ELETRICIDADE E ELETRÔNICA VEICULAR
APRESENTAÇÃO
A eletricidade que a menos de um século era uma força misteriosa e assustadora se converteu com o avanço científico, em mais um importante instrumento de desenvolvimento tecnológico. Tornou-se indubitavelmente um fator importantíssimo na vida social e econômica do mundo. O uso que dela fa o !omem distingue o século atual de todas as épocas anteriores de sua e"ist#ncia na Terra. O avanço da ci#ncia, como da tecnologia est$ intimamente ligado ao uso da eletricidade nos mais variados ramos dos seus campos. A ind%stria automobilística, por e"emplo, usa nos seus veículos um grande n%mero de componentes elétricos ou acessórios, os quais sofrem continuamente modificaç&es e aperfeiçoamentos. ', portanto de suma import(ncia para o técnico mec(nico e eletricista estar a par destas recentes transf transform ormaç&e aç&es) s) estar estar sempre sempre se atuali atualian ando do e que con!eç con!eça a esses esses compone componente ntes, s, circuit circuitos os e seus seus princípios de funcionamento. *om a eletrônica embarcada e"istentes nos veículos atuais, em componentes desde motor até acessórios mais supérfluos, o mec(nico dei"a de ser uma pessoa que deva ter con!ecimentos apenas do ramo mec(nico, mec(nico, passando a ter a necessidade necessidade de con!ecimentos con!ecimentos em eletro-eletrônica, eletro-eletrônica, com o intuito intuito de poder compreender o funcionamento de sistemas modernos, bem como poder e"ecutar reparos.
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APRESENTAÇÃO
A eletricidade que a menos de um século era uma força misteriosa e assustadora se converteu com o avanço científico, em mais um importante instrumento de desenvolvimento tecnológico. Tornou-se indubitavelmente um fator importantíssimo na vida social e econômica do mundo. O uso que dela fa o !omem distingue o século atual de todas as épocas anteriores de sua e"ist#ncia na Terra. O avanço da ci#ncia, como da tecnologia est$ intimamente ligado ao uso da eletricidade nos mais variados ramos dos seus campos. A ind%stria automobilística, por e"emplo, usa nos seus veículos um grande n%mero de componentes elétricos ou acessórios, os quais sofrem continuamente modificaç&es e aperfeiçoamentos. ', portanto de suma import(ncia para o técnico mec(nico e eletricista estar a par destas recentes transf transform ormaç&e aç&es) s) estar estar sempre sempre se atuali atualian ando do e que con!eç con!eça a esses esses compone componente ntes, s, circuit circuitos os e seus seus princípios de funcionamento. *om a eletrônica embarcada e"istentes nos veículos atuais, em componentes desde motor até acessórios mais supérfluos, o mec(nico dei"a de ser uma pessoa que deva ter con!ecimentos apenas do ramo mec(nico, mec(nico, passando a ter a necessidade necessidade de con!ecimentos con!ecimentos em eletro-eletrônica, eletro-eletrônica, com o intuito intuito de poder compreender o funcionamento de sistemas modernos, bem como poder e"ecutar reparos.
