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Guias e Dicas
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Manual do Eletricista, Manuais, Projetos, Pesquisas de Engenharia de Produção

Conhecimentos gerais e fundamentais de Eletrotécnica

Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas

2010

Compartilhado em 22/04/2010

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Baixe Manual do Eletricista e outras Manuais, Projetos, Pesquisas em PDF para Engenharia de Produção, somente na Docsity! MANUAL DO ELETRICISTA 1 O Eletricista 2 September 23, 2004 1Material didático, sem fins lucrativos, de conhecimentos gerais e fundamentais de Eletrotécnica, visando a formação de profissionais qualificados em diferentes áreas do conhecimento e da tecnologia. 2Professor Adjunto do Departamento de Eletromecânica e Sistemas de Potência (DESP), Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), RS, Brasil. Fone: (55)2208147. 2 Manual do Eletricista Prefácio Dedico este manual à minha esposa, ao meu filho, aos meus pais, familiares, professores e amigos, que sempre acreditaram e continuam acreditando no Amor. Pretendo apresentar, em um volume, minha experiência profissional na área de eletrotécnica ao longo dos anos. Compreende os fundamentos de eletricidade, eletrônica, cálculo, os principais componentes elétricos e eletrônicos, as recomendações de normas, e uma análise da conjuntura tecnológica atual e das perspectivas no mundo técnico de amanhã. Pretendo, neste manual, a exemplo dos ’Handbooks’, organizar uma seqüência de conteúdo e experiências profissionais pessoais, que julgo conveniente repetir para outras pessoas interessadas. Corresponde aos principais trabalhos realizados em ensino, pesquisa e extensão. Como podemos ver, este conteúdo pode servir para um curso, como revisão de conhecimentos e práticas, como material de consulta (manual), ou ainda como uma referência bibliográfica para uma pesquisa inicial em cada assunto. Mais do que o conteúdo, este manual é uma proposta de forma de trabalho, de estudo, de ensino e aprendizagem. Para isto, é preciso pensar em ‘aulas’. Inicialmente, vou contar para vocês como foram minhas melhores aulas, como aluno ou professor. As aulas iniciaram com uma preparação. Geralmente, a aula iniciou com a leitura de um pensamento por parte do professor ou de um aluno da turma. Este pensamento era de algum cientista ou inventor relacionados ao assunto a ser tratado naquele dia. Outras vezes alguém trazia uma história sobre o assunto, que fora combinado na aula anterior. Uma vez tivemos até artistas para tocar e cantar junto conosco. Foi muito legal! Depois destes instantes de descontração e concentração, o professor relembrou o objetivo geral do curso, da disciplina ou competência, situando aonde chegamos na aula anterior. A turma apresentava suas experiências ou tarefas combinadas na aula anterior. No momento seguinte, o professor anunciou o tema do encontro, em forma de uma pergunta, lembrando do “lema” ou noção-núcleo (Meirieu, ”Aprender sim ... mas como?”, Editora Artmed) que surgiu na aula anterior, ou falando: “hoje iremos falar sobre tal coisa”. A turma ficava contente, pois era justamente isto que desejava estudar, e sentia que estava no curso certo, fazendo o que gostava. A turma estava como que colocando o açúcar e saboreando um gostoso aperitivo, sabendo que logo viria uma refeição muito saudável e gostosa. No momento seguinte, o professor-ator tinha o maior papel: apresentar a refeição que preparou durante a semana. Com esta apresentação, a turma ativou a memória, a imaginação, os sentimentos, e o racioćınio. As suas formas foram tão variadas que nem lembro de todas. Mas, gostaria de destacar: a) palestras - histórias, exemplos, casos reais, etc. b) práticas - demonstrações de experiências, apresentação de equipamentos e materiais, procedimentos ou normas, etc. c) leitura - livros, revistas, artigos, fotografias, entre outros. d) recursos visuais - projetor de slides, transparências no retro-projetor, data-show e filmes. Lembro um dia em que o professor levou um ‘data-show’ e uma apresentação do ‘power-point’ que pareceu um filme. A turma gostou tanto que pediu para repetir mais duas vezes a apresentação. Nas duas repetições, o professor ia parando o ’filme’ para a turma anotar questões ou observações pessoais sobre o assunto. Lembro-me que estas apresentações não eram uma simples exposição de conteúdo, mas era algo diferente, que sempre estava associado ao momento e ao contexto em que a sociedade estava vivendo. Após a apresentação, passamos para o aprofundamento ou desenvolvimento do assunto. A turma formulava situações-problema junto com o professor, que certamente já tinha uma idéia preliminar mais elaborada sobre o que iria ser proposto. O professor e/ou a turma lançaram perguntas, sugestões e dúvidas, que fizeram a turma raciocinar. Lembro que muitas vezes as dúvidas foram tão profundas, que nem o professor tinha respostas. A turma nunca soube se o professor não sabia mesmo ou não queria responder, para deixar a turma construir uma resposta pessoal - tomar uma decisão. Manual do Eletricista 5 f) resolução dos testes, experiências, etc. com capacidade de obter resultados; g) justificativa ou defesa para as respostas, interpretando os resultados; h) reconhecimento da situação particular, como competência, conhecimento, habilidade, etc.; i) decisão por determinada prática, optando pelo que fazer; e j) elaboração e utilização de um lema ou śımbolo da aula (um objeto, uma frase, uma fotografia, etc.). Na avaliação, que ocorria paralelamente com a aula, comparava-se o programa e o seu conteúdo, e o ńıvel atingido até o momento por cada um, anotando-se numa grade ou matriz fixada na sala de aula. Assim, ficou fácil ao professor e todo aluno ou aluna da turma fazer a sua média, considerando os 10 (dez) itens enumerados anteriormente. Não lembro como foi a avaliação final, porque ela nunca foi necessária. Todos que estiveram presentes em aula conseguiram média superior a 7,00 (sete). As aulas eram divididas por assunto, podendo incluir vários encontros, conforme o desenvolvimento do assunto. Não recordo bem a distribuição do tempo, mas era mais ou menos assim: a) preparação e noção-núcleo - 5 % b) apresentação - 30 % c) aprofundamento - 30 % d) debate e contextualização - 30 % e) conclusão - 5 % Na conclusão das minhas melhores aulas, a turma elaborava um lema, o professor e a turma trocavam um śımbolo-prêmio, que muito estimulava e animava a todos. Assim, ainda hoje, nunca me esqueço do primeiro ano de aula, da minha primeira professora, e das minhas melhores aulas. Agradeço a todos que me ajudaram na vida, pois acredito que ninguém faz nada sozinho. Desejo agradecer de modo especial ao meu irmão, e ao ‘professor-médico-engenheiro’, pelo incentivo ao uso do Latex, esta grande ferramenta que me permitiu conceber e iniciar a compilação deste manual. Também agradeço antecipadamente aos que vierem ajudar na correção do texto, nos exemplos, nos programas, ou mesmo na força moral. Apresentando este trabalho, não podemos deixar de prestar nossa homenagem e gratidão aos grandes mestres que tanto contribúıram para a construção do caminho da ciência, que é tanto teórica como ex- perimental, bem como a todos que trabalharam para a construção de nossa universidade, com ênfase nos cursos em que estamos inseridos. O Eletricista Setembro de 2004 6 Manual do Eletricista Contents I Conhecimentos técnicos 15 1 Grandezas elétricas fundamentais 17 1.1 Corrente elétrica I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.1.1 Elétrons livres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.1.2 Estrutura Atômica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.1.3 Eletrólise da água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.1.4 Convenção de corrente elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.1.5 Unidade de medida de corrente elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.1.6 Hora de praticar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.1.7 Ligação de ampeŕımetro num circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.1.8 Usando um mult́ımetro digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.1.9 Lei de Kirchoff da corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.1.10 Realização de emendas e conexões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.1.11 Noções sobre soldagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.2 Tensão elétrica V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.2.1 Geradores Eletroqúımicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.2.2 O conceito de potencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.2.3 Diferença de potencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.2.4 Circuito de uma lanterna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.2.5 Medição de tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.2.6 Ligação de um painel fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.3 Resistência elétrica R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.3.1 Resistividade ρ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.3.2 Lei de Ohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.3.3 Tipos de resistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.3.4 Associação de resistores e análise de circuitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.3.5 Medição de resistência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.3.6 A lâmpada série . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.3.7 Divisor de tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.4 Potência elétrica P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 1.4.1 Convenção do sentido do fluxo de potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.4.2 Lei de Joule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.4.3 Trabalho ou energia elétrica W . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.4.4 Outras formas de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 1.4.5 Conjugado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 1.4.6 Montagem de um mult́ımetro analógico para corrente cont́ınua . . . . . . . . . . . . 41 1.5 Resumo de grandezas elétricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 1.6 Exerćıcios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 7 10 CONTENTS 5.2.1 Tacômetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.2.2 Entrada e sáıda de dados para o computador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.3 Microcontroladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.4 Uso do computador para simulação de sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.4.1 Diagrama de blocos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.4.2 Linguagens de programação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.4.3 Funções matemáticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.5 Resumo e questionamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 6 Sistemas de corrente alternada 111 6.1 Evolução das redes em corrente cont́ınua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 6.2 Histórico da corrente alternada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 6.3 Sistema Interligado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 6.4 Distribuição de energia elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 6.4.1 Monofásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 6.5 Parâmetros caracteŕısticos dos sistemas de corrente alternada . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 6.5.1 Peŕıodo, freqüência, e velocidade angular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 6.5.2 Amplitude e ângulo de fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 6.5.3 Potência instantânea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 6.5.4 Freqüência f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 6.5.5 Tensão de pico ou máxima Vmax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 6.5.6 Corrente máxima Imax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 6.5.7 Valor eficaz de tensão e corrente V e I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 6.5.8 Defasagem θ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.5.9 Potências aparente, ativa e reativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.5.10 Fator de potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.6 Sistema trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 6.6.1 Rede monofásica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 6.7 Rede trifásica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 6.8 Ligações básicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6.8.1 Ligação de motores com chave manual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 II Projetos 123 7 Produção de energia elétrica 125 7.1 Energia hidráulica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 7.1.1 Estudo hidrológico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 7.1.2 Terminologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 7.1.3 Como é, e como poderá ser gerada a energia no Brasil . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 7.1.4 Histórico das turbinas hidráulicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 7.1.5 Turbinas para pequenas centrais hidráulicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 7.1.6 Critérios para a seleção de turbinas hidráulicas para micro, mini e pequenas centrais 141 7.1.7 O Programa Nacional de PCHs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 7.2 Energia Eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 7.2.1 Cataventos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 7.2.2 Turbinas eólicas e aerogeradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 7.2.3 Sistemas de energia eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 7.3 Energia solar fotovoltáica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 CONTENTS 11 7.3.1 O bombeamento de água com painéis solares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 7.3.2 Sistemas de energia fotovoltáica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 7.4 Energia da biomassa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 7.4.1 O potencial energético da biomassa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 7.4.2 Combustão direta da biomassa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 7.4.3 Combust́ıveis de origem vegetal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 7.5 Biodigestores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 7.5.1 Biofertilizante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 7.5.2 Preparação da mistura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 7.5.3 Decomposição da matéria orgânica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 7.5.4 A formação do metano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 7.5.5 O aproveitamento do metano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 7.6 Aquecedores solares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 7.6.1 Radiação solar em Santa Maria - RS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 7.6.2 O motor Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 7.7 Conservação de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 7.7.1 Predominância da Geração Hidráulica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 7.7.2 Recursos Hı́dricos do Brasil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 7.7.3 “O Brasil não precisa de Belo Monte” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 8 Acionamento de motores de indução 161 8.1 Sobre acionamentos elétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 8.1.1 Terminologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 8.1.2 O contator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 8.1.3 Fuśıveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 8.1.4 Disjuntor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 8.1.5 Protetores térmicos (sondas térmicas) para motores elétricos . . . . . . . . . . . . . 167 8.1.6 Relés de Sobrecarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 8.1.7 Relés de tempo (temporizador) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 8.1.8 Relé de seqüência de fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 8.1.9 Relé de proteção PTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 8.1.10 Relé de falta de fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 8.1.11 Relé de mı́nima e máxima tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 8.2 Motor de indução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 8.2.1 Prinćıpio de funcionamento - campo girante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 8.2.2 Dados de placa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 8.2.3 Curvas conjugado-velocidade da carga e do motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 8.2.4 Regulagem da velocidade de motores de indução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 8.2.5 Partida de motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 8.3 Chaves de partida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 8.3.1 Chave de partida direta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 8.3.2 Partida através de chave estrela-triângulo (Y -∆) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 8.3.3 Partida através de chave compensadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 8.3.4 Partida através de chave série-paralela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 8.3.5 Exerćıcios práticos - chaves de partida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 8.3.6 Condições de serviço das chaves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 8.3.7 Instalação das chaves de partida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 8.3.8 Manutenção preventiva e corretiva em chaves de partida . . . . . . . . . . . . . . . . 