectuat de motor este datorat potenialului +V.

Am afirmat c lucrul mecanic efectuat de motor este datorat potenialului +V. Nu trebuie s ne imaginm c avnd doar un singur punct de potenial +V motorul poate funciona. Este evident c avem nevoie de un al doilea punct, cel de potenial nul, (punctul de mas) la care s conectm cea de-a doua born a motorului.

ntotdeauna cnd ntr-o schem electric exist unul sau mai multe puncte cu notaia de potenial, ca de exemplu: +5V, +24V, -12V, etc, atunci obligatoriu n acea schem exist i un punct de potenial nul, numit mas. n dreptul acestui punct nu se scrie 0V, ci el este reprezentat cu un simbol specific, unul din cele prezentate n figura 6:

Figura 6. Simboluri pentru punctul de potenial nul (mas)

ntotdeauna, potenialul electric al unui punct dintr-un circuit electric este produs de o surs de tensiune electromotoare.

Spre exemplu: sursa care genereaz un potenial de +12 V, are tensiunea electromotoare 12V i este

conectat cu borna pozitiv la punctul de potenial pozitiv +12V, iar borna negativ este legat la mas.

sursa care genereaz un potenial de -24 V, are tensiunea electromotoare 24 V i este conectat cu borna negativ la punctul de potenial negativ -24 V, iar borna pozitiv este legat la mas.

Daca se folosesc i notaii generice ale surselor de tem, atunci asociaia acestora cu valorile numerice se va face n felul urmtor:

+E = +12 V sau -VS = -9V

Pentru evitarea confuziilor i a unor posibile erori n rezolvarea problemelor, trebuie ca atunci cnd ntr-o schem electric apare notat potenialul unui punct, s fie desenat i sursa de tensiune electromotoare care a generat acel potenial.

Reprezentarea sursei se face innd cont de cele afirmate puin mai nainte (Figura 7).

Note de curs Elemente de Inginerie Electric

5

Figura 7 Simbolizarea surselor care genereaz poteniale.

Tensiunea electric Tensiunea electric ntre dou puncte ale unui circuit. S presupunem c ntr-un circuit

electric exist dou puncte "a" i "b". Acestea por fi plasate oriunde, cu condiia s se afle pe conductoarele circuitului.

Prin definiie tensiunea dintre punctele a i b ale unui circuit reprezint diferena de potenial dintre cele dou puncte.

Fiind diferena a dou poteniale, unitatea de msur a tensiunii este aceeai cu a potenialului i anume 1 VOLT.

Tensiunea dintre punctele a i b se noteaz se noteaz Uab.

Figura 8. Simbolizarea unei tensiuni (cderi de tensiune)

Pentru tensiune se mai folosete "cdere de tensiune". Reprezentarea tensiunii Uab ntr-o schem electric se face cu "o sgeat" orientat

"de la punctul a la punctul b", ca n figura 9. Msurarea tensiunii (a cderii de tensiune) Msurarea acestei mrimi se face cu VOLTMETRUL. Pentru a descoperi ce proprieti

trebuie sa aib un voltmetru, se va analiza un exemplu simplu, al msurrii tensiunii U3 adic al cderii de tensiune de pe rezistena R3 din circuitul urmtor:

Figura 9. Msurarea tensiunii cu voltmetrul.

Note de curs Elemente de Inginerie Electric

6

Aa cum se vede i n figur, voltmetrul trebuie conectat cu cele dou terminale ale sale, ntre punctele ntre care trebuie msurat tensiunea. Evident c din momentul conectrii voltmetrului, avem un alt circuit electric, deoarece acum o parte din curentul I3 cel care trecea iniial prin rezistorul R3, va trece prin voltmetru (curentul IV din figur), i n acest fel prin R3 va trece un curent mai mic fa de curentul iniial, i implicit, cderea de tensiune U3 = I3 +R3 va fi mai mic. n concluzie, circuitul cu voltmetru difer fa de circuitul iniial, cel fr voltmetru. Pentru a evalua consecinele diferenei dintre cele dou circuite, s presupunem c rezistena R3 are un rol funcional i anume face parte din circuitul care asigur strlucirea ecranului unui televizor, iar noi ne propunem s vedem ct este cderea de tensiune pe aceast rezisten n regim normal de funcionare. Dup cele spuse pn acum atunci cnd conectm voltmetrul n circuit, cderea de tensiune U3 scade i televizorul va avea o strlucire mai mic. Este bine?

