Corrente alternada em aeronaves

A indústria da aviação sempre se caracterizou pela busca incessante de eficiência, segurança e inovação. Dentro do vasto universo de sistemas que compõem uma composição, o sistema elétrico é, sem dúvida, um dos mais críticos e sofisticados. Dentre os diversos aspectos dessa área, a corrente alternada (CA) ocupa uma posição de destaque, sendo empregada em inúmeras aplicações a bordo das modernas aeronaves.

Ao entrar no mundo da CA, descobriu que seus meandros são repletos de conceitos e características singulares, como valores RMS (ou eficaz), frequência, fase, capacitância, indutância e, claro, os conceitos de reatância capacitiva e indutiva. Todos esses elementos são cruciais para o bom funcionamento e a segurança dos sistemas elétricos aeronáuticos.

Este post visa desvendar cada um desses temas, elucidando sua importância e demonstrando como a resistência, capacitância e indutância se combinam em circuitos de corrente alternados no contexto da aviação. Prepare-se para uma jornada eletrizante pelo céu da eletricidade em aeronaves!

Saber bastante sobre corrente alternada é cada vez mais importante para profissionais que lidam com aviões, como técnicos de manutenção, engenheiros, especialistas em eletrônica, aviônicos e pilotos. Aviões modernos usam essa corrente para muitos sistemas durante voos e no solo.

As aeronaves têm aumentado o uso de sistemas elétricos que funcionam com corrente alternada. Grandes aviões usam sistemas que fornecem diferentes tensões, por exemplo, 26 Vca e 115 Vca são comuns, e o Boeing 787 gera 235 Vca. Até aviões pequenos agora têm sistemas de corrente alternada, porém ainda usam um pouco de corrente contínua (CC).

Um sistema de emergência de CC é essencial, já que ainda não há baterias suficientes para sistemas de corrente alternada em emergências. No futuro, aeronaves podem depender completamente de sistemas de corrente alternada, até para emergências.

Em aviões, diversos dispositivos operam com corrente alternada, como instrumentos, lâmpadas, rádios, motores e pilotos automáticos. Nem todos os dispositivos usam corrente alternada, mas muitos sim. Aviões de transporte usam energia de corrente contínua em sistemas específicos e em emergências.

Às vezes, um componente opera internamente com CC, mas converte a energia CA dos sistemas externos para usar internamente. Entender os princípios da corrente alternada é crucial para entender dispositivos elétricos, como motores, alternadores e transformadores. Este capítulo explica detalhes sobre corrente alternada e suas aplicações.

DEFINIÇÃO E CARACTERÍSTICAS

Corrente alternada é a corrente que alterna periodicamente sua direção e continuamente muda sua intensidade. Essa corrente, que corresponde ao fluxo de elétrons, parte do zero, alcança um valor máximo em uma direção, diminui até zero, atinge o valor máximo na direção oposta e retorna a zero.

Isso também ocorre com a tensão elétrica, que atinge o valor máximo em um sentido, cai para zero, aumenta até o valor máximo no sentido oposto e depois retorna a zero. A tensão em si não flui, então quando muda de direção, os valores positivos e negativos simplesmente trocam de lugar, invertendo a polaridade da tensão no circuito.

A compreensão da corrente alternada pode ser desafiadora para alguns estudantes, mas existem dispositivos comuns que podem ajudar a ilustrar esse conceito. Por exemplo, considere um dispositivo que se move para frente e para trás, como uma serra de carpinteiro, uma biela em um motor a pistão ou um pêndulo de relógio.

Esses dispositivos realizam tarefas úteis por meio de movimentos de vai e vem. Uma analogia hidráulica mostrada na Figura abaixo exemplifica um circuito de corrente alternada executando trabalho.

Nessa analogia, uma bomba impulsiona fluido através de tubulações, movendo um pistão para frente e para trás. O pistão está conectado a um eixo de manivela, que converte o movimento de vai e vem em rotação do volante.

Os valores da corrente alternada são representados por uma curva ou onda que parece uma forma sinuosa. Na Figura abaixo, essa curva mostra a quantidade de tensão ou corrente em um ponto específico de um ciclo completo. Um ciclo começa em 0° e vai até 360°. Em 0°, a corrente é zero.