191 8.4 Motores de indução com inversores de freqüência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 12 CONTENTS 8.4.1 Caracteŕısticas dos inversores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 8.4.2 Variação da velocidade com inversores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 8.4.3 Condições especiais de serviço . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 8.4.4 Caracteŕısticas de desempenho dos motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 8.4.5 Caracteŕısticas do sistema de isolamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 8.5 Instalação de motores elétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 8.5.1 Fundações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 8.5.2 Tipos de bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 8.5.3 Alinhamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 8.5.4 Acoplamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 8.6 Sobrecarga e vida útil de motores asśıncronos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 8.7 Projeto e montagem de controle de posição com caixa de redução de velocidade . . . . . . . 202 9 Iluminação 203 9.1 Conceitos de luminotécnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 9.2 Nı́veis de iluminamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 9.3 Escolha de lâmpadas e seus respectivos lúmens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 9.4 Tipos de lâmpadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 9.5 Iluminação Interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 9.5.1 Residencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 9.5.2 Cálculo luminotécnico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 9.5.3 Ligação de lâmpadas fluorescentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 9.5.4 Ligação de dimmers e controles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 9.5.5 Uma fotocélula simples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 9.6 Resumo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 10 Instalações elétricas 209 10.1 Distribuição de tomadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 10.2 Divisão de circuitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 10.3 Dimensionamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 10.4 Entrada de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 11 Sistemas de medição e controle 219 11.1 Medidas em circuitos lineares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 11.2 Medição de tensão, corrente, e potência não senoidais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 11.3 Medição de R,L com V,I,W . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 11.3.1 Divisor resistivo com osciloscópio digital - V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 11.3.2 Resistor derivação ou shunt com um volt́ımetro eletrônico - I . . . . . . . . . . . . . 222 11.3.3 Watt́ımetro analógico - W . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 11.4 Aferição de sensores e instrumentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 11.4.1 Aferição de volt́ımetro analógico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 11.4.2 Aferição de watt́ımetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 11.4.3 Aferição de um transdutor analógico de corrente-tensão . . . . . . . . . . . . . . . . 224 11.4.4 Aferição de um transdutor digital de temperaruta-tensão . . . . . . . . . . . . . . . 225 11.5 Pontes de corrente alternada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 11.5.1 Caracteŕısticas dos Componentes das Pontes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 11.5.2 Análise das Pontes CA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 11.5.3 Ponte de Maxwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 11.5.4 Ponte de Schering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 Part I Conhecimentos técnicos 15 Chapter 1 Grandezas elétricas fundamentais “Em primeiro lugar temos de conhecer-nos e acostumar-nos a dialogar livremente conforme o grau de nossa cultura.” (J. Kentenich) A eletricidade é uma forma de energia, um fenômeno que é um resultado da existência de cargas elétricas. A teoria de eletricidade e seu inseparável efeito, magnetismo, é provavelmente a mais precisa e completa de todas as teorias cient́ıficas. O conhecimento da eletricidade foi o impulso para a invenção de motores, geradores, telefones, rádio e televisão, raios-X, computadores e sistemas de energia nuclear. A eletricidade é uma necessidade para a civilização moderna. 1.1 Corrente elétrica I Próximo do ano 600 AC., os gregos descobriram uma peculiar propriedade do âmbar (um mineral translúcido, quase amarelo). Quando esfregado com um pedaço de pelo de animal, o âmbar desenvolve a habilidade para atrair pequenos pedaços de plumas. Por séculos essa estranha e inexplicável propriedade foi associada unicamente ao âmbar. Dois mil anos depois, no século XVI, William Gilbert provou que muitas outras substâncias são “elétricas” (palavra originária do termo em grego para âmbar, elektron) e que elas podem apresentar dois efeitos elétricos. Quando friccionado com peles o âmbar adquire uma “eletricidade de resina”, entre- tanto o vidro quando friccionado com a seda adquire o que eles chamaram de “eletricidade v́ıtrea”, o que eles descobriram foram as cargas positivas e negativas. Eletricidade repele o mesmo tipo e atrai o tipo oposto. Cientistas pensavam que a fricção realmente criava a eletricidade, porém eles não notavam que uma igual quantidade de eletricidade oposta ficava na pele ou na seda. 1.1.1 Elétrons livres Durante muitos séculos, a humanidade interrogou-se sobre a estrutura da matéria. A possibilidade que a eletricidade não consista de um uniforme e cont́ınuo fluido provavelmente ocorreu a muitos cientistas. Mesmo Franklin, uma vez, escreveu que o “fluido” consiste de “part́ıculas extremamente sutis”. Todavia, uma grande quantidade de evidências tinham se acumulado antes da eletricidade ser aceita como formada por minúsculas part́ıculas, quantidades discretas, e não mais como um fluido, quando vista microscopicamente. James Clerk Maxwell se opôs à teoria corpuscular. Por volta do fim do século XIX, entretanto, o trabalho de Sir Joseph John Thompson (1856-1940) e outros provaram a existência do elétron. 17 20 CHAPTER 1. GRANDEZAS ELÉTRICAS FUNDAMENTAIS Figure 1.1: Michael Faraday (1791-1867) catodo, etc. Formulou as leis da eletrólise (1834) e, por isso, denominou-se faraday a quantidade de eletrici- dade necessária para libertar um equivalente-grama de qualquer substância. Definiu corrente elétrica como resultado da vibração provocada pelas rápidas alternâncias de tensão nas moléculas dos bons condutores (1838). Quanto a indivisibilidade do átomo, parece haver sido o f́ısico francês André-Marie Ampére (1775-1836) o primeiro a propor, que o átomo era constitúıdo de part́ıculas subatômicas, na tentativa de explicar o elemento boyleano. Mais tarde, o f́ısico alemão Gustav Theodor Fechner (1801-1887) propôs o modelo de que o átomo consistia de uma parte central massiva que atraia gravitacionalmente uma nuvem de part́ıculas quase imponderáveis. No entanto, as experiências realizadas sobre fenômenos eletromagnéticos, realizadas a partir do trabalho do f́ısico dinamarquês Hans Christian Oersted (1777-1851) e do próprio Ampère sobre cargas elétricas circulando em fios condutores, fizeram com que os cientistas cada vez mais ficassem convencidos de que o átomo possúıa constituintes portadores de carga elétrica. Desse modo, o f́ısico alemão Wilhelm Eduard Weber (1804-1891) propôs que no modelo de Fechner, as part́ıculas imponderáveis, que envolviam a parte central do átomo, eram part́ıculas eletrizadas atráıdas por esse “núcleo”, naturalmente, por uma força elétrica. A primeira evidência experimental sobre a estrutura do átomo foi verificada pelo f́ısico e qúımico inglês Michel Faraday (1791-1867) ao descobrir o fenômeno da eletrólise, isto é, a ação qúımica da eletricidade. Em sua experiência, Faraday observou que a passagem da corrente elétrica através de soluções qúımicas, por exemplo nitrato de prata, fazia com que os metais de tais soluções se depositassem nas barras metálicas (eletrodos: catodo e anodo) introduzidas nessas soluções. Essa evidência sobre a estrutura atômica foi corroborada com a teoria iônica desenvolvida pelo qúımico sueco Svante August Arrhenius (1859-1903), segundo a qual os ı́ons que constitúıam a corrente elétrica através da solução, no fenômeno da eletrólise, nada mais eram que átomos carregados de eletricidade. Os geradores não criam elétrons Já vimos como ocorre a corrente elétrica nos circuitos condutores. Os elétrons que estão fracamente presos ao núcleo ou ao átomo podem escapar e saltar para um átomo vizinho (da direita, por exemplo), liberando espaço para um outro elétron que vem de outro átomo vizinho (da esquerda). Em conseqüência disso, temos possibilidade de obter um número muito grande de elétrons ‘caminhando’. Os elétrons livres saltam de um átomo para outro átomo e podem continuar o seu movimento para mais outro átomo, formando a corrente elétrica. Porém, surgem duas perguntas: O que faz os elétrons andarem? E de onde vêm e para onde vão os elétrons nas extremidades dos condutores ou dos circuitos? Vamos pesquisar um pouco sobre isto. Antes de mais nada, lembremo-nos da lei de Lavoisier: Na natureza nada se cria, tudo se transforma. E assim também acontece com os elétrons. Os elétrons não saem e não retornam ao nada. Eles têm uma origem e um destino: o gerador. Os geradores não são máquinas de elétrons, mas apenas trocadores de elétrons com o circuito. Impulsionam elétrons num terminal e retiram no outro. Denomina-se potencial elétrico a capacidade de um gerador fazer circular uma corrente elétrica num circuito. O que interessa para o movimento de elétrons é sempre a diferença de potencial. Se essa não 1.1. CORRENTE ELÉTRICA I 21 existir, os elétrons não ‘andam’. 1.1.4 Convenção de corrente elétrica No interior do gerador eletroqúımico os ı́ons positivos se deslocam em sentido contrário aos elétrons do circuito, de modo que: a) no eletrodo positivo - forma-se uma reação que combina os elétrons livres do circuito com os ı́ons positivos da solução. b) no eletrodo negativo - forma-se uma reação com os ı́ons negativos da solução, liberando elétrons livres para o circuito elétrico. Estabeleceu-se que o sentido da corrente elétrica seria dos ı́ons positivos no interior da solução. Assim, no circuito a corrente elétrica teria o sentido do anodo (positivo) para o catodo (negativo). 1.1.5 Unidade de medida de corrente elétrica Muitas grandezas possuem várias unidades de medida. A temperatura, por exemplo, pode ser expressa em graus Celsius, Farenheit ou Kelvin. A pressão em Pascal, libras, kg por cent́ımetro quadrado e muitas outras. Já a corrente elétrica é expressa sempre em Ampére e seus sub-múltiplos: mili (m), micro, kilo (k) ou mega (M). Uma carga elétrica em movimento é denominada corrente elétrica. Denomina-se corrente elétrica a relação entre o fluxo de cargas elétricas ∆Q que atravessa uma superf́ıcie transversal do condutor S em um determinado ponto (seção de um fio), pelo intervalo de tempo ∆t. I = ∆Q ∆t (1.1) A unidade de corrente é o Ampére. A intensidade de corrente de 1 Ampére, ou ‘A’, é a quantidade de carga de 1 Coulomb que passa na seção de um fio durante o intervalo de tempo de 1 segundo. Assim: 1 Ampére é igual a 1 Coulomb/s. 1.1.6 Hora de praticar O que é mais importante - a teoria ou a prática? Talvez possamos citar vários exemplos a favor de uma ou de outra. Entretanto, é certo que, sem uma das duas, os conhecimentos não podem ser transmitidos e nem aplicados à tecnologia. No mercado de trabalho a teoria e a prática sempre se fazem presentes, a ponto de, se o concorrente à vaga de trabalho não tiver QI (Quem Indica) ele deverá passar por testes e estágios, para as empresas (a sociedade) selecionar a pessoa adequada a cada tarefa. Embora estejamos ou não de acordo com a competição na sociedade moderna, somos certamente unânimes para concluir que para uma sociedade desenvolvida cultural, técnica, e economicamente, a prática é fundamental. Assim sendo ... chegou a hora de praticar. Para que as aulas práticas possam transcorrer na melhor maneira posśıvel, num clima ideal para a aprendizagem, seguem abaixo as principais algumas recomendações, que valem para todos. 1 - Utilizar sempre uma capa ou avental de proteção. Atar os cabelos, não usar mantas ou cachecol. Usar calçados isolantes. Limpar e secar bem as mãos. 2 - Entrar no ambiente de trabalho somente com a permissão do professor ou funcionário encarregado dos laboratórios. 3 - Nas experiências de grupo, revezar as tarefas para que todos possam participar com igualdade. 4 - Não entrar no almoxarifado. Aguardar o material ser distribúıdo. 5 - Mexer somente nos equipamentos e materiais autorizados pelo professor. 6 - Na realização de experiências, trabalhar sempre com as fontes e equipamentos desligados, ligando-os somente após a conferência feita pelo professor. 22 CHAPTER 1. GRANDEZAS ELÉTRICAS FUNDAMENTAIS 7 - Cuidados com as escalas dos equipamentos de medidas. Verificar sempre qual tipo de grandeza será medida e sua dimensão. 8 - Certifique-se que os aterramentos estão sendo feitos de maneira correta. Cuidado com a ligação de osciloscópios e equipamentos de medida que necessitam de aterramento. 9 - Acompanhar a ordem das experiências rigorosamente, item por item, fazendo apenas o que foi solicitado. A mudança do roteiro, ou da experiência não compete ao momento. Apresente qualquer sugestão ou cŕıtica por escrito ao professor, que certamente será bem vinda. 10 - Os equipamentos dos laboratórios devem ser sempre manuseados com atenção e cuidado a fim de zelar pela sua conservação e evitar que sejam danificados pelo uso indevido. 11 - Ao verificar qualquer irregularidade, seja ela na bancada de trabalho, material ou equipamento, comunicar imediatamente ao professor. 12 - Não comer, não beber e não fumar dentro dos laboratórios. 13 - Ao terminar a experiência, organizar a sua bancada, deixando-a limpa e arrumada, nas condições em que a recebeu. Desligar todas as chaves e luzes antes de sair. 14 - Finalmente, lembre-se: “laboratório não é lugar para brincadeiras, conversas, e atividades semel- hantes”, que distraiam a atenção e a harmonia no trabalho. 1.1.7 Ligação de ampeŕımetro num circuito A corrente elétrica é medida com um ampeŕımetro, cujo funcionamento se baseia nos efeitos desta corrente (analógicos) ou por queda de tensão num resistor derivação (digitais). Atualmente, um moderno ampeŕımetro pode detectar correntes muitos baixas da ordem de 10−17 amperes, que é apenas 63 elétrons por segundo. A corrente em um impulso nervoso é aproximadamente de 1/100.000 amperes, um relâmpago atinge uma corrente de 20.000 amperes, e uma bomba nuclear chega a 10.000.000 de amperes com 115V. O ampeŕımetro é ligado em série com o circuito. A corrente elétrica, ou os elétrons, passam pelo instrumento - entram no terminal comum e saem no terminal correspondente ao máximo valor que poderá passar pelo instrumento (final de escala). As pontas de prova devem ser colocadas em série com o fio por onde passa a corrente a ser medida. Em muitos casos é preciso cortar e desencapar o fio para fazer a medida, e soldar e isolar o corte posteriormente. Como é uma operação trabalhosa, devemos fazê-la apenas em caso de necessidade. Deve-se usar uma ‘chave em paralelo’ para desviar a corrente quando precisamos trocar de escala ou de instrumento. Precisamos conhecer a ordem de grandeza da corrente do circuito e escolher a escala mais adequada, iniciando pela mais alta. Depois, vamos fechando a chave e trocando de escala, até ficar na melhor escala de leitura. 