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SUMÁRIO I – A ELETRICIDADE ELETRICIDADE...............................................................................................................4 1.1 - INTRODUÇÃO .............................................................................................................4 1.1.1 - Matéria...................................................................................................................4 1.1.2 - Moé!"a................................................................................................................4 1.1.# - Áto$o. ...................................................................................................................4 1.1.% - E&tri!i'a'& E(t)ti!a .......................................................................................5 1.1.* - E&tri!i'a'& Di+,$i!a o" Corr&+t& Eétri!a ...............................................5 1.2- RANDEAS EL/TRICAS ............................................................................................6 1.2.1 T&+(0o &étri!a...........................................................................................................6 1.2.2 Corr&+t& &étri!a....................................................................................................7 1.2.# R&(i(t+!ia Eétri!a..............................................................................................8 1.# LEI DE OM.....................................................................................................................14 1.% CIRCUITOS EL/TRICOS...............................................................................................16 1.%.1 Co+3i4"ra50o 'o( !ir!"ito(..................................................................................17 1.* TRA6ALO EL/TRICO.................................................................................................24 1.7 POT8NCIA EL/TRICA...................................................................................................25 1.9 CAPACITOR.....................................................................................................................26 1.: MANETISMO.................................................................................................................30 1.; ELETROMANETISMO.................................................................................................31 1.1< REL/................................................................................................................................32 1.11 ERAÇÃO DE UMA TENSÃO ALTERNADA SENOIDAL.....................................34 1.12 TRANS=ORMADOR.....................................................................................................35 II - MULT>METRO AUTOMOTIVO ......................................................................................38 - SEMICONDUTORES......................................................................................................43 #.1 DIODOS SEMICONDUTORES..................................................................................46 #.2 TIPOS DE DIODOS.....................................................................................................47 #.# RETI=ICAÇÃO AC?DC................................................................................................50 #.% O TRANSISTOR...........................................................................................................53 #.* SIM6OLOIA DE COMPONENTES DE CIRCUITOS EL/TRICOS..................56 IV -SINAIS EL/TRICOS - ELETRÔNICOS.......................................................................58 %.1 SINAIS DIITAIS( ...........................................................................................................59 %.2 SINAIS ANAL@ICOS ANAL@ICOS...................................................................................................59
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I – A ELETRICIDADE 1.1 - I+tro'"50o +or se tratar de uma força invisível, o princípio b$sico de eletricidade é e"plicado n a Teoria Teoria atômica. Torna-se Torna-se difícil ento visualiar a naturea da força elétrica, mas é facilmente not$vel os seus efeitos. A eletricidade produ produ resultados e efeitos perfeitamente previsíveis. previsíveis. +ara que possamos compreender mel!or a eletricidade, observemos as seguintes definiç&es 1.1.1 - Matéria ' toda a subst(ncia, sólida, líquida ou gasosa que ocupa lugar no espaço. 1.1.2 - Moé!"a ' a menor partícula, a qual pode dividir uma matéria, sem que esta perca suas propriedades b$sicas. " /uando dividimos um pó de gi até o momento em que ele ainda conserve suas propriedades de pó de gi, se tornado invisível a ol!o nu, mas visível com microscópios, temos ento uma molécula. 1.1.# - Áto$o. 0o as partículas que constituem a molécula. +odemos assim afirmar que um con1unto de $tomos constitui uma molécula, que determina uma parte da matéria. ' no $tomo que se d$ o movimento eletrônico 2corrente elétrica3. O $tomo é composto por um n%cleo e partículas que giram a seu redor, em órbitas conc#ntricas, muito parecidas com a configuraço dos planetas em torno do sol.
O n%cleo é constituído de prótons e n#utrons, convencionando-se a prótons com carga elétrica positiva 243 e n#utrons carga elétrica nula 253. As partículas que giram ao redor do n%cleo so denominadas elétrons, elétrons, com carga elétrica elétrica negativa 2-3. As cargas negativas dos elétrons so atraídas pelo n%cleo, que tem carga positiva devido aos prótons. ssa atraço compensa a força centrífuga que tende a afastar os elétrons do n%cleo. 6essa forma, os elétrons mant#m o seu movimento ao redor do n%cleo. 7ormalmente, um $tomo tem o mesmo n%mero de prótons e elétrons e, portanto, é elétrica-mente neutro. +odemos admitir que num $tomo, na condiço de equilíbrio, o n%mero de prótons é igual ao n%mero de elétrons. 0e ele perde um elétron toma-se eletricamente positivo 2íon +ositivo3, se ele gan!a um elétron torna-se negativo 2íon 7egativo3. A este desequilíbrio é que c!amamos 8carga elétrica8. O con1unto dos fenômenos que envolvem estas 8cargas elétricas8 é que foi definido como eletricidade. A eletricidade se apresenta de duas maneiras.