Ela atinge o máximo aos 90°, volta a zero aos 180°, fica no máximo oposto aos 270° e volta a zero aos 360°, como na onda sinuosa. Os pontos 0° e 360° na linha horizontal da onda são muito parecidos. Aos 360° (também chamados de 0°), um ciclo termina e outro começa.

Para facilitar o entendimento, os valores de corrente alternada são como uma forma de onda curva que lembra uma onda senoidal. Imagine um gerador simples (veja a Figura abaixo) que gera corrente alternada. Ele usa uma única volta de fio que pode girar em um campo magnético.

Quando essa volta de fio gira, seus lados passam pelas linhas de força do campo magnético, o que cria uma força elétrica nos lados da volta. Na “posição 1”, o fio se move ao longo das linhas magnéticas enquanto gira no sentido dos ponteiros do relógio. A tensão elétrica aumenta quando o fio vai da posição 1 para a “posição 2”.

Nessa posição, a tensão alcança o valor máximo, porque o fio está se movendo perpendicularmente às linhas magnéticas. Quando o fio segue além da posição 2, a tensão diminui e chega a zero na “posição 3”, que completa metade do ciclo. À medida que o fio passa da posição 3, a tensão muda de direção.

Isso acontece porque o lado B do fio agora se move para baixo enquanto o lado A se move para cima. Antes, era o contrário, com o lado A indo para baixo e o lado B para cima.

Portanto, a polaridade da tensão se inverte, criando uma tensão negativa que aumenta até a “posição 4” e depois diminui conforme o fio volta à sua posição original. Na “posição 5”, a volta de fio completou um ciclo completo, e esse processo se repete. É fácil notar, na “posição 5”, que a volta de fio em movimento gerou uma forma de onda senoidal com diferentes valores de tensão.

Valores RMS ou eficaz

Para entender a quantidade de energia disponível a partir de uma corrente alternada, precisamos encontrar o valor eficaz dela. Este valor não é o mesmo que o valor máximo, porque o valor máximo ocorre apenas duas vezes durante um ciclo completo.

Mesmo que a corrente seja oposta em direção e igual durante metade do ciclo, nas outras metades as correntes não se cancelam mutuamente, resultando em trabalho sendo realizado quando a corrente flui em qualquer direção. Portanto, o valor eficaz deve estar entre zero e o valor máximo.

Para calcular o valor eficaz da corrente alternada, o comparamos com a corrente contínua. Essa comparação é baseada na quantidade de calor gerada por cada corrente sob as mesmas condições. Como o calor gerado é proporcional ao quadrado da corrente (P = I^2 * R), precisamos encontrar a raiz quadrada da média dos quadrados de uma série de valores instantâneos da corrente.

Esse valor resultante é chamado de “root-mean-square” (rms). Basicamente, elevamos ao quadrado todos os valores instantâneos da onda senoidal, somamos os resultados e calculamos a média. A raiz quadrada dessa média é igual à corrente eficaz. Para a maioria das aplicações gerais, podemos determinar a tensão ou corrente eficaz utilizando as equações a seguir:

Em todas as situações em que usamos corrente alternada, como em dispositivos elétricos, a forma como descrevemos a tensão ou corrente não se baseia nos valores máximos, mas sim nos valores médios. Por exemplo, quando dizemos que a tensão é 110 V, na verdade estamos falando do valor eficaz da tensão, não do valor máximo.

O valor máximo seria 1,414 vezes maior, ou seja, 155,6 V. É importante lembrar disso para garantir que os técnicos sempre escolham instrumentos ou equipamentos que possam suportar a tensão e a corrente apropriadas ao serem conectados a um circuito de corrente alternada.

Em todas as situações em que usamos corrente alternada, como em dispositivos elétricos, a forma como descrevemos a tensão ou corrente não se baseia nos valores máximos, mas sim nos valores médios. Por exemplo, quando dizemos que a tensão é 110 V, na verdade estamos falando do valor eficaz da tensão, não do valor máximo.

O valor máximo seria 1,414 vezes maior, ou seja, 155,6 V. É importante lembrar disso para garantir que os técnicos sempre escolham instrumentos ou equipamentos que possam suportar a tensão e a corrente apropriadas ao serem conectados a um circuito de corrente alternada.