1.1.8 Usando um mult́ımetro digital Um mult́ımetro digital pode ajudar bastante nas atividades de eletricidade, principalmente em manutenção. Com ele você pode checar as tensões da fonte de alimentação e da rede elétrica, checar o estado da bateria da placa de CPU, verificar se o drive de CD-ROM está reproduzindo CDs de áudio, acompanhar sinais sonoros, verificar cabos e várias outras aplicações. Seu custo é menor do que você pensa. Com cerca de 30 reais ($ 10,00) você compra um modelo simples, e com cerca de 100 reais ($ 33,00) é posśıvel comprar um modelo mais sofisticado. Um mult́ımetro possui duas pontas de prova, uma vermelha e uma preta. A preta deve ser conectada no ponto do mult́ımetro indicado com GND ou COM (este é o chamado “terra”, “ground” ou “comum”). A ponta de prova vermelha pode ser ligada em outras entradas, mas para a maioria das medidas realizadas, a ligação é feita no ponto indicado com V-Ω-mA. 1.1. CORRENTE ELÉTRICA I 25 Figure 1.3: Soldagem de um transistor. A soldagem Ligue o ferro de soldar e espere cerca de 1 minuto até que esteja na temperatura ideal. Para verificar se a temperatura está boa, encoste a ponta do fio de solda na ponta do ferro de soldar. A solda deverá derreter com facilidade. Vamos começar soldando um resistor. Coloque o resistor encaixado em dois furos da placa universal de circuito impresso. Feito isso, aqueça com a ponta do ferro de soldar o terminal do resistor e o cobre da placa de circuito impresso. Ambos devem ser aquecidos para que a solda possa derreter facilmente. Encoste agora a ponta do fio de solda na junção aquecida entre a placa e o terminal do resistor. Mantenha o tempo todo a ponta do ferro de soldar também encostando nessa junção. A solda deverá derreter uniformemente. Afaste o fio de solda e depois o ferro de soldar. Dentro de aproximadamente dois ou três segundos a solda estará sólida. Use o alicate de corte para retirar o excesso do terminal do resistor que sobrou. Treine a soldagem com os resistores e com os capacitores. Não exagere na quantidade de solda. Deve ficar uma quantidade semelhante à que você observa nas placas do computador. Não sopre a solda para que esfrie. Espere três segundos e a solda esfriará sozinha. Não mova o componente enquanto a solda ainda não estiver solidificada. Na soldagem de transistores você deverá tomar um pouco mais de cuidado, pois são muito senśıveis ao calor. Se o ferro de soldar ficar encostado em seus terminais por mais de cinco segundos poderá danificá-lo. Para reduzir o calor no transistor (o objetivo é esquentar apenas a parte que será soldada) prenda uma garra jacaré no terminal do transistor que estiver sendo soldado, do outro lado da placa, como indicado na figura 1.3. Quando for realizar uma soldagem ”pra valer”, lembre-se que a maioria dos componentes possuem polaridade, ou seja, uma posição correta para encaixe. Normalmente existe alguma indicação da posição correta na placa de circuito impresso. Se não existir tal indicação anote a posição correta antes de retirar o componente defeituoso, para que o novo componente seja posicionado com a polaridade correta. Alguns componentes simplesmente não funcionam se forem soldados de forma invertida (Ex.: diodos, LEDs). Outros podem ser permanentemente danificados pela inversão (transistores, capacitores eletroĺıticos, chips). Lembre-se que a potência do soldador e a espessura do fio de solda deve ser proporcional à espessura do condutor ou do componente que você vai soldar. Se aquecer demais: queima. Se aquecer ‘demenos’: não solda (não derrete o estanho, e não escorre). A dessoldagem A dessoldagem é um pouco mais fácil no caso de resistores, capacitores, diodos e transistores. No caso de chips é mais dif́ıcil devido ao grande número de terminais. O sugador de solda possui um êmbolo de pressão que remove a solda derretida dos circuitos. Primeiro pressione o seu êmbolo, depois aproxime o 26 CHAPTER 1. GRANDEZAS ELÉTRICAS FUNDAMENTAIS Figure 1.4: Dessoldando componentes. seu bico da solda derretida e pressione o botão para que o bico sugue a solda. O sugador puxará a solda derretida para o seu interior. Aperte novamente o êmbolo para que possa expelir a solda retirada, já no estado sólido. Arme o sugador de solda pressionando o êmbolo para baixo e deixando-o pronto para sugar. Encoste o ferro de solda quente no ponto de solda que você quer remover. A solda deverá derreter. Se estiver dif́ıcil de derreter, coloque um pingo de solda nova na ponta do ferro de soldar para facilitar a condução térmica, derretendo mais facilmente a solda da junção a ser desfeita. Sem tirar a ponta do ferro de soldar, encoste o bico do sugador (figura 1.4) na solda derretida e dispare. Se o componente não ficar totalmente solto, encaixe uma chave de fenda e puxe-o levemente, usando a chave como alavanca. Encoste agora o ferro de soldar novamente no terminal e o componente sairá com facilidade. É desaconselhável a dessoldagem de chips por principiantes. Além de ser uma operação muito mais dif́ıcil, os chips são extremamente senśıveis à temperatura. Sua soldagem e dessoldagem deve ser feita apenas em laboratórios especializados, equipados com uma estação de soldagem profissional. 1.2 Tensão elétrica V Na seção anterior fizemos a pergunta: ‘o que faz os elétrons livres pularem de um átomo para outro?’ A resposta é a força eletro motriz, diferença de potencial (d.d.p.) ou tensão elétrica V . Nesta seção, estudaremos os fundamentos da tensão elétrica ou voltagem, e suas grandezas derivadas, e no caṕıtulo seguinte as suas interações eletromagnéticas. 1.2.1 Geradores Eletroqúımicos Vamos estudar um circuito elétrico formado por um condutor e um gerador eletroqúımico. Gerador eletroqúımico e eletrólise são processos contrários. Para fins de entendimento, podemos aproximar o gerador eletroqúımico como a reação qúımica da eletrólise invertida. Em experimentos com o que ele chamava de eletricidade atmosférica, Galvani descobriu que uma perna de rã poderia se contrair quando presa por um gancho de bronze em uma treliça de aço. Outro italiano, Alessandro Volta, um professor da Universidade de Pavia, afirmou que o bronze e o aço, separados por um tecido úmido de lã, geravam eletricidade, e que a perna de rã era apenas um detector. Em 1800, Volta conseguiu amplificar o efeito pelo empilhamento de placas feitas de cobre, zinco e papelão úmido respectivamente e fazendo isto ele inventou a bateria. 1.2. TENSÃO ELÉTRICA V 27 Uma bateria separa cargas elétricas através de reações qúımicas. Se a carga é removida de alguma forma, a bateria separa mais cargas, transformando energia qúımica em energia elétrica. Uma bateria pode produzir cargas, por exemplo, para forçá-las através do filamento de uma lâmpada incandescente. Sua capacidade para realizar trabalho por reações elétricas é medida em Volt, unidade nomeada por Volta. Um volt é igual a 1 joule de trabalho ou energia por cada Coulomb de carga. A capacidade elétrica de uma bateria para realizar trabalho é denominada Força Eletromotriz, ou fem. Por causa de um acidente, no século XVIII o cientista italiano Luigi Galvani começou uma cadeia de eventos que culminaram no desenvolvimento do conceito de voltagem e a invenção da bateria. Em 1780, um dos assistentes de Galvani noticiou que uma perna de rã dissecada se contráıra, quando ele tocava seu nervo com um escalpelo. Outro assistente achou que tinha visto uma fáısca saindo de um gerador elétrico carregado ao mesmo tempo. Galvani concluiu que a eletricidade era a causa da contração muscular da rã. Ele, erroneamente pensou, entretanto, que o efeito era devido à transferência de um fluido, ou “eletricidade animal”, em vez da eletricidade convencional. 1.2.2 O conceito de potencial Considere um certo corpo de massa m sujeita a um campo gravitacional g. Sabemos que a força que atua neste corpo é: F = m g A energia potencial gravitacional será proporcional à altura h (diferença de ńıvel): W = m g h O potencial gravitacional G será a energia potencial dividida pela unidade de massa. Corresponde à energia potencial de um corpo com 1kg de massa. G = g h O potencial gravitacional corresponde ao potencial dispoǹıvel. Veremos, no caṕıtulo sobre produção de energia, que o potencial hidrelétrico é proporcional à queda dispońıvel. Diz o ditado: Elementar, meu caro Watson. 1.2.3 Diferença de potencial Um tipo de conservação de energia é também associado com a fem (força eletro motriz). A energia elétrica obtida de uma bateria é limitada pela energia estocada nas ligações qúımicas das moléculas. Tanto a fem como o potencial elétrico são medidos em volts, e, infelizmente, os termos voltagem (também chamada tensão), potencial e fem são usados indistintamente. Por exemplo, no caso da bateria o termo potencial muitas vezes é utilizado em lugar de fem. A carga, num circuito elétrico, corresponde à massa sujeita ao potencial gravitacional. A tensão elétrica é o potencial elétrico que desloca os elétrons através do circuito fechado. É expressa em Volts ou ‘V’. Seja como uma fem (força eletro motriz) ou um potencial elétrico, a tensão é uma medida da capacidade de um sistema para realizar trabalho por meio de uma quantidade de carga elétrica unitária. Assim: W = q V Para exemplificar tensão tem-se: a voltagem medida em eletrocardiogramas, que fica em torno de 5milivolts, a tensão dispońıvel nas tomadas da casa de 220V, e além disso tem-se o enorme potencial de 10 mil volts existente entre uma nuvem carregada e o chão, que é necessário para a produção de um relâmpago. 30 CHAPTER 1. GRANDEZAS ELÉTRICAS FUNDAMENTAIS Figure 1.7: Medição de tensão (ou voltagem). Lei de Kirchoff da tensão A soma de todas as fontes de tensão de uma ’malha’ é igual à soma de todas as tensões nas cargas desta ’malha’. É conhecida como lei das malhas. Quem ainda não trocou pilhas de um dispositivo eletrônico? Certamente, todos já fizeram, tomando o cuidado de ligar as pilhas ou baterias em série: o positivo de uma com o negativo da outra. Assim, as tensões se somam. Por exemplo, com 4 pilhas de 1,5V obtemos 6,0V. Exemplo Considerando o circuito formado por malhas de volt́ımetros DC, determine qual será a leitura dos outros instrumentos? 1.2.6 Ligação de um painel fotovoltaico Esta experiência consiste na ligação de um painel fotovoltaico com diversas cargas. Vamos fazer a medição de tensão e corrente, e desenhar um gráfico, onde tem a corrente no eixo das abcissas e tensão nas ordenadas. 1.3 Resistência elétrica R Muitos materiais são isolantes. Neles todos os elétrons estão nos limites dos átomos e não permite um fluxo de cargas, menos quando submetidos a altos campos elétricos que proporcionam uma “quebra” dessas iterações dos elétrons. Então, em um processo denominado ionização, os elétrons mais “frouxos” são arrancados dos átomos, formando um fluxo de corrente. Essa condição existe durante uma tempestade elétrica. A separação de cargas entre as nuvens e o chão cria um grande campo elétrico que ioniza os átomos do ar, pelo qual é formado um caminho de condução elétrica entre as nuvens e o chão (relâmpago). Embora um condutor permita o fluxo de cargas, isso não ocorre sem uma perda de energia. Os elétrons são acelerados por um campo elétrico. Em geral, eles se movem a distâncias razoáveis, porém eles colidem com alguns dos átomos do condutor, diminuindo sua velocidade ou mudando sua direção. Como resultado, eles perdem energia para os átomos. Essa energia aparece como calor, e essa dispersão é uma resistência para a corrente. 1.3. RESISTÊNCIA ELÉTRICA R 31 1.3.1 Resistividade ρ Em 1827 um professor alemão de nome Georg Ohm demonstrou que a corrente em um fio aumenta em proporção direta com a tensão V e com área S da seção transversal do fio, e em proporção inversa ao comprimento l do fio. Dessa forma, a corrente também depende das propriedades do material, a Lei de Ohm é então R = ρ l S onde ρ é a resistividade. A quantidade R é denominada Resistência elétrica. A Resistividade depende apenas do tipo de material. A unidade de resistência é o Ohm ou Ω, onde 1 Ω é igual a 1volt/amp. No chumbo, um condutor razoável, a resistividade é 22/100.000.000ohm−metro; no cobre, um excelente condutor, é apenas 1, 7/100.000.000ohm−metro. Onde altas resistências entre 1 e 1 milhão ohms são necessárias, resistores são feitos de materiais como o carbono, que tem uma resistividade de 1.400/100.000.000ohm−metro. Certos materiais perdem sua resistência quase que completamente quando submetidos a uma tem- peratura de alguns graus acima do zero absoluto. Esses materiais são denominados de Supercondutores. Algumas substâncias recentemente encontradas mantêm a supercondutividade em temperaturas mais ele- vadas. A resistividade ρ é definida por: ρ = 1 σ (1.2) onde σ é a condutividade do material expressa em (Ω.m)−1. A condutância é o inverso da resistência. A tabela 1.1 apresenta a resistividade média dos materiais mais utilizados em instalações elétricas. Observa-se que a sua unidade está alterada para que, multiplicando-se pelo comprimento em metros e dividindo pela seção condutora em miĺımetros quadrados, se obtenha a resistência do condutor em Ω. A condutividade do alumı́nio corresponde a 61% da do cobre. Table 1.1: Resistividades dos materiais mais usados em instalações. Material Resistividade ρ a 20oC Cobre 1/58 Ω.mm2.m−1 Alumı́nio 1/35,4 Ω.mm2.m−1 A resistividade ρ para a maioria dos materiais varia com a temperatura. Para muitos materiais, incluindo os metais, a relação linear emṕırica é ρ = ρ0(1 + αT0) (1.3) onde, T0 é uma temperatura de referência, ρ0 é a resistividade em T0 e α é o coeficiente de temperatura média da resistividade. A resistência do cobre aumenta de 0,00393 Ω por cada aumento de 1 oC. A projeção da curva interceptará a linha de resistência zero em -234,5 oC. Entretanto, na prática observam-se resistências extremamente baixas nesta faixa de temperatura. 32 CHAPTER 1. GRANDEZAS ELÉTRICAS FUNDAMENTAIS Figure 1.8: Relação entre corrente, tensão e resistência. 1.3.2 Lei de Ohm A resistência elétrica R é definida como: R = V I (1.4) A lâmpada da lanterna, na figura 1.5, pode ser representada como um resistor, pois ela tem o efeito de uma resistência no circuito. Veja na figura 1.8 o śımbolo usado para representar uma resistência num diagrama elétrico. Todo resitor tem um valor, que é a chamada resistência. A unidade usada para medir a resistência é o ohm, cujo śımbolo é Ω. A voltagem gerada por uma bateria tem seu valor dado em volts, cujo śımbolo é V. A unidade usada para medir a corrente elétrica é o ampère, cujo śımbolo é A. Existe uma relação direta entre a tensão aplicada sobre um resistor, a corrente que o atravessa e o valor da sua resistência. Esta relação é a chamada lei de Ohm. Ela diz que se um resitor de valor R é ligado a uma tensão V , sua corrente i é dada por: i = V R é o mesmo que escrever: V = R i Por exemplo, ao ligamos uma bateria de 12 V em um resistor de 6Ω, de acordo com a lei de ohm, a corrente que atravessará o resistor será de: i = 12 V 6 Ω = 2 A 1.3.3 Tipos de resistores Este é o mais básico componente eletro-eletrônico. Vamos ver alguns tipos de resistores. Resistores de fio Muitos o chamam erradamente de resistência. Seu nome certo é resistor, e a resistência é a sua caracteŕıstica elétrica. Ainda assim o público leigo usa termos como “a resistência do chuveiro elétrico”, ”resistência do aquecedor”, ”resistência do ferro de passar”, “resistência da torradeira”. Esses dispositivos são resistores formados por fios metálicos com resistência baixa. Ao serem ligados em uma tensão elétrica, são atrav- essados por uma elevada corrente, resultando em grande dissipação de calor. Note que nas resistências 1.3. RESISTÊNCIA ELÉTRICA R 35 Figure 1.9: Associações de resistores. Figure 1.10: Medindo o valor de um resistor. 1.3.5 Medição de resistência A medição de resistência também possui várias escalas, e você deve escolher uma escala que comporte a medida a ser realizada. Se você não tem idéia da escala a ser usada, escolha a maior delas. Por exemplo, se medir um resistor de cerca de 150 Ω em uma escala de 20.000, será apresentado o valor 150. Se quiser maior precisão pode usar escalas menores. Por exemplo, na escala de 2000 Ω, o valor medido poderá ser 150,3 e na escala de 200 poderá ser 150,37. Note que não podemos medir o valor de um resistor com um mult́ımetro quando ele está em um circuito. O valor medido será influenciado pelos demais componentes do circuito ligados ao resistor. A medida correta é feita quando o resistor está desacoplado do circuito, como mostra a figura 1.10. Cuidado: para resistores com valores acima de 10k Ω, é recomendável não tocar as mãos nas pontas de prova do mult́ımetro, pois a resistência do corpo humano provocará erro na medida. Podemos usar o mult́ımetro na escala de resistência para verificar se um cabo está partido ou se um fuśıvel está queimado. Quando um fio ou fuśıvel está em perfeitas condições, sua resistência é bem baixa, em geral inferior a 1 ohm. Colocamos então o mult́ımetro na escala mais baixa de resistência e fazemos a medida. 36 CHAPTER 1. GRANDEZAS ELÉTRICAS FUNDAMENTAIS Figure 1.11: Botão de sinal, utilizado como divisor de tensão. Quando o cabo está partido ou o fuśıvel está queimado, a resistência é muito alta, e quando está bom é baixa. Note que para fazer essas medidas é preciso que o circuito esteja desligado. Muitos mult́ımetros possuem ao lado da escala de resistência, uma escala que emite um beep através de um pequeno alto falante em caso de resistência baixa. Desta forma é posśıvel medir as ligações sem ter que olhar para o display do mult́ımetro. Prestamos atenção apenas nas conexões que estão sendo medidas e no som emitido. Na ǵıria de eletrônica isto é chamado de ”bipar o circuito”. 1.3.6 A lâmpada série É uma ferramenta indispensável na bancada do eletricista. Vamos estuda-la e utiliza-la com segurança. 1.3.7 Divisor de tensão É constitúıdo de dois resistores, ou um resistor e um interruptor, onde a sua sáıda é usada como entrada para instrumentos de medição (conversores AD, circuitos lógicos, etc). Quando um interruptor é usado para prover uma entrada em um determinado circuito, seu pression- amento normalmente gera um sinal de tensão. É esse sinal de tensão que ativa o circuito propriamente dito. A tensão de sáıda no circuito da esquerda é sempre BAIXA, exceto quando o botão é pressionado. Ao pressionar o botão essa tensão alta é utilizada para por em ação o circuito restante. No circuito da direita a tensão de sáıda é sempre ALTA (a própria tensão da fonte, no caso), exceto quando o botão é pressionado. Pressionando esse botão, a tensão de sáıda cai a ZERO. Para o resistor dos circuitos, um valor de 10 kΩ é o recomendado. Em suma; quando o botão é pressionado o circuito fornece uma Usáıda BAIXA. Nos circuitos que processam sinais lógicos, uma BAIXA tensão é denominada ”lógica 0” ou simplesmente ”0”, enquanto que uma ALTA tensão é denominada ”lógica 1” ou simplesmente ”1”. Esses circuitos divisores de tensão, com interruptores de botão, são perfeitos para proverem entradas de sinais lógicos. [Há um probleminha de ”reboot” ... mais isso é outra história.] 1.4. POTÊNCIA ELÉTRICA P 37 Que tipos de interruptores você usaria nesses circuitos? Há uma grande variedade de interruptores de botão (pressão). Os botões miniaturas trabalham adequadamente e freqüentemente estão inseridos em uma matriz de contatos. Como você observa, o botão tem externamente quatro pequenos terminais que são unidos, aos pares e internamente, por tiras de metal. O botão leva um anel metálico. Ao ser apertado, o anel toca as tiras, fechando o circuito. Circuitos eletrônicos são constrúıdos a partir de subcircuitos com finalidades espećıficas. Cada um deles deve operar em termos de entrada, processamento, sáıda. Há permanente transferência de informações entre subcircuitos. Essas informações, sob a denominação de sinais, via de regra estão sob a forma de tensões variáveis. Isso torna inevitável que tais circuitos incluam divisores de tensão como parte integrante de suas estruturas. Divisores de tensão não são apenas pequenos detalhes num circuito geral, eles são fundamentais para a compreensão do circuito eletrônico como um todo. Uma vez que você os entenda e saiba como procura-los você os encontrará em todos os circuitos. 