1.1.% - E&tri!i'a'& E(t)ti!a - é o tipo de eletricidade que envolve cargas elétricas paradas. ' gerada por atrito, pela perda de elétrons durante o friccionamento. +or e"emplo, um basto de vidro e l de carneiro, c!oque ao descer de um veículo, etc.
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9;=>-
:ast :aste e de de vid vidro ro..
?nicialmente, os $tomos da !aste de vidro e da !aste de pl$stico so eletricamente neutros. ?sto significa que o n%mero de cargas negativas e de cargas positivas no n%cleo do $tomo é e"atamente igual. /uando se esfrega a !aste de vidro com o pano de produ-se trabal!o, através do qua? se afastam elétrons da superfície da !aste. stes elétrons permanecem no pano. 1.1.* - E&tri!i'a'& Di+,$i!a o" Corr&+t& Eétri!a - é o flu"o de cargas elétricas que se desloca através de um condutor. 6esta forma como a eletricidade se apresenta é que nos interessa estudar. para que este fenômeno ocorra é necess$rio, no mínimo, uma fonte de energia, um consumidor e condutores fec!ando o circuito. FONTE
CONDUTORES
CONSUMIDOR
1.2- RANDEAS EL/TRICAS 1.2.1 T&+(0o &étri!a 0e uma !aste de borrac!a for esfregada com o pano de l, alguns elétrons do pano de l aderem @ superfície da !aste de borrac!a. A !aste passa a ter mais carga negativa do que positiva fica carregada com carga negativa. 8*arga negativa significa e"cesso e"cesso de elétrons8 elétrons8 2figura abai"o3. ntre cargas cargas diferentes diferentes ocorre uma força força de atraço. atraço. +ara tentar tentar separar separar cargas cargas diferentes diferentes é necess$rio necess$rio produir produir trabal!o contra a força força de atraço. ste trabal!o trabal!o é armaenado armaenado nas cargas cargas sob a forma de energia. O resultado é uma força entre as cargas que recebe a designaço de 8tenso8. 8A tenso é o resultado da separaço de cargas8.
9- :aste de pl$stico. ;- - "cesso de elétrons. 5
Tenso elétrica é a diferença de potencial e"istente entre dois pontos distintos no circuito. +ode ser definida também como a força impulsora ou presso, que força a passagem da corrente elétrica nos condutores. /uando afirmamos que uma bateria tem 9; volts, estamos diendo que a diferença de potencial e"istente entre um pólo e outro é de 9; volts. A tenso que a alimenta os circuitos das resid#ncias pode ser normalmente de 9; B ou ;;5B. A tenso pode ser representada pelas letras , d.d.p.2diferença de potencial ou C e sua unidade de medida é o volt 2B3. +or definiço, 9volt é a diferença de potencial necess$ria para impelir 9Ampere através de 9o!m. O instrumento de mediço de tenso elétrica é o voltímetro simboliado
V
O otB$&tro é i4a'o &$ ara&o !o$ o !ir!"ito a (&r $&'i'o.
Voltímetro
1.2.2 Corr&+t& &étri!a 0e unirmos dois corpos com potenciais diferentes, utiliando um condutor, eles tendem a equilibrar-se eletricamente. +ara isso, o corpo de maior potencial negativo ir$ perder elétrons, enquanto que o corpo de menor potencial negativo ir$ receber elétrons. Os elétrons livres do condutor entraro em movimento, passando de um $tomo a outro, em direço ao corpo com menos carga.
++++++ ++++++ ++++++ +++
---------------------
*orrente elétrica é a quantidade de cargas elétricas que flui através de um condutor num determinado intervalo de tempo, ou ainda, a tend#ncia para restaurar o equilíbrio elétrico n um circuito onde e"ista diferença de potencial 2d.d.p.3. *omo a quantidade ++++++ de elétrons é sempre muito grande, criou-se a unidade de carga elétrica, o *oulomb 2*3. 9F 9 * DE,;F"95 elétrons. +++ 9*Gs D 9 A . A corrente elétrica num circuito é apresentada pela letra ? e sua unidade de medida é o AmpHre 2A3. +or definiço, 9 AmpHre é a corrente que flui através de um condutor com resist#ncia de 9 O!m quando a diferença de potencial entre os seus terminais for igual a 9 Bolt. O instrumento de mediço de corrente elétrica é o amperímetro simboliado
A
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O a$&rB$&tro é i4a'o &$ (éri& !o$ o !ir!"ito a (&r $&'i'o.