Funcionarea unui circuit nu ar trebui s se modifice atunci cnd facem o msurtoare. Aceasta nseamn c prezena voltmetrului conectat n paralel cu rezistena R3 nu ar trebui s afecteze valoarea curentului prin R3. Acest lucru se ntmpl numai dac prin voltmetru nu trece curent. Un astfel de voltmetru se numeste voltmetru ideal. Condiia pentru ca prin voltmetru s nu treac curent este ca acesta s se comporte n circuit ca o rezisten de valoare infinit. Altfel spus, rezistena intern a voltmetrului ideal este infinit. De aici rezult c dintre dou voltmetre, cel mai bun este acela care are rezistena intern cea mai mare.

Tensiunea electromotoare (t.e.m). Surs de t.e.m. ideal. Reprezint un element de circuit care genereaz energie electric circuitului;

Constructiv aparatul, care posed o t.e.m l vom numi surs (generator) de t.e.m; Dei forma de variaie a t.e.m poate fi foarte divers, ne vom opri pentru exemplificarea

deocamdat doar asupra t.e.m constante, ilustrat deja n figura de mai sus, urmnd ca despre surse s vorbim n detaliu ntr-un capitol ulterior.

Simbolul t.e.m constante este prezentat n figura 1.4. Spre deosebire de felul n care se noteaz potenialul electric, valoarea numeric a t.e.m.

continue se noteaz fr semn, adic nu se mai specific i semnul "+" sau "-" alturi de valoarea numeric. Sursa de t.e.m continu ideal se definete ca fiind elementul de circuit capabil s menin la borne o tensiune constant indiferent de numrul i valoarea consumatorilor.

Regimuri electrice. Regim electric = Mod de funcionare a unui circuit ce ine cont de felul de variaie n

timp a tensiunilor i curenilor din acel circuit. Relaia de cauzalitate dintre sursa de energie electric i curenii electrici din circuit este

urmtoarea: nu pot exista cureni (deplasare de sarcini electrice) fr existena unei surse de energie electric. De aceea, innd cont de aceast relaie, regimul electric este dictat n majoritatea cazurilor de forma de variaie n timp a surselor de energie electric (surse de tensiune electromotoare) din circuit.

Clasificarea regimurilor electrice n figura 10 este prezentat clasificarea regimurilor electrice:

Figura 10 Clasificarea regimurilor electrice

Note de curs Elemente de Inginerie Electric

7

Regimul electric al unui circuit este dictat n general de tipul sursei de tensiune electromotoare (t.e.m.) care alimenteaz acel circuit.

Spre exemplu dac sursa este reprezentat de o t.e.m. continu i constant n timp atunci regimul electric ce se va stabili n circuitul alimentat va fi unul de curent continuu. Dac sursa are o t.e.m. alternativ i perfect sinusoidal atunci regimul electric ce se va stabili n circuitul alimentat va fi unul de curent alternativ sinusoidal, numit i armonic.

(Excepie fac oscilatoarele, generatoarele de semnal). Termenul armonic se refer la mulimea tuturor formelor de variaie sinusoidale i cosinusoidale. n situaia n care n circuitul analizat se gsesc att generatoare (surse de t.e.m.) continue ct i sinusoidale, regimul ce ia natere va fi unul mixt. n figura 11. sunt exemplificate cteva regimuri n care se pot afla circuite liniare sau neliniare.

Circuit liniar n regim de curent continuu Circuit liniar n regim de current alternativ

Circuit neliniar n regim de current alternativ

Circuit liniar n regim tranzitoriu

Figura 11 Exemple de circuite i regimuri de funcionare

Regimul permanent este acela n care forma de variaie a tensiunilor i curenilor este

aceiai tot timpul. Ipotetic acestea variaz la fel pentru ( )+- ;t Regimul tranzitoriu este acela care se stabilete pe durata n care circuitul trece de la un

regim permanent la alt regim permanent.

Sistemul de notaii pentru mrimi electrice. Notaiile folosite n electronic nu sunt arbitrare, ele sunt rezultatul unor norme

internaionale, concretizate la noi n ar prin STAS 7128/1-71. Ca i terminologie vom ntlni: mrimi electrice (potenial, tensiune, curent, putere); parametri electrici (rezistene, capaciti, inductane, impedane, admitane); mrimi fizice diverse (timp, perioad, frecven, temperatur, etc.).

Mrimile electrice pot fi notate cu litere mari sau mici, ce pot avea la rndul lor indici

mari sau mici, n funcie de regimul electric la care se refer respectiva notaie. n tabelul 1 sunt sintetizate variantele posibile a notaiilor.

Note de curs Elemente de Inginerie Electric

8

Tabelul 1.3. Semnificaiile notaiilor. Liter mic Liter mare

Indice mic ie, uce Mrimi variabile n timp

(pur alternative)

Ie, Imax, Uce Mrimi constante n timp ce se

refer la mrimi variabile (valori efective, maxime)

Indice Mare iE,uCE Mrimi globale ce se refer la

posbile regimuri mixte

IE, UCE Mrimi continue constante n

timp