1.4 Potência elétrica P Outra grandeza elétrica importante é a potência. Ela representa a quantidade de energia elétrica que está sendo consumida por um resistor quando é percorrido por uma corrente, e é medida em watts, cujo śımbolo é W. Quando um resistor R é ligado a uma tensão V e percorrido por uma corrente I, a potência elétrica P é: P = V I Define-se potência como sendo o trabalho executado por unidade de tempo. A potência elétrica é obtida pelo produto da tensão pela corrente. A tabela 1.2 apresenta a potência média de alguns aparelhos eletrodomésticos. Estes valores podem ser utilizados quando faltar a potência nominal de placa dos aparelhos. Table 1.2: Potência média de alguns aparelhos eletrodomésticos Aparelho Potência (Watt) Ar condicionado 1600 Aspirador de pó 600 Cafeteira 500 Bóiler 1500 Chuveiro 5600 Enceradeira 350 Ferro de passar roupa 750 Forno de microondas 1200 Liqüidificador 350 Máquina de lavar louça 2700 Máquina de lavar roupa 500 Secador de cabelo 1000 Torneira elétrica 5600 Microcomputador 500 Som 100 Televisor 200 Ventilador 100 Refrigerador 300 Freezer 500 40 CHAPTER 1. GRANDEZAS ELÉTRICAS FUNDAMENTAIS Note que a unidade de medida de energia mecânica, J ou Nm, é a mesma que usaremos para o conjugado. Tratam-se, no entanto, de grandezas de naturezas diferentes, que não devem ser confundidas. 1 Nm = 1 J = 1 Ws Potência mecânica A potência mede a “velocidade” com que a energia é aplicada ou consumida, e se calcula dividindo a energia ou trabalho total pelo tempo gasto em realizá-lo. Assim, se usarmos um motor elétrico capaz de erguer o balde de água em 2,0 segundos, a potência necessária será: P1 = 245W Se usarmos um motor mais potente, com capacidade de realizar o trabalho em 1,3 segundos, a potência necessária será: P2 = 377W A unidade mais usual para medida de potência mecânica é o cv (cavalo-vapor), equivalente a 736W. Então as potências dos dois motores acima serão: P1 = 0, 33cv P2 = 0, 51cv 1.4.5 Conjugado O conjugado, também chamado torque, momento ou binário, é a medida do esforço necessário para girar um eixo. É sabido, pela experiência prática que, para levantar um peso por um processo semelhante ao usado em poços - a força F que é preciso aplicar à manivela depende do comprimento l da manivela. Quanto maior for a manivela, menor será a força necessária. Se dobrarmos o tamanho l da manivela, a força F necessária será diminúıda à metade. Se o balde pesa 20N e o diâmetro do tambor é 0,20m, a corda transmitirá uma força de 20N na superf́ıcie do tambor, isto é, a 0,10m do centro do eixo. Para contrabalançar esta força, precisam de 10N na manivela. Se o comprimento l for o dobro, isto é, 0,40m, a força F será a metade, ou seja 5N. Como vemos, para medir o ”esforço ”necessário para girar o eixo não basta definir a força empregada:é preciso também dizer a que distância do eixo a força é aplicada. O ”esforço ”é medido pelo conjugado, que é o produto da força pela distância, F × l . No exemplo citado, o conjugado vale: C = F r = 20N× 0, 10m = 10N× 0, 20m = 5N× 0, 40m = 2, 0Nm Relação entre conjugado e potência Quando a energia mecânica é aplicada sob a forma de movimento rotativo, a potência desenvolvida depende do conjugado C e da velocidade de rotação n. As relações são: Pmec = C × ω onde: C =conjugado em Nm F =força em N 1.5. RESUMO DE GRANDEZAS ELÉTRICAS 41 l =braço de alavanca em m r =raio da polia em m v= velocidade de giro no diâmetro d, em m/s d =diâmetro da peça em m n =rotação em rpm ω = velocidade angular, em rad/s. Medição do rendimento de um motor O motor elétrico absorve energia elétrica da linha e a transforma em energia mecânica dispońıvel no eixo. O rendimento define a eficiência com que é feita esta transformação. Chamando “Potência útil” Pu a potência mecânica dispońıvel no eixo e “Potência absorvida” Pa a potência elétrica que o motor retira da rede, o rendimento será a relação entre as duas, ou seja: η(%) = Pu Pa 100 Energia qúımica Podemos determinar o estado de uma bateria colocando-a em carga. Medição do rendimento de uma bateria De forma semelhante ao bóiler, mas neste caso precisamos calcular a quantidade de energia armazenada. A temperatura será correspondente à tensão da bateria? 1.4.6 Montagem de um mult́ımetro analógico para corrente cont́ınua Caracteŕısticas do instrumento BMIP Medição de tensão - volt́ımetro Ohmı́metro - medição de resistência 1.5 Resumo de grandezas elétricas V - Tensão elétrica (voltagem ou d.d.p.), em Volts (V) I - Intensidade de corrente elétrica (A) P - Potência elétrica (W) P = V I R - Resistência elétrica (Ω) R = V I com V fixa: P = V 2 R com I fixa: P = RI2 S - Seção do condutor (mm2) l - Comprimento de condutor, ida e volta, em metros (m) ρ - Resistividade ρCobre = 1/58Ω.mm2/m. ρAl = 1/36Ω.mm2/m. R = ρ l S W - Energia elétrica, em Joule ou kWh 1 kWh = 1000 Watts x 1 hora 42 CHAPTER 1. GRANDEZAS ELÉTRICAS FUNDAMENTAIS 1.6 Exerćıcios 1. Um condutor de cobre de 15.24 m de comprimento e 3.31 ×10−6 m2 de área de seção conduz uma corrente de 10 A. Calcular a resistência e a queda de tensão do condutor. Dados: Condutividade do cobre = 5.8 ×107(Ω.m)−1. 2. Um condutor de seção reta uniforme e 150 m de extensão acha-se sujeito a uma variação de tensão de 1.3 V e uma densidade de corrente de 4.653.31 ×105 A/m2. Qual a condutividade do material no condutor? 3. Quanto custa uma iluminação de 2 lâmpadas de 40 W durante 15 horas, se o preço do kWh é de R$ 0,09? Resposta: R$ 0.108 2.1. FORÇA ELETRO MOTRIZ E O CAMPO ELÉTRICO 45 Também foi conclúıdo que cargas de sinais opostos se atraem, enquanto aquelas que possuem o mesmo sinal se repelem. Um Coulomb (C) representa uma grande quantidade. Para manter um Coulomb positivo (+C) 1m de distância de um Coulomb negativo (-C) seria necessário uma força de 9 bilhões de Newtons. Uma nuvem eletricamente carregada t́ıpica pode caudar um raio que possui uma carga de 30 Coulombs. 2.1.4 Linhas de força O conceito de linhas de força foi introduzido pelo f́ısico inglês M. Faraday, no século passado, com a finalidade de representar o campo elétrico através de diagramas. Para que possamos compreender esta concepção de Faraday, suponhamos uma carga puntual positiva Q criando um campo elétrico no espaço em torno dela. Faraday imaginou que em cada ponto deste espaço temos um vetor , cujo módulo diminui à medida que nos afastamos da carga. Se a carga criadora do campo for uma carga puntual negativa, sabemos que o vetor , em cada ponto do espaço, estará dirigido para esta carga. No campo da carga positiva as linhas divergem a partir da carga e no campo de uma carga negativa as linhas convergem para a carga. De maneira semelhante, podemos traçar várias outras linhas de força do campo elétrico criado pela combinação de várias cargas, constituindo um capacitor. 2.1.5 Circuitos Elétricos São associações de componentes elétricos com a finalidade de transmitir controladamente a potência elétrica que lhes é aplicada. Os constituintes elementares do circuitos elétricos são chamados de componentes. São eles: Resistores: são componentes que fornecem uma resistência pré-determinada. Eles são constitúıdos por um pequeno cilindro de cerâmica em torno do qual é colocada uma fina camada de carvão, grafite ou uma mistura de carvão e boro. Nas extremidades do cilindro são colocados terminais de fio de cobre estanhado e então o resitor é coberto de uma camada protetora de esmalte epecial. Capacitores: são dispositivos capazes de armazenar energia elétrica sob forma estática. São con- stitúıdos por dois eletrodos condutores isolados por um dielétrico. Transformadores: constam de dois ou mais indutores acoplados por um mesmo circuito magnético. Geradores Elétricos: são dispositivos capazes de fornecer potência elétrica. Linhas de Transmissão: são dispositivos destinados ao transporte de potência elétrica sob a forma de ondas eletromagnéticas. Válvulas Eletrônicas: são dispositivos que consistem de dois ou mais eletrodos, mantidos em ambi- ente fechado, total ou parcialmente vacuofeito, entre os quais circulam correntes eletricamente controláveis pela excitação externa de um ou mais destes eletrodos. Foram quase que totalmente substitúıdas pelos transistores. Uma aplicação onde as válvulas predominam é em amplificadores para guitarras. E, ao contrário do que muita gente pensa, os guitarristas não preferem os amplificadores valvulados por terem estes uma resposta de freqüência mais extensa. Justamente o contrário! Os amplificadores valvulados para guitarras pouco tem a ver com os amplificadores valvulados para alta-fidelidade (hi-fi). Uma das razões da preferência dos guitarristas é que a distorção produzida pelas válvulas é mais suave (menos harmônicos ı́mpares). Alguns guitarristas chegam mesmo a usar apenas a distorção do amplificador, sem recorrer a distorcedores do tipo em pedal. Quanto às distorçoes ditas mais ”pesadas” (ou seja, com maior ganho), os amplificadores valvulados também proporcionam melhores resultados, pois sua resposta limitada em altas freqüências (combinada com o uso habitual de alto-falantes de 12 polegadas - sem tweeters) atenua um pouco as freqüências mais altas, ”limpando” (subjetivamente falando) o som. Transistores: são dispositivos simplificados basedos no comportamento elétrico de semicondutores. Eles são responsáveis pela amplificação dos sinais nos circuitos. Substituem as válvulas, hoje em dia, na 46 CHAPTER 2. O ‘MUNDO’ DAS INTERAÇÕES ELETROMAGNÉTICAS maioria das aplicações. 2.1.6 Capacitor O capacitor é um componente eletrônico capaz de armazenar e fornecer cargas elétricas. Ele é formado por duas placas paralelas, separadas por um material isolante, chamado dielétrico. Quando o ligamos a uma tensão fixa, momentaneamente passa por ele uma pequena corrente, até que suas placas paralelas fiquem carregadas. Uma fica com cargas negativas (elétrons) e outra com cargas positivas (falta de elétrons). Existem vários tipos de capacitores, e as principais diferenças estão nos valores e nas tensões elétricas suportadas. Um capacitor que vai ser ligado a uma tensão de 50 volts deve ser maior que outro de mesmo valor mas que vai ser ligado a uma tensão de apenas 10 volts. Um capacitor sofre ruptura do dielétrico quando é ligado a uma tensão mais elevada que a especificada. Em outras palavras, ele explode! O valor de um capacitor é chamado de capacitância. A grandeza usada para medi-la é o faraday, cujo śımbolo é F. O faraday é uma unidade muito grande para medir os capacitores da vida real. Um capacitor de 1F seria imenso. Encontramos na prática capacitores medindo algo da ordem de milésimos ou milionésimos do faraday. Por isso é mais comum usar o microfaraday ((F) para medir os capacitores. Um capacitor de 4700 (F, por exemplo, é considerado de tamanho relativamente grande para um circuito eletrônico. Ainda assim existem os chamados supercapacitores, que possuem capacitâncias da ordem de alguns faradays, entretanto não são empregados em circuitos eletrônicos devido ao seu grande tamanho. Os capacitores têm várias aplicações nos circuitos eletrônicos. Um das principais é a filtragem. Eles podem acumular uma razoável quantidade de cargas quando estão ligados a uma tensão. Quando esta tensão é desligada, o capacitor é capaz de continuar fornecendo esta mesma tensão durante um pequeno peŕıodo de tempo, funcionando portanto como uma espécie de bateria de curta duração. Em qualquer placa de circuito, encontramos pequenos capacitores ao lado de cada chip. São chamados de capacitores de desacoplamento. Uma das caracteŕıticas elétricas dos chips é que de um instante para outro podem aumentar substancialmente a quantidade de corrente consumida. A fonte de alimentação nem sempre tem condições de responder ao fornecimento de corrente com a rapidez necessária (em geral em bilionésimos de segundo), e o resultado é uma pequena queda de tensão próxima ao chip que está solicitando este aumento de corrente. O capacitor de desacoplamento tem condições de fornecer rapidamente a corrente elevada que o chip exige, dando tempo à fonte para se adaptar ao novo patamar de corrente. Os capacitores de desacoplamento funcionam portanto como pequenas baterias axiliares, ajudando a fonte de alimentação no fornecimento de corrente para os chips. Um capacitor não precisa necessariamente ter placas paralelas e um dielétrico. Qualquer objeto possui uma capacitância. O corpo humano, por exemplo, pode funcionar como um capacitor de baixo valor, mas ainda assim capaz de armazenar cargas elétricas. É o que chamamos de eletricidade estática. Capacitores também têm grandes aplicações em circuitos de rádio. Eles não permitem a passagem da corrente cont́ınua, já que seu dielétrico é um isolante, mas permitem a passagem de tensões alternadas. Como a corrente alternada trafega ora no sentido direto, ora no sentido inverso, um capacitor pode ora se carregar positivamente, ora negativamente, deixando que a corrente alternada o ”atravesse”. Quanto mais alta é a freqüência da corrente alternada, mais facilmente ela atravessa o capacitor. Eles podem assim ser usados como filtros, barrando as freqüências baixas e deixando passar as freqüências altas. Quando são necessárias capacitâncias elevadas, são utilizados capacitores eletroĺıticos de alumı́nio ou tântalo. Os capacitores eletroĺıticos de alumı́nio são muito usados em fontes de alimentação, em circuitos de som, rádio e TV, e até em placas de computador. Entretanto para as placas de computador é mais recomendável usar os capacitores de tântalo. Eles são mais caros, porém são mais duráveis e de menor tamanho. São muito usados em discos ŕıgidos e telefones celulares, mas também os encontramos sendo usa- dos como capacitores de desacoplamento do processador, nas placas de CPU. Infelizmente para economizar, muitos fabricantes de placas de CPU usam capacitores eletroĺıticos de alumı́nio, ao invés de tântalo. Isso poderia ser aceitável, se levassem em conta a vida útil do capacitor. Existem capacitores eletroĺıticos com 2.2. MAGNETISMO 47 duração de 10.000 horas, outros com 5.000 horas, outros com apenas 1.000 horas, que são mais baratos. Placas de CPU de baixo custo e baixa qualidade usam muitos componentes inadequados, sobretudo capac- itores de baixa qualidade. Placas de CPU feitas por fabricantes comprometidos com a qualidade utilizam capacitores de tântalo ou então eletroĺıticos de alumı́nio de longa duração. O capacitor, um descendente da Garrafa de Leyden, é um dispositivo capaz de armazenar trabalho elétrico ou estocar carga. Se uma carga Q é deslocada entre placas de metal a voltagem sobe para uma quantidade V . A medida utilizada para medir o quanto de carga um capacitor pode estocar é a Capacitância C, onde Q = C V A carga flui de um capacitor da mesma forma que na bateria, mas com uma diferença significante. Quando a carga deixa as placas do capacitor, não é posśıvel obter mais carga sem recarregar o dispositivo. Isso acontece devido o caráter conservativo da força elétrica. A energia liberada não pode exceder a energia estocada. Essa capacidade para realizar trabalho foi denominada de Potencial Elétrico. A energia elétrica W , em Joules, armazenada num capacitor é: W = 1 2 C V 2 onde V é a tensão instantânea entre os terminais do capacitor. Por exemplo, um capacitor de 10µF com 100V nos seus terminais terá a energia de W = 1 2 10× 10−6 104 = 5× 10−2 Joules Fazendo a transformação de Joule para kWh 1kWh = 3, 6× 106J, teŕıamos o valor de W = 5/3, 6× 10−8kWh. Mas como esta energia não pode ser convertida diretamente em trabalho (movimento, calor, luz, etc), ela é chamada de energia reativa de um circuito de corrente alternada (ver caṕıtulo espećıfico). Exemplo Num circuito de corrente alternada, a energia absorvida por um capacitor num determinado intervalo de tempo (meio peŕıodo) será devolvida para o circuito elétrico num outro intervalo de tempo (meio peŕıodo seguinte). A quantidade total de energia trocada de um capacitor com o circuito elétrico é denominada de energia reativa capacitiva. Normalmente, a leitura é feita a cada 30 dias. Ela é medida e expressa em kVArh (lê-se ‘ca-vê-A-erre-hora’). O śımbolo para esta energia é Q. No exemplo anterior, a energia reativa capacitiva armazenada e trocada com o circuito em meio peŕıodo é Q1/2T = 18 × 10−8kVArh. Para calcular o consumo mensal basta multiplicar pelo número de peŕıodos de um mês. Então: Q = 5/3, 6× 10−8 × 30× 24× 3600× 60 = 2, 16 kVArh 2.2 Magnetismo Nesta seção, estudaremos o circuito magnético com ı́mãs, sem envolver corrente. O mais antigo livro de Medicina que se conhece, escrito cerca de 1000 anos antes de Cristo - o ”Livro de Medicina Interna do Imperador Amarelo” - faz referência ao uso do magnetismo nas artes da cura. Há evidências, em obras hindus, eǵıpcias e persas, de que as propriedades da magnetita eram conhecidas mesmo em épocas ainda mais remotas. 