Frequência

Um ciclo de corrente alternada compreende um intervalo no qual o valor da corrente se eleva desde zero até um pico máximo, depois retorna a zero e ascende a um pico máximo na direção oposta, encerrando com uma nova volta ao zero. A taxa de repetição desses ciclos em um segundo é denominada frequência da corrente, medida em hertz (Hz), uma unidade nomeada em honra ao físico alemão do século XIX, Heinrich Rudolph Hertz.

Hertz realizou avanços científicos fundamentais na área da eletricidade. Um hertz equivale a um ciclo por segundo, sendo que os termos quilo-hertz, mega-hertz e giga-hertz são usados para expressar frequências de rádio e velocidades de processadores de computador. Para ser preciso, mil hertz constituem um quilo-hertz, um milhão de hertz formam um mega-hertz, e um bilhão de hertz compõem um giga-hertz.

Nos sistemas de iluminação e energia nas cidades do Brasil, a frequência padrão é 60 Hz, enquanto na Europa opera-se em 50 Hz ou 100 Hz. Nas aeronaves, correntes alternadas geralmente têm uma frequência de 400 Hz, e esse valor é empregado em aeronaves modernas e outras aplicações.

Em algumas das aeronaves mais recentes, a corrente alternada é gerada com uma frequência variável, podendo oscilar entre 360 e 800 Hz. A frequência da corrente alternada exerce impacto significativo na operação de um circuito, já que muitos dispositivos elétricos requerem corrente de uma frequência específica.

Ao empregar tais dispositivos, é crucial assegurar que sua concepção corresponda à frequência da corrente em uso. Dispositivos como motores síncronos adaptam suas velocidades conforme a frequência da corrente, mesmo com variações na tensão em relação à nominal.

Além disso, é fundamental ter em mente que um circuito projetado para certa frequência pode ser sobrecarregado ao se aplicar uma corrente de frequência divergente, apesar da tensão constante. Tal efeito deriva das características da reatância indutiva e capacitiva, cuja explicação será fornecida adiante neste capítulo.

A fase

A fase de uma corrente ou tensão alternada é como medimos a posição angular entre dois pontos em uma forma de onda. Normalmente, essa medida é feita em graus de rotação. Em equações elétricas, representamos o ângulo de fase com a letra grega θ. Ele mostra a diferença em graus de rotação entre duas correntes ou tensões alternadas, ou entre uma tensão e uma corrente.

Por exemplo, se uma tensão atinge o seu valor máximo 120 graus depois de outra, existe um ângulo de fase de 120 graus entre elas. A Figura abaixo ilustra uma diferença de fase de 120 graus entre três curvas de tensões diferentes. Esse tipo de relação de fase é comum em sistemas elétricos trifásicos de aeronaves. Esses sistemas polifásicos serão discutidos mais adiante neste capítulo.

Na maioria dos circuitos de corrente alternada, há um deslocamento de fase entre a tensão e a corrente. A Figura abaixo mostra curvas senoidais que representam uma corrente atrasada em relação à tensão, ou uma tensão atrasada em relação à corrente. Quando a corrente e a tensão não atingem seus valores máximos ao mesmo tempo, dizemos que estão fora de fase.

Na Figura abaixo, vemos que a onda da corrente atravessa o eixo zero após a onda da tensão. Isso indica que a corrente atinge o valor zero algum tempo depois da tensão. Da mesma forma, o valor de pico da corrente ocorre após o valor de pico da tensão. Isso nos indica que a corrente está atrasada em relação à tensão por vários graus.

Chamamos essa diferença de “defasagem” da corrente, porque ela alcança os valores correspondentes após algum tempo em relação à tensão. Tradicionalmente, medimos essa latência em graus. A abaixo ilustra que a tensão está aproximadamente 90 graus fora de fase com a corrente, ou seja, a tensão segue a corrente com um atraso de cerca de 90 graus.

Capacitância em circuitos CA

A capacitância é a habilidade de guardar carga elétrica. Nos circuitos, essa capacidade é proporcionada pelo componente chamado capacitor. 