50 CHAPTER 2. O ‘MUNDO’ DAS INTERAÇÕES ELETROMAGNÉTICAS Figure 2.1: Ampeŕımetro de ferro móvel. Por causa dessa ação, uma das pontas da pedra era chamada norte e a outra, sul. Notaram também que pólos de mesmo nome se repelem e de nomes contrários se atraem. Como a força de atração e repulsão variava com a posição dos ı́mãs, onde existiam linhas em que a força era constante, Faraday imaginou as linhas de força. Todo o espaço onde elas existem chamamos de campo magnético. Essas linhas atravessam todo o espaço e qualquer corpo que esteja em seu caminho. Atenção meu jovem: você está sendo atravessado por linhas de força! Quando o corpo é magnético elas mudam de direção. As linhas de força do campo magnético saem do pólo norte e chegam no pólo sul. 2.2.3 Um ı́mã num campo magnético - medidor de ferro móvel O objetivo desta experiência é demonstrar a força magnética entre dois metais imantados, e destacar o prinćıpio de funcionamento dos medidores de ferro móvel. Vamos ver também que a passagem da corrente pela bobina produz um campo magnético. Colocam-se dois cilindros de ferro doce A e B colocados no interior da bobina C de secção 3x5x6 cm. O cilindro A tem um orif́ıcio na sua região central, por onde passa um cordel cujas extremidades estão amarradas nos cilindros B e D. Observe que, quando B se afasta de A, o contra-peso D sobe dentro do tubo de ensaio (que é fixo numa prancheta com escala). O esquema mecânico poderia ter um contrapeso para compensar o atrito. Ao passar corrente elétrica pela bobina, os cilindros imantam-se com polaridades iguais em cada ex- tremo, por isso, repelem-se. A força de repulsão é proporcional à intensidade da corrente elétrica. Podemos aferir a posição do contra-peso D para indicar tais valores de correntes. Esse ampeŕımetro de ferro móvel 2.2. MAGNETISMO 51 Figure 2.2: Ímã permanente inserido num circuito magnético funciona tanto com AC como com DC. 2.2.4 Força magneto motriz - Pólos magnéticos Já vimos que uma carga elétrica com um campo elétrico E ao seu redor fica sujeita a uma força elétrica. Podemos fazer uma analogia com o magnetismo, afirmando que: Quando uma carga magnética estiver sujeita a uma campo magnético H vai sofrer uma força magnética. As cargas magnéticas são denominadas pólos magnéticos. O comportamento dos materiais magnéticos em um campo magnético externo é determinado pela origem de seus dipolos magnéticos e pela natureza da interação entre eles. Os dipolos magnéticos têm origem no momento angular orbital e no spin dos elétrons nos ı́ons ou étomos que formam a matéria. Todo pólo magnético imerso num campo magnético sofre a ação de uma força magnética. 2.2.5 Fluxo magnético Na figura 2.2 observa-se os śımbolos de algumas variáveis, que definiremos como: lm - comprimento do caminho magnético [m]; Sm - seção do circuito magnético [m2]; φ - fluxo magnético [Wb]; Γ - força magneto motriz [A]; R - relutância magnética [A/Wb] ou [1/H] φ = Γ R 52 CHAPTER 2. O ‘MUNDO’ DAS INTERAÇÕES ELETROMAGNÉTICAS 2.2.6 Indução ou densidade de fluxo magnético Enquanto ~H é relacionado com a corrente que cria o campo ou a força magneto motriz, ~B depende da força magneto motriz e da magnetização ou permeabilidade magnética do meio. B = Γ Sm B - indução magnética ou densidade de fluxo em Weber/m2 [T] (Tesla). 2.2.7 Campo magnético O campo magnético H, em [A/m], é: H = Γ lm Os fenômenos magnéticos podem ser expressos por duas grandezas: a) o fluxo magnético φ ou o vetor indução magnética ~B, conhecido como densidade de fluxo; e, b) a força magneto motriz ou o vetor intensidade de campo magnético ~H. 2.2.8 Permeabilidade magnética É uma das mais importantes propriedades dos materiais elétricos. Ela está associada com a indutância elétrica. A indutância L, e sua unidade Henry [H] será vista ainda neste caṕıtulo.. µ = µ0 µr µ - permeabilidade magnética [H/m]; µ0 - permeabilidade absoluta, do ar e de materiais não ferromagnéticos (cobre, alumı́nio, etc); µ0 = 4π × 10−7H/m µr - permeabilidade relativa, que está na faixa de 1000 para o Ferro. 2.2.9 Relutância magnética A relutância magnética é inversamente proporcional à permeabilidade, e é dada pela equação: R = 1 µ lm Sm A tabela 2.1 apresenta a analogia de circuito elétrico e magnético. 2.3 Eletro + magnetismo = interação entre os campos Vimos, nestes dois primeiros caṕıtulos, estudamos dois circuitos separados: 1. Circuito elétrico - o campo elétrico ou a f.e.m. (criado por cargas elétricas) exerce uma força sobre ı́ons ou elétrons livres, que os coloca em movimento, denominada de corrente elétrica. A resistência a esse fluxo de cargas foi chamada de resistência elétrica. 2. Circuito magnético - o campo magnético gerado por um ı́mã atua sobre ı́mãs. A f.m.m., a relutância e a quantidade de fluxo magnético formam o circuito magnético básico. Agora, vamos ver como se interagem estes dois sistemas. 2.3. ELETRO + MAGNETISMO = INTERAÇÃO ENTRE OS CAMPOS 55 por meio de um campo magnético. As experiências iniciais para demonstrar tal efeito não foram bem sucedidas porque a prinćıpio não se sabia que os fluxos magnéticos estacionários não induzem qualquer fluxo de energia magnética (f.e.m) ou fluxo de corrente num circuito (f.c.c). somente por volta de 1831 descobriu-se que uma corrente elétrica poderia ser gerada magneticamente, mas que tal efeito é observado apenas quando o fluxo magnético através do circuito varia com o tempo. Este efeito é referido como indução eletromagnética, e as correntes e f.e.m. induzida. A indução eletromagnética foi descoberta de forma independente e praticamente simultânea pelo f́ısico britânico Michael Faraday (1791 - 1867) e por Joseph Henry (1797 - 1878), que foi o primeiro de uma longa série de f́ısicos americanos de renome. Ambos observaram que quando uma corrente que varia no tempo flui num dado circuito, o próprio campo magnético do circuito atua para induzir uma f.e.m. neste mesmo circuito, cujos efeitos são oposto à f.e.m. externa que faz a corrente variar em primeiro lugar. Este efeito é geralmente chamado de auto - indução. Eles estudaram também as f.e.ms. e as f.e.m. menor, que variasse com o tempo, numa bobina próxima e acharam que as f.e.ms. muito grandes, induzidas, poderiam ser excitadas numa bobina que tivesse um grande numero de voltas de fios, por uma f.e.m. menor, que variasse com o tempo, numa bobina que consistisse de relativamente poucas voltas. Deste modo, eles constrúıram as primeiras bobinas de indução, as contrapartes precisas das usadas nos carros movidos a gasolina para excitar as velas, e inventaram os prinćıpios sobre as quais o transformador opera. A f́ısica básica que constituiu o fundamento de força eletromotrizes e corrente induzidas através da variação de fluxo magnético pode ser entendida considerando-se exemplo onde estão sujeitos a fluxo magnéticos que varia com o tempo. Os resultados experimentais de faraday e Henry, no que diz respeito a produção de f.e.m. e correntes induzidas, podem ser resumidos na seguinte observação: sempre que há um fluxo magnético que varia com o tempo através de um circuito, uma f.e.m é induzida no circuito, sendo o modulo desta diretamente proporcional à taxa de variação do fluxo magnético em relação ao tempo. Essa definição é conhecida como lei de indução de Faraday. As origens do campo magnético podem ser: a) Pólos magnéticos b) Cargas elétricas em movimento, que é uma corrente elétrica. Uma corrente elétrica cria um campo magnético H, e um fluxo magnético variável cria um campo elétrico E. Prinćıpio de funcionamento dos alternadores Todo dispositivo cuja finalidade é produzir energia elétrica à custa de energia mecânica constitui uma máquina geradora de energia elétrica. O funcionamento dessas máquinas se baseia na indução eletro- magnética (como no caso do disco de Faraday). Nas aplicações industriais a energia elétrica provém quase exclusivamente de geradores mecânicos cujo prinćıpio é o fenômeno da indução eletromagnética (e dos quais o disco de Faraday é um simples precursor); os geradores mecânicos de corrente alternada são também de- nominados alternadores; os geradores mecânicos de corrente cont́ınua são também denominados d́ınamos. Vale, desde já, notar que: “d́ınamo” de bicicleta não é d́ınamo e sim ‘alternador’. Numa máquina elétrica (seja gerador ou motor), distinguem-se essencialmente duas partes, a saber: o estator, conjunto de órgãos ligados rigidamente à carcaça e o rotor, sistema ŕıgido que gira em torno de um eixo apoiado em mancais fixos na carcaça. Sob ponto de vista funcional distinguem-se o indutor, que produz o campo magnético, e o induzido que engendra a corrente induzida. No d́ınamo o rotor é o induzido e o estator é o indutor; nos alternadores dá-se geralmente o contrário. A corrente induzida produz campo magnético que, em acordo com a Lei de Lenz, exerce forças contrárias à rotação do rotor; por isso em d́ınamos e alternadores, o rotor precisa ser acionado mecani- camente. O mesmo conclúımos do Prinćıpio de Conservação da Energia: a energia elétrica extráıda da máquina, acrescida de eventuais perdas, é compensada por suprimento de energia mecânica. 56 CHAPTER 2. O ‘MUNDO’ DAS INTERAÇÕES ELETROMAGNÉTICAS Figure 2.5: Curva de Fluxo e f.e.m. induzida na bobina em um alternador, em um peŕıodo T . É a variação de fluxo que induz uma f.e.m. O fluxo varia enquanto aumenta ou diminui. Quando o fluxo é máximo, ele não varia; a FEM induzida é nula; a corrente é nula e muda de sentido. O campo magnético produzido pela corrente induzida exerce no ı́mã forças contrárias a sua rotação. Observe-se que enquanto o fluxo é uma senóide defasada de 180 graus, a f.e.m. induzida é cossenoidal. Força eletro motriz induzida E Consideremos uma espira plana de forma qualquer, abrangendo uma área A; seja λ uma reta no plano desta espira. Introduzamos a espira em um campo de indução B uniforme, dispondo a retaλ perpendicularmente ao campo B. Façamos a espira girar em torno da reta λ como eixo, com velocidade angular ω constante. Determinemos a força eletromotriz induzida na espira girante. Adotemos como origem dos tempos um dos instantes em que a normal n à espira forma com o campo de indução B ângulo igual a um reto, passando de agudo para obtuso. Assim, o fluxo de indução na espira em qualquer instante é dado por: φ = BA cos(ωt + π/2) = −B A sen ωt Sendo E = ωB A cos ωt Se a espira for substitúıda por uma bobina de N espiras, a força eletromotriz induzida é: E = N ωB A cos ωt Como vemos, esta força eletromotriz induzida obedece a uma lei harmônica cuja amplitude é: E = N ωB A 2.4. GERADORES ELÉTRICOS 57 Figure 2.6: F.e.m. induzida em função do tempo Em função do tempo, a força eletromotriz induzida tem a representação cartesiana dada na ilustração acima (figura da direita). A mudança de sinal da força eletromotriz significa fisicamente que ela muda de polaridade, impulsionando uma corrente elétrica ora em um sentido, ora em sentido oposto. Uma força eletromotriz que muda de polaridade periodicamente é designada como força eletromotriz alternante; no caso presente, trata-se de uma força eletromotriz alternante harmônica. A força eletromotriz que impele a corrente em nossas instalações elétricas domiciliares é do tipo alter- nante harmônica; em São Paulo, a força eletromotriz eficaz é igual a 110 volts (oportunamente daremos detalhes disso). Um exemplo numérico virá bem a calhar: Uma leve moldura de fibra, retangular, de área A = 0,01 m2 funciona como carretel onde se enrolam N = 42 espiras de fio de cobre esmaltado. Esse quadro é posto a girar com freqüência f = 60 Hz (r.p.s.) em um campo de indução uniforme de intensidade E = 1,00 Wb/m2 (ou, o mesmo que, 1,00 tesla). Reporte-se à ilustração acima. Determinar a lei de variação da força eletromotriz induzida, em função do tempo. Solução: A velocidade angular do quadro é: ω = 2πf = 377 rad/s , aproximadamente. Aplicando a equação E = N ωB A cos ωt resulta: E = 158 cos 377 t sendo E em volts e t em segundos. 2.4 Geradores elétricos 2.4.1 Alternadores Os aparelhos eletrodomésticos são constrúıdos para funcionarem sob tensão alternada de 110 V, 60 Hz, devem ser submetidos a uma tensão que obedece, aproximadamente, a lei supra. Para intensificar o fenômeno, as espiras do rotor são dispostas sobre um núcleo de ferro, cujo efeito consiste em elevar o fluxo de indução concatenado com o quadro. Os terminais do quadro são soldados a “anéis coletores”; estes anéis são metálicos, presos rigidamente ao eixo mas eletricamente isolados do mesmo; em cada anel apóia-se uma “escova”, corpo sólido e condutor (geralmente de grafite), comprimido elasticamente contra o anel, de modo a garantir bom contato elétrico do mesmo; as escovas estão presas a um suporte isolante; a elas liga-se a parte externa do circuito. 60 CHAPTER 2. O ‘MUNDO’ DAS INTERAÇÕES ELETROMAGNÉTICAS distribuição com um valor de tensão adequado, tendo em vista seu melhor rendimento. Esse valor depende das caracteŕısticas do próprio gerador, enquanto a tensão que alimenta os aparelhos consumidores, por razões de construção e, sobretudo de segurança, tem valor baixo, nos limites de algumas centenas de volts (em geral, 110V ou 220V). Isso significa que a corrente, e principalmente a tensão fornecida variam de acordo com as exigências. Nas linhas de transmissão a perda de potência por liberação de calor é proporcional à resistência dos condutores e ao quadrado da intensidade da corrente que os percorre (P = R I2). Para diminuir a resistência dos condutores seria necessário usar fios mais grossos, o que os tornaria mais pesados e o transporte absurdamente caro. A solução é o uso do transformador que aumenta a tensão, nas sáıdas das linhas da usina, até atingir um valor suficientemente alto para que o valor da corrente desça a ńıveis razoáveis (P = U.i). Assim, a potência transportada não se altera e a perda de energia por aquecimento nos cabos de transmissão estará dentro dos limites aceitáveis.Na transmissão de altas potências, tem sido necessário adotar tensões cada vez mais elevadas, alcançando em alguns casos a cifra de 400.000 volts. Quando a energia elétrica chega aos locais de consumo, outros transformadores abaixam a tensão até os limites requeridos pelos usuários, de acordo com suas necessidades. Existe uma outra classe de transformadores, igualmente indispensáveis, de potência baixa. Eles estão presentes na maioria dos aparelhos elétricos e eletrônicos encontrados normalmente em casa, tais como, por exemplo, computador, aparelho de som e televisor. Cabe-lhes abaixar ou aumentar a tensão da rede doméstica, de forma a alimentar convenientemente os vários circuitos elétricos que compõem aqueles aparelhos. Os transformadores têm muitas outras aplicações. São usados por exemplo como isoladores da linha telefônica em modems. Eles protegem (até certo ponto) o modem de eventuais sobretensões na linha telefônica. Pelo fato de terem uma indutância, eles também atuam como filtros de rúıdos. 2.5.1 Modelo de transformador Esse experimento é recomendado para ser trabalhado em aula, por todos os professores de eletricidade e eletromagnetismo. Tem por objetivo evidenciar o prinćıpio de funcionamento dos transformadores. Construa duas bobinas toroidais, ambas com fio de cobre esmaltado #24; uma com 200 a 300 espiras e a outra com 100 a 150 espiras. A bobina grande leva, em série, um soquete para lâmpada incandescente comum. Ligue o cordão de força na tomada elétrica domiciliar e observe o brilho da lâmpada pequena. Faça essa observação usando no soquete comum lâmpada de 40W, 60W, 100W e 200W. Não demore demasiado nessas observações para evitar aquecimento exagerado na bobina grande. Coloque a bobina pequena dentro da bobina grande, ajustando bem. Aos terminais A e B da bobina pequena ligue uma lâmpada para 6V (usadas em lanternas de 4 pilhas). Sempre é bom dispor de soquete para tal lâmpada para facilitar as ligações e as trocas. Na falta dele, basta soldar as extremidades dos fios A e B (devidamente lixadas) aos terminais da lâmpada. Varie a posição relativa entre as duas bobinas e verifique a tensão no terminais da bobina menor. A relação entre as duas bobinas é chamada de indutância mútua. Depois, no interior do conjunto passe um feixe de lâminas de ferro-siĺıcio. Repita todo o procedimento anterior para essa nova situação ... núcleo de ferro dentro das bobinas. Se as lâminas envolvem as bobinas e, com isso, ocorre maior concentração das linhas de indução, aumentando a corrente induzida no secundário (bobina menor). Repita todo o procedimento anterior novamente, observando o brilho da lampadinha. Troque a lâmpada (40W, 60W, 100W e 200W) em cada observação. 2.5.2 Prinćıpio de funcionamento O prinćıpio básico de funcionamento de um transformador é o fenômeno conhecido como indução eletro- magnética: quando um circuito é submetido a um campo magnético variável, aparece nele uma corrente elétrica cuja intensidade é proporcional às variações do fluxo magnético. Os transformadores, na sua 2.5. TRANSFORMADORES 61 Figure 2.10: Duas bobinas para montagem de um transformador. forma mais simples, consistem de dois enrolamentos de fio (o primário e o secundário), que geralmente en- volvem os braços de um quadro metálico (o núcleo). Uma corrente alternada aplicada ao primário produz um campo magnético proporcional à intensidade dessa corrente e ao número de espiras do enrolamento (número de voltas do fio em torno do braço metálico). Através do metal, o fluxo magnético quase não encontra resistência e, assim, concentra-se no núcleo, em grande parte, e chega ao enrolamento secundário com um mı́nimo de perdas. Ocorre, então, a indução eletromagnética: no secundário surge uma corrente elétrica, que varia de acordo com a corrente do primário e com a razão entre os números de espiras dos dois enrolamentos. A relação entre as voltagens no primário e no secundário, bem como entre as correntes nesses enro- lamentos, pode ser facilmente obtida: se o primário tem Np espiras e o secundário Ns, a voltagem no primário (Vp) está relacionada à voltagem no secundário (Vs) por Vp/Vs = Np/Ns e as correntes por Ip/Is = Ns/Np Desse modo um transformador ideal (que não dissipa energia), com cem espiras no primário e cinqüenta no secundário, percorrido por uma corrente de um ampère, sob 110 volts, fornece no secundário, uma corrente de dois ampères sob 55 volts. 2.5.3 Transformador Ideal Em muitos aspectos, um transformador ideal é um modelo excelente para um transformador com um núcleo de ferro. Os transformadores de potência, os que são usados na distribuição dos sistemas elétricos de potencia, são transformadores com núcleo de ferro. Sendo um modelo, um transformador ideal é uma conveniente aproximação do real. As aproximações feitas são uma resistência zero dos enrolamentos, perdas zero no núcleo e uma permeabilidade infinita do núcleo. Sendo que os enrolamentos têm uma resistência zero, um transformador ideal não tem perdas ôhmicas nos enrolamentos (perdas IR) nem quedas resistivas de tensão. A segunda propriedade, perdas zero no núcleo, significa que não existem perdas de potencia no núcleo - sem histerese ou corrente parasitas. E desde que não existam perdas de potencia em ambos os enrolamentos, não existe perdas de potencia no transformador ideal - a potencia de sáıda é igual à potencia de entrada. A terceira e última consideração, permeabilidade infinita do núcleo, significa que nenhuma 62 CHAPTER 2. O ‘MUNDO’ DAS INTERAÇÕES ELETROMAGNÉTICAS corrente é necessária para estabelecer o fluxo magnético que produz as tensões induzidas. Isto também significa que todo o fluxo magnético é confinado ao núcleo, acoplado os enrolamentos. Todos o fluxo é mutuo, e não existe fluxo de dispersão, que é o fluxo que acopla apenas um enrolamento. 2.5.4 Perdas no transformador Graças às técnicas com que são fabricados, os transformadores modernos apresentam grande eficiência, per- mitindo transferir ao secundário cerca de 98% da energia aplicada no primário. As perdas - transformação de energia elétrica em calor - são devidas principalmente à histerese, às correntes parasitas e perdas no cobre. 1. Perdas no cobre. Resultam da resistência dos fios de cobre nas espiras primárias e secundárias. As perdas pela resistência do cobre são perdas sob a forma de calor e não podem ser evitadas. 2. Perdas por histerese. Energia é transformada em calor na reversão da polaridade magnética do núcleo transformador. 3. Perdas por correntes parasitas. Quando uma massa de metal condutor se desloca num campo magnético, ou é sujeita a um fluxo magnético móvel, circulam nela correntes induzidas. Essas correntes produzem calor devido às perdas na resistência do ferro. 2.5.5 Autotransformador Um autotransformador é um transformador com um único enrolamento que tem um terminal intermediário dividindo o enrolamento em duas seções. Para entender o funcionamento do autotransformador , considere as duas seções como sendo os dois enrolamentos de um transformador de potencia. Considere um transformador de potencia de 50 kVA que tem uma relação de tensão de 10000V/200V. A partir do kVA e da tensão, a corrente de carga do enrolamento da maior tensão é 50000VA/ 10000V = 5A, e do enrolamento de menor tensão é 50000VA / 200V = 250 A. Tal transformador com carga máxima com seu enrolamento conectado ao terminal sem ponto do outro enrolamento. O circuito secundário de 10000 V pode ser carregado com no máximo 250 + 5 = 255 A sem que um dos enrolamentos tenha uma corrente de sobrecarga. Sendo que a corrente da fonte é 250 A, o transformador pode fornecer 10200 x 255 = 2550kVA. Isto pode ser também determinado pelo circuito do secundário: 10000 x 255 = 2550 kVA. Na verdade, a conexão como autotransformador teve um aumento na potência de 50 para 2550 kVA. A explicação para esse aumento é que o transformado e original de 50 kVA não tem conexão metálica entre os dois enrolamentos, e então o 50 kVA devem ser transmitidos através do transformador pelo acopla- mento magnético. Mas com os enrolamento conectados para fornecer a operação de auto - transformação, existe uma conexão metálica entre os dois enrolamentos que transmite 2550 - 50 = 2500 kVA sem ser transformada magneticamente. Assim, essa conexão metálica é que fornece o aumento de kVA. Embora vantajoso a esse respeito, tal conexão destrói a propriedade de isolação dos transformadores convencionais, o significa que a auto - transformação não pode ser aplicada em qualquer transformador. Em geral, quando mais próximo os ńıveis de tensão, maior o aumento na taxa de KVA. Este é o motivo de os autotransformadores serem usados na conexão entre sistemas usuais de potencia apenas se os sistemas operam com ńıveis próximos de tensão. 2.7. RESUMO 65 Seriam elétrons girando ao redor do núcleo? Podemos imaginar que seja assim, embora hoje sabemos que os elétrons não giram ao redor do núcleo! A resposta para a causa do magnetismo natural é dada pela Mecânica Quântica. E quanto ao magnetismo da Terra? Haverá correntes elétricas no interior do planeta? Se houver, como foram iniciadas e como se mantêm? Ou existirá talvez um grande ı́mã permanente enterrado nas profundezas? Será uma enorme pedra de magnetita ou um descomunal bloco de ferro? E como isso foi parar lá? Parece que a tentativa de responder algumas perguntas faz aparecer muitas outras. 66 CHAPTER 2. O ‘MUNDO’ DAS INTERAÇÕES ELETROMAGNÉTICAS Chapter 3 Riscos e segurança em eletricidade A saúde é o que interessa, o resto não tem pressa. (Chico Ańısio) A eletricidade é vital na vida moderna e é desnecessário ressaltar sua importância, quer propiciando conforto aos nossos lares, quer atuando como insumo nos diversos segmentos da economia. Por outro lado o uso da eletricidade exige do consumidor a aplicação de algumas precauções em virtude do risco que a eletricidade representa. Muitos não sabem, desconhecem ou desconsideram este risco. Os acidentes ocor- ridos com eletricidade, no lar e no trabalho, são os que ocorrem com maior freqüência e comprovadamente os que trazem as mais graves conseqüências. As normas de segurança estabelecem que pessoas devem ser informadas sobre os riscos a que se expõem, assim como conhecer os seus efeitos e as medidas de segurança aplicáveis. No dia a dia, seja no lar ou na indústria a maior preocupação sem dúvida é com o choque elétrico, visto que este é o tipo de acidente que ocorre com maior freqüência . Incêndios e explosões causados pela eletricidade são sinistros que ocorrem com menor freqüência. É importante alertar que os riscos do choque elétrico e os seus efeitos estão diretamente ligados aos valores das tensões (Voltagens) da instalação, e é bom lembrar que apenas altas tensões provocam grandes lesões. Mas por um outro lado existem mais pessoas expostas à baixa tensão do que às altas tensões e que leigos normalmente não se expõem às altas, proporcionalmente podemos considerar que as baixas tensões são as mais perigosas. O maior risco no trabalho com a eletricidade é o contato direto, que pode ser definido como o ocorrido quando uma pessoa tem acesso a alguma parte energizada de uma instalação, provocando uma passagem de corrente através do corpo, uma vez que este é condutor e fecha um curto-circuito entre a massa e a terra. O que torna a eletricidade mais perigosa do que outros riscos f́ısicos como o calor, o frio e o rúıdo é que ela só é sentida pelo organismo quando o mesmo está sob sua ação. Para quantificar melhor os riscos e a gravidade do problema apresentamos alguns dados estat́ısticos : - 43% dos acidentes ocorrem na residência - 30% nas empresas - 27% não foram especificados. 3.1 Componentes elétricos Para projetar ou executar instalações e equipamentos eétricos com segurança, é fundamental conhecer os principais componentes elétricos e eletrônicos. 67 70 CHAPTER 3. RISCOS E SEGURANÇA EM ELETRICIDADE que outro que opere com menor corrente e temperatura durante 24 horas do dia, e ainda ter a mesma expectativa de vida, em anos. A forte influência da temperatura e da sobretemperatura dos condutores na expectativa de vida útil da isolação é expressa pela regra de Arrhenius, segundo a qual, para cada classe de temperatura, cada 8 oC ou 10 oC corresponde uma expectativa de dobrar ou reduzir pela metade a vida do sistema isolante. 3.2 Linhas ou condutos elétricos Uma linha elétrica é o conjunto constitúıdo por um ou mais condutores, com os elementos de fixação ou suporte e, se for o caso, de proteção mecânica, destinado a transportar energia elétrica ou a transmitir sinais elétricos. O termo corresponde ao inglês wiring system e ao francês canalization. Formas de instalação de condutores elétricos: Aéreos - recomenda-se os cabos Multiplex. Em eletrodutos - os mais usados são os eletrodutos ŕıgidos de PVC. Em condições especiais utiliza-se Ferro galvanizado, alumı́nio, ou outro material. Segundo a NBR5410, denomina-se Linha B1 a eletrodutos embutidos em alvenaria. Em canaletas ou bandejas plásticas ou metálicas - muito utilizadas na indústria, devido à sua facilidade de manutenção. Em dutos subterrâneos - normalmente são percorridos por cabos multipolares. Em espaços de construção - é um espaço existente na estrutura de um prédio, acesśıvel apenas em certos pontos e no qual são instalados os condutores diretamente ou contidos em eletrodutos. Os exemplos mais comuns são forros falsos, pisos técnicos, pisos elevados, paredes duplas e espaço no interior de divisórias. 3.3 Condutores Num condutor elétrico normal, o dado mais importante é a corrente máxima que ele pode suportar de uma maneira cont́ınua. Para um mesmo tipo de condutor (cobre, alumı́nio, ...), tudo depende da seção condutora (expressa em miĺımetros quadrados) que determina a resistência elétrica e o limite para a passagem da corrente. A corrente nominal é a corrente que o condutor pode agüentar indefinidamente, sem alcançar tem- peraturas perigosas. Para escolher corretamente, é essencial saber ler as especificações publicadas pelo fabricante. 3.4 O choque elétrico Choque elétrico é o conjunto de perturbações de natureza e efeitos diversos, que se manifestam no or- ganismo humano ou animal, quando este é percorrido por corrente elétrica. As manifestações relativas ao choque elétrico dependendo das condições e intensidade da corrente, podem ser desde uma ligeira contração superficial até uma violenta contração muscular que pode provocar a morte. Até chegar de fato à morte existem estágios e outras conseqüências que veremos adiante. Os tipos mais prováveis de choque elétrico são aqueles que a corrente elétrica circula da palma de uma das mãos à palma da outra mão, ou da palma da mão até a planta do pé.Existem 3 categorias de choque elétrico: 3.4.1 Choque produzido por contato com circuito energizado Aqui o choque surge pelo contato direto da pessoa com a parte energizada da instalação, o choque dura enquanto permanecer o contato e a fonte de energia estiver ligada. As conseqüências podem ser pequenas contrações ou até lesões irreparáveis. 3.5. EFEITOS DA ELETRICIDADE NO CORPO HUMANO 71 3.4.2 Choque produzido por contato com corpo eletrizado Neste caso analisaremos o choque produzido por eletricidade estática, a duração desse tipo de choque é muito pequena, o suficiente para descarregar a carga da eletricidade contida no elemento energizado. Na maioria das vezes este tipo de choque elétrico não provoca efeitos danosos ao corpo, devido a curt́ıssima duração. 3.4.3 Choque produzido por raio (Descarga Atmosférica) Aqui o choque surge quando acontece uma descarga atmosférica e esta entra em contato direto ou indireto com uma pessoa, os efeitos desse tipo de choque são terŕıveis e imediatos, ocorre casos de queimaduras graves e até a morte imediata. 3.4.4 Avaliação do choque elétrico Para avaliação da corrente elétrica que circula num circuito vamos utilizar a Lei de Ohm, que estabelece o seguinte : I = V/R onde: I = Corrente em Ampéres V = Tensão ou voltagem, em Volts R = Resistência, em Ω. A Lei de Ohm estabelece que a intensidade da corrente elétrica que circula numa carga é tão maior quanto maior for a tensão, ou menor quanto menor for a tensão. No caso do choque elétrico o corpo humano participa como sendo uma carga, o corpo humano ou animal é condutor de corrente elétrica, não só pela natureza de seus tecidos como pela grande quantidade de água que contém.O valor a resistência em Ohms do corpo humano varia de individuo para individuo, e também varia em função do trajeto percorrido pela corrente elétrica. A resistência elétrica média do corpo humano medida da palma de uma das mãos à palma da outra, ou até a planta do pé é da ordem de 1300 a 3000 Ω, de acordo com a Lei de Ohm, e com base no valor da resistência do corpo humano podemos avaliar a intensidade da corrente elétrica produzida por um choque elétrico, isso serve de análise dos efeitos provocados pela corrente elétrica em função de sua intensidade. 3.5 Efeitos da Eletricidade no Corpo Humano Ao passar pelo corpo humano a corrente elétrica danifica os tecidos e lesa os tecidos nervosos e cerebral, provoca coágulos nos vasos sangǘıneos e pode paralisas a respiração e os músculos card́ıacos. A corrente elétrica pode matar imediatamente ou pode colocar a pessoa inconsciente, a corrente faz os músculos se contráırem a 60 ciclos por segundo, que é a freqüência da corrente alternada usada no Brasil. A sensibilidade do organismo a passagem de corrente elétrica inicia em um ponto conhecido como Limiar de Sensação e que ocorre com uma intensidade de corrente de 1mA para corrente alternada e 5mA para corrente cont́ınua. Pesquisadores definiram 3 tipos de efeitos manifestados pelo corpo humano quando da presença de eletricidade. a) Efeito Limiar de Sensação (Percepção) O corpo humano começa a perceber a passagem de corrente elétrica a partir de 1 mA. b) Efeito Limiar de Não Largar Está associado às contrações musculares provocadas pela corrente elétrica no corpo humano, a corrente alternada a partir de determinado valor, excita os nervos provocando contrações musculares permanentes, 72 CHAPTER 3. RISCOS E SEGURANÇA EM ELETRICIDADE com isso cria se o efeito de agarramento que impede a v́ıtima de se soltar do circuito, a intensidade de corrente para esse limiar varia entre 9 e 23 mA para os homens e 6 a 14 mA para as mulheres. c) Efeito Limiar de Fibrilação Ventricular O choque elétrico pode variar em função de fatores que interferem na intensidade da corrente e nos efeitos provocados no organismo, os fatores que interferem são : - Trajeto da corrente elétrica no corpo humano - Tipo da corrente elétrica - Tensão nominal - Intensidade da corrente - Duração do choque elétrico - Resistência do circuito - Freqüência da corrente 3.5.1 Trajeto da corrente elétrica no corpo humano O corpo humano é condutor de eletricidade e sua resistência varia de pessoa para pessoa e ainda depende do percurso da corrente. A corrente no corpo humano sofrerá variações conforme for o trajeto percorrido e com isso provocará efeitos diferentes no organismo, quando percorridos por corrente elétrica os órgãos vitais do corpo podem sofrer agravamento e até causar sua parada levando a pessoa a morte. 3.5.2 Tipo da corrente elétrica O corpo humano é mais senśıvel a corrente alternada do que á corrente continua, os efeitos dests no organ- ismo humano em geral são os mesmos, passando por contrações simples para valores de baixa intensidade e até resultar em queimaduras graves e a morte para valores maiores. Existe apenas uma diferença na sensação provocada por correntes de baixa intensidade; a corrente continua de valores imediatamente su- periores a 5 mA que é o Limiar de Sensação, cria no organismo a sensação de aquecimento ao passo que a corrente alternada causa a sensação de formigamento, para valores imediatamente acima de 1 mA. 3.5.3 Tensão nominal A tensão nominal de um circuito é a tensão de linha pela qual o sistema é designado e à qual são referidas certas caracteŕısticas operacionais do sistema.De acordo com os padrões atuais norte-americanos, as tensões nominais dos sistemas são classificadas em : - Baixa tensão: 0 V a 1000 V - Média tensão: 1.000 V a 72.500 V - Alta tensão: 72.500 V a 242.000 V - Extra alta tensão: 242.000 V a 800.000 V Partindo das premissas que os efeitos danosos ao organismo humano são provocados pela corrente e que esta pela Lei de Ohm é tanto maior quanto maior for a tensão, podemos concluir que os efeitos do choque são mais graves à medida que a tensão aumenta, e pela mesma Lei de Ohm quanto menor a resistência do circuito maior a corrente, portanto conclúımos que não existem valores de tensões que não sejam perigosas.Para condições normais de influências externas, considera se perigosa uma tensão superior a 50 Volts, em corrente alternada e 120 Volts em corrente continua, o corpo humano possui em média uma resistência na faixa de 1300 a 3000 Ω. Assim uma tensão de contato no valor de 50 V, resultará numa corrente de : I = 50 / 1300 = 38,5 mA O valor de 38,5 mA em geral não é perigoso ao organismo humano, abaixo apresentamos o valor de duração máxima de uma tensão em contato com o corpo humano, os valores indicados baseiam se em valores limites de corrente de choque e correspondem a condições nas quais a corrente passa pelo corpo 3.6. PRIMEIROS SOCORROS À VÍTIMA DE CHOQUE ELÉTRICO 75 Table 3.5: Chances de reanimação da v́ıtima de choque elétrico em função do tempo para iniciar respiração artificial após o choque. tempo chance 1 minuto 95 % 2 minutos 90 % 3 minutos 75 % 4 minutos 50 % 5 minutos 25 % 6 minutos 1 % 8 minutos 0,5 % - Antes de tocar o corpo da v́ıtima, procure livrá-la da corrente elétrica, com a máxima segurança posśıvel e a máxima rapidez, nunca use as mãos ou qualquer objeto metálico ou molhado para interromper um circuito ou afastar um fio. - Não mova a v́ıtima mais do que o necessário à sua segurança. - Antes de aplicar o método, examine a v́ıtima para verificar se respira, em caso negativo, inicie a respiração artificial. - Quanto mais rapidamente for socorrida a v́ıtima, maior será a probabilidade de êxito no salvamento. - Chame imediatamente um médico e alguém que possa auxiliá-lo nas demais tarefas, sem prejúızo da respiração artificial, bem como, para possibilitar o revezamento de operadores. - Procure abrir e examinar a boca da v́ıtima ao ser iniciada a respiração artificial, a fim de retirar posśıveis objetos estranhos (dentadura, palito, alimentos, etc.), examine também narinas e garganta.Desenrole a ĺıngua caso esteja enrolada, em caso de haver dificuldade em abrir a boca da v́ıtima, não perca tempo, inicie o método imediatamente e deixe essa tarefa a cargo de outra pessoa. - Desaperte punhos, cinta, colarinho, ou quaisquer peças de roupas que por acaso apertem o pescoço, peito e abdômen da v́ıtima. - Agasalhe a v́ıtima, a fim de aquecê-la, outra pessoa deve cuidar dessa tarefa de modo a não prejudicar a aplicação da respiração artificial. - Não faça qualquer interrupção por menor que seja, na aplicação da respiração artificial. - Não faça qualquer interrupção por menor que seja, na aplicação do método, mesmo no caso de se tornar necessário o transporte da v́ıtima a aplicação deve continuar. - Não distraia sua atenção com outros aux́ılios suplementares que a vitima necessita, enquanto estiver aplicando o método, outras pessoas devem ocupar se deles. - O tempo de aplicação é indeterminado, podendo atingir 5 horas ou mais, enquanto houver calor no corpo da v́ıtima e sta não apresentar rigidez cadavérica há possibilidade de salvamento. - O revezamento de pessoas, durante a aplicação deve ser feito de modo a não alterar o ritmo da respiração artificial. - Ao ter ińıcio a respiração natural, sintonize o ritmo da respiração artificial com a natural. - Depois de recuperada a v́ıtima, mantenha a em repouso e agasalhada, não permitindo que se levante ou se sente, mesmo que para isso precise usar força, não lhe dê de beber, a fim de evitar que se engasgue, após a recuperação total da v́ıtima, pode dar lhe então café ou chá quente. - Não aplique injeção alguma, até que a v́ıtima respire normalmente. - Este caso aplica se em qualquer caso de colapso respiratório, como no caso de pessoas intoxicadas por gases venenosos ou que sofram afogamentos. - Na maioria dos casos de acidente por choque elétrico, a MORTE é apenas APARENTE, por isso socorra a v́ıtima rapidamente sem perda de tempo. 