É importante estudar essa parte com atenção para entender plenamente o comportamento dos capacitores em circuitos de corrente alternada. Em essência, os capacitores resistem a alterações no fluxo de corrente em um circuito. Em situações de corrente alternada, dado que a corrente oscila,

Imagine que você está tentando passar água por dois compartimentos separados por uma espécie de borracha flexível. Quando você empurra água para um lado, a borracha fica esticada, e quando você puxa a água de volta, a borracha volta ao normal.

Não é que a água esteja realmente atravessando a borracha, mas a borracha está armazenando a “pressão” temporariamente e permitindo que a água pareça fluir de um lado para o outro.

Essa borracha é como um capacitor em um circuito elétrico com corrente alternada (AC). Quando uma corrente elétrica tenta passar pelo capacitor, na verdade ela não passa por ele.

Em vez disso, o capacitor armazena alguma dessa energia elétrica por um curto período de tempo e depois de liberada. É por isso que parece que a corrente elétrica está passando pelo capacitor, mesmo que não esteja realmente.

E tem mais um detalhe: embora uma resistência apenas dificulte o fluxo de elétrons, um capacitor também faz algo chamado “mudança de fase”. Isso significa que o capacitor pode atrasar um pouco o tempo entre quando a energia elétrica entra e quando ela é liberada de volta.

Pense nisso como se a borracha flexível demorasse um segundo para voltar ao normal depois de esticar. Essa é a “mudança de fase” que o texto está falando.

Então, resumindo: um capacitor em um circuito de corrente alternada armazena energia elétrica temporariamente e a libera, fazendo parecer que a corrente elétrica está passando por ele. Além disso, ele atrasa um pouco esse fluxo, o que é conhecido como mudança de fase. É um pouco como aquela borracha flexível entre os dois compartimentos de água.

O fluido nas linhas flui para frente e para trás, preenchendo primeiro um lado da câmara e depois o outro. Esta ação é comparável ao comportamento de um capacitor em um circuito de corrente alternada, como ilustrado na Figura acima b. No capacitor, os elétrons acumulam-se em uma das placas, o que empurra os elétrons da outra placa.

Quando a direção da corrente alternada muda, a carga do capacitor também se inverte. Com cada mudança na tensão da fonte, a corrente flui de uma placa do capacitor para a outra, repetindo esse processo enquanto a corrente estiver ativa.

Essa sequência de carregar e descarregar o capacitor gera um campo eletrostático e estresse em seu material isolante, chamado dielétrico. Esse estresse no dielétrico, comparável à tensão em um diafragma elástico em um circuito hidráulico (veja Figura acima a), atua como uma força que resiste à corrente que passa por ele.

Portanto, o capacitor não apenas desafia a corrente entrante, mas também cria uma diferença, ou deslocamento, entre a tensão e a corrente no circuito.

Quando olhamos para a Figura acima b, vemos algo interessante sobre como um capacitor funciona em um circuito com corrente alternada. É bem parecido com uma câmara que foi recentemente descrita. Aqui está o que acontece:

No capacitor, os elétrons se acumulam em uma de suas placas. Quando isso acontece, há uma carga negativa nesta placa que empurra os elétrons para longe da outra placa. Imagine duas pessoas em uma sala, e uma delas começa a falar muito alto; a outra pode querer se afastar um pouco. É mais ou menos assim que os elétrons se comportam aqui.

Agora, em um circuito de corrente alternada, a direção da corrente muda constantemente. Então, quando ela muda, a polaridade do capacitor também muda, como se estivesse invertendo os lados. Em um momento, a corrente está fluindo para um lado, e no próximo, ela vai para o outro. Esse vai e vem continua enquanto a corrente estiver fluindo.

Esse processo de carga e descarga cria algo chamado campo eletrostático e também estresse dielétrico no capacitor. O dielétrico é um material isolante, algo como o “recheio” entre as placas do capacitor. E o estresse dielétrico é uma tensão que é um pouco parecida com a tensão de um diafragma elástico em outro circuito (mostrado na Figura acima a).

Agora, esse estresse dielétrico tem um efeito interessante. Ele trabalha contra a corrente que está sendo aplicada. É como se você estivesse tentando empurrar algo pesado e alguém estivesse tentando empurrar do lado oposto. Então, o que o capacitor faz é criar sua própria corrente, mas no sentido oposto.

Isso influencia o circuito de duas coisas principais: a primeira é que ele “resiste” à corrente que está sendo aplicada, e a segunda é que faz com que haja uma diferença no timing, ou “deslocamento de fase”, entre a tensão e a corrente.

Em circuitos capacitivos, a corrente se adianta em relação à tensão, chegando aos seus picos e vales antes da tensão. Isso quer dizer que, quando temos um circuito apenas com capacitância e sem resistência (algo teoricamente impossível), a corrente estará 90° à frente da tensão.

Ao observar essa situação, podemos notar que, à medida que a tensão cresce, a corrente começa a diminuir. Esse fenômeno acontece por conta do aumento da tensão no interior do capacitor. Assim, quanto mais tensão no capacitor, mais ele se opõe ao fluxo de corrente.

Quando a tensão é máxima, o capacitor está totalmente carregado e a corrente não consegue passar. Entretanto, quando a tensão começa a diminuir, a corrente passa a fluir do capacitor, pois ele possui uma tensão interna maior do que a aplicada. Quando a tensão é nula, a corrente flui em sua máxima intensidade porque não encontra resistência.

Vale lembrar que essa descrição é idealizada e aconteceria em um circuito sem resistência. Na prática, um circuito sempre terá alguma resistência, e a corrente ficará entre 0° e 90° adiantada em relação à tensão. Em circuitos de corrente alternada com capacitância e resistência, a diferença de fase varia nesse intervalo.

O comportamento da capacitância é ainda mais notável em altas frequências. Dispositivos modernos operam em frequências muito altas, alcançando milhões de ciclos por segundo (Hz). Por isso, equipamentos especiais foram desenvolvidos para minimizar os efeitos indesejados da capacitância nesses circuitos.

Reatância capacitiva

A capacitância refere-se à capacidade de um componente de se opor à passagem da corrente elétrica. Quando falamos de circuitos de corrente alternada (CA), essa oposição tem um nome específico: reatância capacitiva. Em termos técnicos, essa reatância é como uma “barreira” que resiste à corrente, e é medida em uma unidade chamada ohms.

Mas a reatância capacitiva é um pouco diferente de uma resistência comum. Isso porque ela também provoca algo chamado deslocamento de fase no circuito. E ela é identificada pela sigla XC.

Outro detalhe interessante é que a reatância capacitiva é afetada pela frequência do circuito e pela própria capacitância. Por exemplo, um capacitor com alta capacitância armazena mais carga do que um com baixa capacitância.

Isso significa que ele permite que mais corrente elétrica passe por ele. Já a frequência tem a ver com quantas vezes o capacitor é carregado e descarregado em um segundo. Quanto maior a frequência, mais rápido a corrente muda.

E existe uma relação bem clara aqui: a reatância capacitiva é inversamente proporcional à capacitância e à frequência da corrente. Ou seja, se você aumentar a capacitância ou a frequência, a reatância capacitiva diminuirá. E isso pode ser entendido e calculado usando uma fórmula específica para reatância capacitiva.

Indutância em circuitos CA

A indutância e a capacitância têm efeitos contrários em circuitos de corrente alternada. Enquanto a capacitância faz a corrente se adiantar em relação à tensão, a indutância faz com que ela atrase. Imagine isso como dois dançarinos onde um se move ligeiramente antes da música e o outro logo depois.

Em um circuito que tem apenas indutância, quando olhamos as curvas de como a tensão e a corrente variam com o tempo, percebemos um padrão específico. Isso está representado na Figura acima, que é mencionada. Para realmente compreender esse comportamento, é útil estudar mais a fundo sobre a indutância da bobina no Capítulo 6.

Quando se fala de indutância, temos uma lei fundamental conhecida como a lei de Lenz. Ela nos diz que sempre que há uma mudança na corrente em um circuito com indutância, uma tensão é gerada para tentar impedir essa mudança. Pense nisso como um mecanismo de defesa. A magnitude dessa tensão depende da rapidez com que a corrente está mudando.

Nos circuitos de corrente alternada, a corrente muda rapidamente e passa pelo valor zero. É nesse momento que a tensão induzida é máxima, como ilustrado na Figura acima.