76 CHAPTER 3. RISCOS E SEGURANÇA EM ELETRICIDADE Método de salvamento artificial “Hoger e Nielsen” 1-Deite a v́ıtima de bruços com a cabeça voltada para um dos lados e a face apoiada sobre uma das mãos tendo o cuidado de manter a boca da v́ıtima sempre livre. 2-Ajoelhe se junto à cabeça da v́ıtima e coloque as palmas das mãos exatamente nas costas abaixo dos ombros com os polegares se tocando ligeiramente. 3-Em seguida lentamente transfira o peso do seu corpo para os braços esticados, até que estes fiquem em posição vertical, exercendo pressão firme sobre o tórax. 4-Deite o corpo para trás, deixando as mãos escorregarem pelos braços da v́ıtima até um pouco acima dos seus cotovelos; segure os com firmeza e continue jogando o corpo para trás, levante os braços da v́ıtima até que sinta resistência: abaixe os então até a posição inicial, completando o ciclo, repita a operação no ritmo de 10 a 12 vezes por minuto. Método da respiração artificial Boca-a-Boca 1- Deite a v́ıtima de costas com os braços estendidos. 2- Restabeleça a respiração : coloque a mão na nuca do acidentados e a outra na testa, incline a cabeça da v́ıtima para trás. 3- Com o polegar e o indicador aperte o nariz, para evitar a sáıda do ar. 4- Encha os pulmões de ar. 5- Cubra a boca da v́ıtima com a sua boca, não deixando o ar sair. 6- Sopre até ver o peito erguer se. 7- Solte as narinas e afaste os seus lábios da boca da v́ıtima para sair o ar. 8- Repita esta operação, a razão de 13 a 16 vezes por minuto. 9- Continue aplicando este método até que a v́ıtima respire por si mesma. Aplica-se a respiração artificial pelo espaço aproximado de 1 minuto. Sem que a v́ıtima dê sinais de vida, poderá tratar se de um caso de Parada card́ıaca. Para verificar se houve Parada Card́ıaca, existem 2 processos : 1- Pressione levemente com as pontas dos dedos indicador e médio a carótida, quase localizada no pescoço, junto ao pomo de Adão (Gogó ). 2- Levante a pálpebra de um dos olhos da v́ıtima, de a pupila ( menina dos olhos ) se contrair, é sinal que o coração está funcionando, caso contrario, se a pupila permanecer dilatada, isto é, sem reação, é sinal de que houve uma parada card́ıaca. Ocorrendo a Parada Card́ıaca : Deve se aplicar sem perda de tempo, a respiração artificial e a massagem card́ıaca, conjugadas. 1- Esta massagem deve ser aplicada sobre o coração, que está localizado no centro do Tórax entre o externo e a coluna vertical. 2- Colocar as 2 mãos sobrepostas na metade inferior do externo. 3- Pressionar, com suficiente vigor, para fazer abaixar o centro do Tórax, de 3 a 4 cm. Somente uma parte da mão deve fazer pressão, os dedos devem ficar levantados do Tórax. 4- Repetir a operação : 15 massagens card́ıacas e 2 respirações artificiais, até a chegada de um médico. 3.7 Aterramentos Denomina-se aterramento a ligação com a massa condutora da terra, os aterramentos devem assegurar de modo eficaz a fuga de corrente para a terra, propiciando as necessidades de segurança e de funcionamento de uma instalação elétrica. O valor da resistência de aterramento deve satisfazer às condições de proteção e funcionamento da instalação elétrica, de acordo com os esquemas de aterramento. 3.7. ATERRAMENTOS 77 Figure 3.3: Ligação de chuveiro elétrico com fio terra ou condutor de proteção 3.7.1 Esquemas de Aterramento Para classificar os esquemas de aterramento é utilizada a seguinte simbologia : * A primeira letra representa a situação da alimentação em relação a terra T = um ponto diretamente aterrado. I = isolação de todas as partes vivas em relação à terra ou aterramento de um ponto através de uma impedância. A segunda letra representa a situação das massas da instalação elétrica em relação à terra T = massas diretamente aterradas, independente do aterramento eventual de um ponto da alimentação. N = massas ligadas diretamente ao ponto da alimentação aterrado ( em CA o ponto aterrada é nor- malmente o neutro ); * outras letras indicam a disposição do condutor neutro e do condutor de proteção S = funções de neutro e de proteção asseguradas por condutores distintos. C = funções de neutro e de proteção combinadas em um unico condutor.( condutor PEN ) A NB-3 fixa os seguintes esquemas de aterramento: Esquema TN Este esquema possui um ponto de alimentação diretamente aterrado, sendo as massas ligadas a esse ponto através de condutor de proteção, são considerados 3 tipos de esquemas TN : TN-S, o condutor neutro e o de proteção são distintos TN-C-S, o condutor neutro e o de proteção são combinados em um único condutor em uma parte da instalação. TN-C, o condutor neutro e o de proteção são combinados em um único condutor ao longo de toda a instalação. Esquema TT Este esquema possui um ponto de alimentação diretamente aterrado, estando as massas da instalação ligadoas a eletrodos de aterramento eletricamente distintos do eletrodo de aterramento da alimentação. 80 CHAPTER 3. RISCOS E SEGURANÇA EM ELETRICIDADE 3.9 Prevenção de Acidentes com Eletricidade Quando se trata de medidas preventivas de choque elétrico torna se obrigatório consultar 2 normas brasileiras : NBR 5410 e a NR 10. A NBR 5410, intitulada de ”Instalações Elétricas de Baixa Tensão”, fixa condições de segurança nas instalações com tensão até 1000 Volts em corrente alternada e de até 1500 Volts em corrente continua. Já a a norma regulamentadora NR-10 - Instalações e serviços com eletricidade, recomenda condições mı́nimas para garantir a segurança das pessoas, e estabelece critérios para proteção contra os riscos de contato, incêndio e explosão, dentre outros. No ambiente de trabalho a responsabilidade dos serviços é do pessoal da manutenção, que detém grande experiência profissional no assunto, com isso a grande maioria dos trabalhadores se coloca na condição de usuário, cabe aqui uma ressalva; os limites de atuação do usuário e do mantenedor são bem definidos. Devemos destacar alguns aspectos: 1. O zelo pela conservação dos equipamentos elétricos é fundamental para preservar as condições de segurança. 2. É importante deixar os equipamentos elétricos ligados somente o tempo necessário para o uso. É econômico e reduz o risco de acidentes. 3. Não deixar cair pequenos objetos, dentro dos equipamentos elétricos, ĺıquidos e outros materiais que possam provocar curto-circuito. 4. Não utilizar de improvisações, comunicar ao responsável técnico habilitado qualquer irregularidade verificada nos equipamentos e instalações elétricas. 5. Utilizar materiais, ferramentas e equipamentos dentro das normas técnicas. 6. Para medição dos circuitos utilizar apenas os instrumentos adequados, como Mult́ımetros, Volt́ımetros e Ampeŕımetros, evitando as improvisações, que costumam ser danosas. 7. Para trabalhar em segurança é necessário primeiro saber a maneira correta de funcionamento do equipamento , qual o tipo de serviço a ser realizado, observar bem o local de trabalho levantando as posśıveis interferências que poderão causar algum dano. 8. Trabalhar sempre com o circuito elétrico desligado, utilizar placas de sinalização indicando que o circuito ou o equipamento elétrico está em manutenção, evitando o uso de anéis, aliança, pulseiras, braceletes e correntes. 9. Ao abrir chaves, não permanecer muito próximo para evitar o efeito do arco voltaico, sempre que realizar manobras em chaves seccionadora ou disjuntores pelo punho próprio de acionamento, utilizar luvas de PVC com isolamento de acordo com a classe de tensão do circuito a operar. 10. Na alta tensão, alem de fazê-lo com o circuito desligado deve-se providenciar um aterramento múltiplo das 3 fases do circuito. 11. E nunca é demais lembrar : EM SE TRATANDO DE ELETRICIDADE A GRANDE ARMA DA PREVENÇÃO DE ACIDENTES É O PLANEJAMENTO. 12. A eletricidade não admite improvisações, ela não tem cheiro, não tem cor, não é quente nem fria, mas ela é fatal. 3.9. PREVENÇÃO DE ACIDENTES COM ELETRICIDADE 81 q q q - - -15F(fase) N(neutro) T(aterramento) s ss q q q  1 a q interruptor qq q Figure 3.6: Esquema básico para ligação de tomadas e lâmpadas 82 CHAPTER 3. RISCOS E SEGURANÇA EM ELETRICIDADE 4.1. ORIGEM DA ELETRÔNICA 85 primeiro computador totalmente automático foi o Mark I, ou Automatic Sequence Controlled Calculator, iniciado em 1939 na Universidade de Harvard, por Howard Aiken, enquanto o primeiro computador dig- ital eletrônico, ENIAC - Electronic Numeral Integrator and Calculator - que usava centenas de válvulas eletrônicas, foi completado em 1946, na Universidade da Pensilvânia. O UNIVAC (UNIversal Automatic Computer) se tornou em 1951 o primeiro computador a lidar com dados numéricos e alfabéticos com igual facilidade. Também foi o primeiro computador dispońıvel comer- cialmente, usado no censo americano da década de 50. Os computadores de primeira geração foram suplantados pelos transistorizados, entre o fim da década de 50 e ińıcio da década de 60. Esses computadores de segunda geração já eram capazes de fazer um milhão de operações por segundo. Por sua vez, foram suplantados pelos computadores de terceira geração, com circuitos integrados (foto 3), de meados dos anos 60 até a década de 70. A década de 80 foi caracterizada pelo desenvolvimento do microprocessador e pela evolução dos minicomputadores, microcomputadores e computadores pessoais, cada vez menores e mais poderosos. Um circuito integrado consiste de muitos elementos, como transistores e resistores fabricados em uma mesma peça de siĺıcio ou outro material semicondutor . O pequeno microprocessador mostrado acima é o coração de um computador pessoal (PC). Ele contém muitos milhões de transistores, e pode executar até 100 Milhões de Instruções por Segundo. As filas de pinos (pernas) são usadas para conectar o microprocessador à placa de circuitos. 4.1.1 O Radar Criado em 1935 por Watson-Watt. Designa um dispositivo eletrônico que permite ao homem detectar e localizar objetos à distância, e sob condições de luminosidade muito precárias para o olho humano. O radar é largamente empregado em atividades tanto civis como militares. Suas aplicações mais comuns encontram-se na navegação aérea e maŕıtima, para facilitar por exemplo o tráfico nos aeroportos e tornar mais simples as manobras dos navios . Os modernos aviões são equipados com radares, para que o piloto possa detectar obstáculos à sua trajetória com uma certa antecedência, realizando assim, as manobras necessárias com segurança. Principais fins militares com que o radar é empregado: - Detecção de aeronaves inimigas, antes que estas sobrevoem o território; - Localização de submarinos; - Incursões noturnas; - Uso conjugado com outros dispositivos eletrônicos, para permitir que projéteis persigam alvos móveis; O radar também é aplicado à radionavegação, permitindo aos aviões orientarem-se mesmo em condições de pouca ou nenhuma visibilidade. Também é usado na astronomia, especialmente no estudo da superf́ıcie dos planetas por satélites, e na meteorologia, para a previsão do tempos a curto prazo. A miniaturização dos circuitos permitiu a produção de unidades menores de radares, usadas no trânsito, pela poĺıcia, para a detecção da velocidade dos automóveis, baseado no Efeito Doppler. 4.1.2 Tungstênio, Selênio e Germânio A descoberta de certas propriedes elétricas em alguns metais (destacadamente o tungstênio, o selênio e o germânio), foi de grande importância no desenvolvimento da indústria eletrônica, na criação de numerosos componentes e na expansão de seus usos a muitos aparelhos novos, destinados a diversas atividades técnicas e cient́ıficas. Por suas qualidades de peso e dureza, e principalmente por seu elevado ponto de fusão (3.370 C), o tungstênio é empregado na fabricação de filamentos para lâmpadas comuns e tubos de televisão. O selênio, por sua sensibilidade à luz e outras caracteŕısticas, é utilizado nos fotômetros de aparelhos fotográficos, nas células fotoelétricas de portas automáticas, nos equipamentos preventivos de incêndios, 86 CHAPTER 4. BANCADA DE ELETRÔNICA etc. Já o germânio, tem largo emprego em vários dispositivos semicondutores. Dos três metais, o tungstênio é o que tem maior importância comercial. 4.1.3 Aplicações Os aparelhos eletrônicos têm numerosas aplicações em nosso dia-a-dia. Eles integram os sistemas de Tele- comunicações, Radiodifusão, Televisão, Radio-astronomia, Telecomando e Telemedidas, Eletromedicina, aparelhagem auxiliar de navegação maŕıtima e aérea e sistemas de aplicações industriais, entre outros. Os aparelhos eletrônicos são capazes de medir, controlar, comandar e regular diversas operações. Desta- camos o microscópio eletrônico, os contadores e detetores de part́ıculas, os aceleradores, radiotelescópios, o eletroencefalógrafo, o eletrodiógrafo, os computadores, etc. Existem aparelhos eletrônicos para melhorar a audição e regular o batimento card́ıaco (marcapassos). O rádio e o radar aumentaram a segurança dos transportes. Computadores eletrônicos, que realizam cálculos e operações das mais complexas e variadas com uma rapidez espantosa, são usados tanto por bancos, indústrias, repartições públicas, universidades ou em mesmo casa, no mundo inteiro. O estudo de harmônicos possibilitou o desenvolvimento de sistemas de comunicação mais modernos e eficientes. 4.1.4 Indústria Eletrônica Mesmo depois da invenção do tŕıodo, os tubos eletrônicos demoraram a ser comercializados. Durante a Primeira Guerra Mundial até encontraram aplicação na radiocomunicação, mas a indústra eletrônica em si só foi surgir em 1922, com o advento das emissões radiofônicas. Entre 1922 e 1960, o total anual de vendas de equipamentos eletrônicos subiu de U$ 60 milhões para U$ 10,2 bilhões. Com os extraordinários progressos alcançados pelas atividades espaciais desenvolvidas principalmente na esfera estatal da economia das grandes potências, assim como pela expansão relativamente rápida das técnicas de automatização em todo o mundo, pode-se admititr que o valor dos produtos eletrônicos tem atingido, a partir da década de 70 somas muito elevadas, desempenhando um papel imortante na economia mundial. Nos páıses mais industrializados da América Latina, como o Brasil, o México e a Argentina, a indústria eletrônica está dando os primeiros passos, restringindo-se à produção da chamada ”eletrônica de lazer”, que abrange televisores, rádio-receptores e aparelhos de som em geral. Em alguns casos porém, já vemos outros aparelhos e dispositivos de aplicação técnico-cient́ıfica. 4.1.5 Televisão Em 1817, o qúımico sueco Jakob Barzelius (1779-1848) descobriu um novo elemento, o selênio, que está na origem da história da origem da televisão. Em 1873, o inglês Willwghby Smith comprovou que o selênio tinha a propriedade de tranformar a energia luminosa em energia elétrica: ficava assim estabelecida a premissa teórica segundo a qual era posśıvel transmitir imagens por meio da corrente elétrica. Mas, somente em 1920 é que se realizaram verdadeiras transmissões de imagens, graças às experiências de dois grandes cientistas: John Logis Baird (1888-1946), no Reino Unido, e Charles F. Jenkins (1867- 1934), nos EUA. Ambos utilizaram analisadores mecânicos, porém um não tinha conhecimento do trabalho do outro. A Segunda Guerra Mundial veio atalhar o progresso da televisão. Mas, já em 1939 cinco páıses haviam adotado o sistema eletrônico. O pós-guerra assinalou um veloz desenvolvimento da TV TV a cores: Emprega-se na TV a cores, basicamente o prinćıpio da tricomia na arte gráfica. com a decomposição da imagem a ser transmitida em três imagens secundárias, nas cores primárias azul, verde e vermelho. O aperfeiçoamento desse sistema acompanhou o progresso da televisão em preto e branco. 4.2. ELEMENTOS BÁSICOS DE UMA BANCADA 87 Figure 4.1: Diodos e seu śımbolo. 4.2 Elementos básicos de uma bancada Um dos elementos básicos da bancada são as tomadas de tensões e pinagem diferentes (universal, ar condicionado, schuck, etc.) É importante ter tomadas isoladas para ligar aparelhos como geradores de sinais, osciloscópios, ponteiras de corrente, e circuito de trabalho em 110V, 220V ou 380 V. Para proteger sua bancada e o(s) usuário(s) deve-se colocar fuśıveis e disjuntores adequados conforme a seção do fio. Um dispositivo DR é obrigatório. Procure trabalhar sempre em grupo, principalmente quando a atividade é mais perigosa. É necessário também uma série de cabinhos de diversas cores, sendo o vermelho (positivo) e o preto (negativo) os mais usados em corrente cont́ınua. Estes podem ter terminais como flechas, plugs ou jacarés. Um aterramento é fundamental. Com ele, podemos ‘aterrar’ o terceiro pino das tomadas monofásicas e deixar um terminal com parafuso para conectar massas de aparelhos. Para segurana, o piso deve ser seco e ter uma boa isolação elétrica (estrados, piso plástico ou de madeira). Cuidado com o risco de incêndio. Para isto, é necessário ter um extintor de pó qúımico nas proximidades. 4.3 Componentes eletrônicos básicos Para realizar os projetos eletrônicos, precisamos conhecer e praticar com alguns componentes básicos, que precisamos ter em estoque na nossa bancada. Para isto podemos comprar ou fazer gavetas com separação e identificação. Vamos agora apresentar alguns componentes eletrônicos e suas propriedades elétricas. Não serão con- hecimentos suficientes para você projetar e consertar circuitos complexos, como monitores e fontes, mas darão uma boa noção sobre o que você irá encontrar pela frente. Diodo O diodo é um componente classificado como semicondutor. Ele é feito dos mesmos materiais que formam os transistores e chips. Este material é baseado no siĺıcio. Ao siĺıcio são adicionadas substâncias chamadas genericamente de dopagem ou impurezas. Temos assim trechos tipo N e tipo P. A diferença entre os dois tipos está na forma como os elétrons são conduzidos. Sem entrar em detalhes sobre microeletrônica, o importante aqui é saber que quando temos uma junção PN, a corrente elétrica trafega com facilidade do treho P para o trecho N, mas não consegue trafegar no sentido inverso. O diodo possui seus dois terminais ligados às partes de uma junção PN. A parte ligada ao P é chamada de anodo, e a parte ligada ao N é chamada de catodo. A corrente elétrica trafega livremente no sentido do anodo para o catodo, mas não pode trafegar no sentido inverso. 90 CHAPTER 4. BANCADA DE ELETRÔNICA Os transistores de alta potência em geral precisam ser montados sobre dissipadores de calor (coolers). Existem transitores especializados em operar com freqüências de áudio e outros especializados em altas freqüências, usados em circuitos de rádio e TV. Existem transistores especializados em chaveamento, indi- cados para operar em circuitos digitais. Existem fototransistores, que amplificam o sinal gerado pelo seu sensor ótico. Enfim, existem milhares de tipos de transistores, para as mais variadas aplicações. Regulador de tensão ou voltagem Todos os circuitos eletrônicos necessitam, para que funcionem corretamente, do fornecimento de corrente vinda de uma bateria ou fonte de alimentação com valor constante. Por exemplo, se um circuito foi projetado para funcionar com 5 volts, talvez possa funcionar com tensões um pouco maiores ou um pouco menores, como 5,5 V ou 4,5 V, mas provavelmente não funcionará corretamente com valores muito mais altos ou muito mais baixos, como 6 V ou 4 V. Uma fonte de alimentação precisa portanto gerar uma tensão constante, independente de flutuações na rede elétrica e independente da quantidade de corrente que os circuitos exigem. Por isso todas as fontes de boa qualidade utilizam circuitos reguladores de voltagem. É posśıvel criar um regulador de voltagem utilizando alguns transistores, resitores e um componente especial chamado diodo Zener, capaz de gerar uma tensão fixa de referência a ser ”imitada” pela fonte. Os fabricantes constrúıram esses circuitos de forma integrada, semelhante a um chip, usando uma única base de siĺıcio. Os reguladores mais simples têm um encapsulamento parecido com o de um transistor de potência, com três terminais. Um dos terminais é o terra, que deve ser ligado ao terminal negativo da fonte. O outro terminal é a entrada, onde deve ser aplicada a tensão bruta, não regulada. O terceiro terminal é a sáıda, por onde é fornecida a tensão regulada. A tensão de entrada deve ser superior à tensão que vai ser gerada. O regulador ”corta” uma parte desta tensão de modo a manter na sáıda uma tensão fixa. Por exemplo, para alimentar um regulador de +5 Volts, podemos aplicar na entrada uma tensão não regulada de +8 Volts, podendo variar entre +6 e +10. A sáıda fornecerá +5 V, e o restante será desprezado. Muitos reguladores produzem tensões fixas, mas existem modelos que podem ser ligados a uma tensão de referência que pode ser programada. Nas placas de CPU existe um circuito responsável por gerar as tensões exigidas pelo processador. A maioria dos processadores modernos requer uma fonte de +3,3 V para operações externas, e uma fonte de valor menor para as operações internas. Dependendo do processador, esta tensão pode ser de +1,3 V, +1,6V, +1,7V, +2,1V ou praticamente qualquer valor entre 1 V e 3,5 V. Nos processadores mais novos, esses valores tendem a ser menores, em geral inferiores a 2 V. O circuito gerador de voltagem da placa de CPU toma como base a tensão de +3,3 V fornecida pela fonte de alimentação do computador, e em função do valor indicado pelo processador, gera a tensão necessária. Trata-se de um regulador de tensão variável e programável. Soquetes, conectores e jumpers A maioria dos componentes eletrônicos são soldados nas suas placas. Outros componentes precisam ser removidos periodicamente para substituição ou manutenção. Por exemplo, uma lâmpada não é aparafusada ou soldada diretamente aos fios da rede elétrica. Ela é presa através de um bocal, e este sim é aparafusado aos fios. O bocal é na verdade um soquete para a lâmpada, tanto que em inglês, é usado o termo socket para designar o bocal de uma lâmpada. Da mesma forma, certos componentes eletrônicos podem precisar ser removidos, trocados ou instalados. É o caso dos processadores, memórias e alguns chips. Para isso esses chips são encaixados sobre soquetes. Os soquetes sim, são soldados nas placas de circuito, e sobre eles encaixamos os chips. O tipo mais simples é o chamado de soquete DIP (dual in-line package). Ele é apropriado para chips que também usam o encapsulamento DIP. Existem soquetes DIP de vários tamanhos, com diferentes números de terminais (ou pinos). Podemos encontrar soquetes DIP com 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 28 pinos, e assim por diante. Em geral soquetes com mais de 32 pinos são mais largos que os com menos pinos. 4.3. COMPONENTES ELETRÔNICOS BÁSICOS 91 Figure 4.5: Numeração de alguns soquetes DIP. Todos os pinos dos soquetes são numerados, porém esta numeração não está indicada, mas fica impĺıcita. Para saber o número de qualquer pino, basta localizar a posição do pino 1. Tanto os soquetes quanto os chips de encapsulamento DIP possuem uma extremidade diferente da outra, com um chanfro ou algum tipo de marcação. Muitas vezes esta marcação está desenhada na placa (os desenhos na placa são chamados de serigrafia). Quando olhamos um soquete de tal forma que o chanfro ou marcação fique orientada para a esquerda, o pino 1 é o primeiro na parte inferior (veja a figura 4.5). Os demais pinos seguem a seqüência, até a outra extermidade. No outro lado da mesma extremidade a seqüência continua, até o último pino do soquete, que fica na mesma extremidade que o pino 1. Quando vamos encaixar um chip em um soquete, temos que prestar atenção na orientação correta. O pino 1 do chip deve corresponder ao pino 1 do soquete. Se o encaixe for feito de forma invertida ou deslocada, o chip provavelmente queimará, e o mesmo pode ocorrer com a placa. Os chips também possuem um chanfro ou um ponto circular em baixo relevo para indicar a posição do pino 1, e a seqüência é a mesma do soquete. Os soquetes mais sofisticados são os dos processadores. Possuem mais de 300 pinos, alguns ultrapas- sando os 400. O número de pinos é tão grande que o encaixe se torna dif́ıcil. Cada pino requer uma pequena força para entrar sob pressão no furo correspondente do soquete, mas quando multiplicamos esta pequena força por 400, temos uma grande força. Como seria dif́ıcil encaixar e retirar o chip do soquete, foram adotados para esses casos os soquetes de força de inserção zero (Zero Insertion Force, ou ZIF). Eles possuem uma pequena alavanca lateral que ao ser aberta aumenta os furos onde os terminais (”perninhas”) do chip vão ser encaixados. O chip é posicionado com facilidade e então a alavanca é travada fazendo com que cada furo diminua e segure o terminal correspondente com boa pressão. Em todos os processadores modernos, existem mecanismos que impedem que o encaixe seja feito de forma invertida. Existem por exemplo, furos a menos em um ou dois cantos do soquete, bem como pinos a menos em um ou dois cantos do processador, fazendo com que o encaixe só possa ocorrer na posição certa. Devemos entretanto tomar cuidado com certos processadores antigos. Os processadores 486 e 586 não possuem diferenças entre as posições de encaixe, portanto um usuário distráıdo conseguirá fazer o encaixe de 4 formas diferentes, sendo uma correta e 3 erradas. As formas erradas causarão a queima do processador. Devemos portanto prestar atenção no chanfro existente no processador. Um dos seus cantos é diferente 92 CHAPTER 4. BANCADA DE ELETRÔNICA dos outros, e este deve corresponder ao pino 1 do soquete. O pino 1 do soquete, por sua vez, é aquele mais próximo da ”dobradiça” da alavanca. De um modo geral, vários chips possuem pinos simétricos e por isso podem ser indevidamente encaixados de forma errada, causando sua queima. Ao fazer o encaixe temos sempre que procurar uma indicação de pino 1 no soquete ou na serigrafia, e a indicação de pino 1 no chip. Esta indicação é sempre apresentada na forma de um canto diferente ou marcado com um ponto. Preste atenção também na posição do chanfro existente no chip. O slot é um tipo especial de soquete. A diferença é que normalmente são usados para o encaixe de placas, apesar de serem usados também para certos processadores. Um slot é um conector plástico com uma, duas ou três fendas alinhadas, nas quais existem internamente, duas seqüências de contatos elétricos. A placa a ser conectada possui contatos em ambas as faces, que correspondem a contatos nessas duas fileiras do slot. Entre 1997 e 2000, os principais processadores foram produzidos em versões para encaixe em slots. Eram os processadores Pentium II, bem como as primeiras versões dos processadores Celeron, Pentium III e Athlon. As placas de CPU correspondentes tinham slots próprios par ao encaixe desses processadores. Este método de encaixe caiu em desuso, mas dependendo das caracteŕısticas de futuros processadores, nada impede que venham a ser novamente adotados. O próprio processador Intel Itanium e seus sucessores serão produzidos inicialmente em versões de cartucho. Normalmente os slots possuem dispositivos que impedem que seja feito o encaixe de forma invertida, ou que seja encaixada uma placa não compat́ıvel com o slot. Por exemplo, não conseguiremos instalar uma placa de v́ıdeo AGP em um slot PCI pois a chapa traseira do gabinete do computador impedirá o posicionamento da placa. Processadores Pentium II, Pentium III e Celeron não podem ser encaixados em um slot para processador Athlon, e vice-versa, mas um usuário distráıdo pode conseguir posicionar o processador de trás para frente, queimando tanto o processador como a placa. Instalar processadores não é tarefa para leigos. É preciso saber reconhecer os processadores e também saber os modelos suportados por cada placa de CPU. Um conector é uma peça contendo um grupo de contatos elétricos relacionados uns com os outros. Por exemplo, na extremidade do cabo que parte do monitor, existe um conector de 15 pinos que é ligado em outro conector correspondente da placa de v́ıdeo. Os sinais existentes nesses 15 pinos são diferentes, mas estão relacionados entre si. Existem por exemplo 2 pinos para a transmissão do vermelho, 2 para o verde e 2 para o azul. Existem pinos para transmissão do sincronismo horizontal e sincronismo vertical. Muitos conectores são internos, outros são externos. Os internos são usados para conexões dentro do computador. Os externos são usados para ligar dispositivos externos. Conectores trabalham aos pares, e normalmente um é chamado ”macho” e o outro ”fêmea”. Obviamente o tipo macho é aquele com pinos metálicos, que se encaixam sobre os orif́ıcios metalizados do conector fêmea correspondente. Realmente tem uma certa conotação sexual. Entre os conectores externos, citamos os da impressora, do teclado, do mouse, do joystick, da rede elétrica, do modem, das caixas de som e microfones e diversos outros. Todos serão apresentados em partes oportunas deste livro. Os conectores internos também são diversos: da fonte de alimentação, do disco ŕıgido, do drive de disquetes, do drive de CD-ROM, e assim por diante. Um conector muito importante é o do cabo que liga o disco ŕıgido à sua interface. Trata-se de um conector macho de 40 pinos, encontrado na placa de CPU. Observe que em qualquer caso existe a indicação da posição do pino 1 deste conector. No conector da interface do disco ŕıgido, encaixamos um cabo que leva os sinais até o disco ŕıgido propriamente dito. Em uma das extremidades deste cabo existe um conector fêmea correspondente. Este conector é ligado a aquele existente na placa de CPU, e temos que prestar atenção na posição do pino 1. Basta observar que um dos fios do cabo é pintado de vermelho. A posição do fio vermelho corresponde ao pino 1 do conector do cabo, que deve estar alinhado com o pino 1 do conector existente na placa. Alguns dispositivos são ligados diretamente aos outros, usando apenas conectores. O processador, as memórias e os chips são encaixados diretamente em seus soquetes. As placas de expansão são conectadas 4.4. FONTES DE ENERGIA 95 Figure 4.7: Fonte de tensão ajustável. b) O segundo bloco efetua a retificação da corrente. Usamos, para tal finalidade, uma ponte retificadora com 4 diodos de siĺıcio, tais corno 1N4004, 1N4007, BY127 etc. Essas pontes podem ser adquiridas nas casas do ramo, como um componente único, dotado de 4 terminais. c) O bloco da filtragem, incumbe-se de minimizar as flutuações na tensão cont́ınua obtida, constando de um capacitor eletroĺıtico de grande capacitância (adotamos um de 2000 µF x 25 V). d) O bloco seguinte ocupa-se da regulagem eletrônica da tensão de sáıda, mantendo-a no ńıvel desejado. Constitui-se de um transistor de potência (2N3055), um diodo zener para referência de tensão (12 V x 400 mW) e um potenciômetro de carvão (1k ou 2k2), no qual se efetua o ajuste da tensão de sáıda. Um volt́ımetro de ferro móvel (mais barato) ou um de bobina móvel é ligado aos terminais de sáıda da fonte, para a leitura do valor atual da tensão. e) O bloco de proteção contra curtos-circuitos emprega um transistor PNP de uso geral (BC558) e dois diodos (BAX17 ou BAX18). Quando a ddp na sáıda cai a zero (devido a um indesejável curto-circuito), essa etapa é acionada reduzindo drasticamente a corrente que circula pelo transistor de potência, evitando assim danos à ponte retificadora, no transformador e demais componentes sujeitos a sobrecargas. Esquema geral: na figura 4.7 temos o circuito esquemático da fonte em questão. Lista de componentes CH - Chave interruptora acoplada ao potenciômetro; F - porta-fuśıvel e fuśıvel para 1A; T - transformador com primário para 110V e 220V; secundário para (6 + 6)V, 2A; D1, D2, D3, D4 - diodos de siĺıcio, 1N4007 ou equivalentes; LED - LED vermelho; R1 - resistor; 470 Ω x 1/8 W; R2 - resistor; 1200 Ω x 1/8 W; R3 - resistor; 1500 Ω x 1/8 W; R4, R5 - resistores; 100 Ω x 1/8 W; C1 - capacitor eletroĺıtico; 2000 µF x 25 V; 96 CHAPTER 4. BANCADA DE ELETRÔNICA C2 - capacitor eletroĺıtico; 4,7 µF x 16 V; Z - zener para 12 V x 400 mW; P - potenciômetro com chave; 1kΩ ou 2k2Ω; TR1 - transistor de potência; 2N3055, com dissipador; TR2 - transistor PNP; BC558 ou equivalente; D5, D6 - diodos; BAX17 ou BAX18; V - volt́ımetro para 12 ou 15 VCC; A - ampeŕımetro para 2A; B1, B2 - bornes; vermelho (+) e preto (-); Diversos - cabo de alimentação, placa de alumı́nio para dissipador, conectores ”sindall”, ponte de terminais, caixa para alojar a fonte, parafusos, solda etc. Montagem: Na parte frontal da caixa utilizada para alojar a fonte (ilustração ao lado) instalam-se : o volt́ımetro, os bornes de sáıda (AC/DC), o potenciômetro (que incorpora a chave interruptora CH) e o LED indicador de ”em funcionamento”. A etapa reguladora contém o transistor de potência 2N3055 montado e aparafusado sobre uma placa dê alumı́nio de (10 x 5) cm e espessura 1,5 ou 2mm. Cantoneiras de alumı́nio permitem fixar essa placa (que age como dissipador de calor) na caixa. Uma estratégica ponte de terminais com dois pontos isolados e um terra, fixada m mesmo parafuso que fixa o transistor na placa, permite colocar o transistor e os dois diodos da etapa de proteção a curtos. Transformador, diodos retificadores, capacitor eletroĺıtico etc., podem ser montados utilizando-se de conectores ’sindall’ ou ponte de terminais. Cuidados 1) Observe bem a polaridade dos diodos de retificação, dos diodos de proteção, do diodo zener e dos capacitores eletroĺıticos. 2) Tome cuidado na ligação do potenciômetro; se houver inversão, a fonte fornecerá tensão total logo que é ligada, o que não é correto. Inverta os fios dos extremos. 3) Use bornes de cores diferentes para a sáıda retificada e controlada; vermelho (+) e preto (-) são as cores tradicionais. Nota final Se você dispõe de ampeŕımetro de fundo de escala 2A, instale-o também na parte frontal da caixa (painel). Com isso terá total controla para ajustar tensões e correntes. Sua instalação elétrica é fácil, basta intercala-lo entre o coletor do 2N3055 e o borne negativo de sáıda. Uma fonte de alimentação encontra uso em uma enormidade de situações. Durante nossas sugestões nos referiremos a ela corno fonte de tensão ajustável. 4.5. GERADORES DE SINAIS - FORMAS DE ONDA E FREQÜÊNCIA 97 4.4.3 Fonte de tensão chaveada 4.5 Geradores de sinais - formas de onda e freqüência 4.6 Amplificadores de tensão e potência 4.7 Osciloscópio 4.7.1 Aplicações em medidas elétricas e eletrônicas 4.7.2 Partes principais de um osciloscópio 4.7.3 Uso do osciloscópio para medição de sinais 4.7.4 Comparador de tensão 4.7.5 Amplificador de tensão 4.7.6 Ligação de transistores bipolares 4.8 Montagens eletrônicas básicas Nesta seção, montaremos circuitos com fontes de tensão e corrente cont́ınua, geradores de sinais, amplifi- cadores, e um osciloscópio. Encontramos na internet uma série de sites, com circuitos eletrônicos básicos. É importante fazer alguns deles, para adquirirmos a técnica de montagem. Eis alguns: http://geocities.yahoo.com.br/transistor548/ http://geocities.yahoo.com.br/wmilw/links.htm http://www.dee.ufcg.edu.br/ gutemb/ http://victorian.fortunecity.com/hornton/652/projetos.htm Caro leitor, envie sua sugestão de site, que ela será bem vinda. Se vocêm tem algum circuito, uma página, etc, entre em contato conosco. Obrigado.
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