Por outro lado, quando a corrente está no seu valor máximo e se estabiliza por um breve instante, não temos tensão induzida. Isso ocorre porque para gerar essa tensão, precisamos que a corrente esteja mudando, fazendo com que um campo magnético se movimente ao redor da bobina de indutância.

Por causa dessa tensão induzida, a corrente acaba atrasando-se em relação à tensão em um ângulo de 90°. No entanto, na prática, é difícil ter um circuito com apenas indutância; sempre teremos alguma resistência presente. Portanto, o atraso real entre a corrente e a tensão pode variar entre 0 e 90°.

Reatância indutiva

A indutância em um circuito de corrente alternada tem um efeito específico chamado de reatância indutiva. Pode-se pensar nisso como uma forma de resistência que a indutância cria contra o fluxo de corrente. Esta “resistência” é medida em ohms. A reatância indutiva representa o quanto a indutância do circuito impede a corrente de fluir.

A reatância indutiva é diretamente relacionada à quantidade de indutância em um circuito e à frequência da corrente que passa por ele. Se você tem uma bobina em seu circuito (o que significa mais indutância), essa bobina resiste a mudanças rápidas no fluxo da corrente.

Quando a indutância é maior, ela cria uma tensão que vai contra a tensão inicialmente aplicada no circuito, resultando na diminuição do fluxo de corrente.

A frequência da corrente também influencia a reatância indutiva. Se a frequência aumenta, a corrente na bobina muda mais rapidamente. Isso gera uma tensão induzida maior que se opõe ao fluxo da corrente, aumentando a reatância indutiva e, consequentemente, reduzindo a corrente que passa pelo circuito.

É interessante observar que a indutância e a capacitância têm efeitos opostos em um circuito. Enquanto a reatância indutiva aumenta com a frequência, a reatância capacitiva faz o oposto, diminuindo à medida que a frequência sobe. A fórmula usada para calcular a reatância indutiva leva em conta tanto a indutância quanto a frequência da corrente alternada.

Combinando resistência, capacitância e indutância

Em aeronaves comuns, os circuitos elétricos possuem diferentes componentes, como resistência, capacitância e indutância. Quando todos esses três componentes estão presentes, chamamos esse circuito de RCL. Se apenas tiver resistência, é chamado de circuito resistivo, ou apenas “R”.

Existem também circuitos chamados de resistivo indutivo (RL), que possuem resistência e indutância, e resistivo capacitivo (RC), que possuem resistência e capacitância. O nome de cada circuito reflete os componentes que ele contém. Por exemplo, no circuito RC, você encontrará tanto componentes resistivos quanto capacitivos.

A resistência, capacitância e indutância estão presentes em todos os circuitos, mas em algumas situações, os efeitos da indutância e da capacitância podem ser tão pequenos que são quase irrelevantes. Quando falamos sobre a resistência total que impede o fluxo de eletricidade em um circuito que não é apenas resistivo, usamos o termo “impedância”.

Vale lembrar que em circuitos de corrente contínua (CC), não existem reatâncias indutivas ou capacitivas. Isso porque em um circuito CC, a frequência é zero. Como resultado, os valores associados à indutância (XL) e capacitância (XC) nesse tipo de circuito também são zero.

Ao longo desta exploração sobre a corrente alternada em aeronaves, pudemos compreender a profundidade e a complexidade desse assunto. Desde suas definições básicas e características fundamentais, como os valores RMS e a frequência, até as nuances de fase, capacitância e indutância, a corrente alternada desempenha um papel inquestionavelmente vital na operação segura e eficiente de aeronaves modernas.

A compreensão das reações capacitivas e indutivas, bem como a interação entre resistência, capacitância e indutância, nos oferece uma visão detalhada de como os circuitos CA são inovadores e práticos em contextos aeronáuticos. Mais do que isso, mostramos o nível de inovação e a maestria técnica necessária para manter nossas máquinas voadoras funcionando em seu auge.

Em um mundo onde a tecnologia e a aviação continuam a se entrelaçar de maneiras cada vez mais intrincadas, o domínio desses conceitos não é apenas um privilégio, mas uma necessidade. Espero que este post tenha iluminado esses temas cruciais e convencido todos a continuarem explorando as maravilhas da eletricidade e da aviação, dois campos que, quando combinados, literalmente nos elevam a novas alturas.