AMPERÍMETRO
A corrente elétrica assim como a tenso elétrica pode ser de dois tipos *ontínua ou alternada.
TENSÃOALTERNADA
TENSÃOCONTÍNUA
T&+(0o at&r+a'a - Baria periodicamente sua polaridade. ?nvertendo o sentido da corrente elétrica ao longo do tempo. "emplo tenso residencial. T&+(0o !o+tB+"a - 7o sofre variaço de polaridade ao longo do tempo. "emplo +il!a e bateria de automóvel. 1.2.# R&(i(t+!ia Eétri!a A oposiço que um condutor elétrico oferece @ passagem da corrente elétrica é o que denominamos resist#ncia létrica. O valor da resist#ncia elétrica est$ diretamente ligado a combinaço de quatro fatores Iaterial que constitui o condutor 2resistividade3 *omprimento do condutor Jrea da seço transversal Temperatura de trabal!o do condutor O que determina a resistividade do material 2 ρ3 a ser utiliado em condutores é a quantidade de elétrons livres. Os metais so os mel!ores condutores de corrente elétrica, destacando o cobre, o alumínio e a prata. O comprimento de um condutor também interfere diretamente no valor da resist#ncia. /uanto maior o comprimento do condutor, maior a oposiço @ passagem de corrente elétrica.
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A $rea da seço transversal ou o di(metro do condutor também altera o valor da resist#ncia do condutor. /uanto maior o di(metro menor oposiço @ passagem de corrente elétrica. O aumento da temperatura causa um aumento da resist#ncia do condutor. Cm e"emplo pr$tico seria o cabo que alimenta o motor de partida do veículo. *omo podemos observar ele oferece menor resist#ncia a circulaço de alta corrente consumida pelo motor de partida, por possuir pequeno comprimento e maior bitola 2di(metro 3. Iatematicamente, a resist#ncia pode ser e"pressa na seguinte fórmula K D L.M GA Onde K D resist#ncia elétrica da matéria 2Ω) M D *omprimento do condutor 2 $3. A D$rea da seço transversal 2$ N D resistividade específica 2Ω.m) A resist#ncia elétrica é representada pela letra K e sua unidade de medida é o o!m 2Ω3. Cm 2 9 3 o!m é a resist#ncia que permite a passagem de uma corrente de 9 AmpHre sob tenso de 9 Bolt. O instrumento de mediço de resist#ncia elétrica é o !omímetro simboliado
Ω Para $&'ir r&(i(t+!ia &étri!a "(a-(& o oF$B$&troG i4a'o &$ ara&o ao !o$o+&+t& H"& (& '&(&a $&'irG '&('& H"& &(t& (& &+!o+tr& '&(&+&r4i(a'o.
9- *onsumidor ou resist#ncia elétrica. ;- ?nterruptor e fios2resist#ncia elétrica3. =- O!mímetro.
A tabela abai"o apresenta a resistividade de alguns materiais, a uma temperatura de ;5 *. a unidade de resistividade é dada em o!m " metro 2 Pm3.
*obre Alumínio Qismuto +rata 7íquel 7icrome
R&(i(tii'a'& Ja 2
RESISTORES Os componentes que so utiliados nos circuitos com o ob1etivo de oferecerem uma determinada resist#ncia @ passagem de corrente, so c!amados de resistores. Os resistores so fabricados de formas e características diferentes, dependendo da aplicaço a que se destinam. O seu valor pode ser indicado alfanumericamente, ou por meio de anéis de cores diferentes gravados nas mesmas. Os outros valores de identificaço de um resistor so a sua toler(ncia 2percentual3 e a pot#ncia, indicada em atts.
9- ?nscriço no corpo ;- Anéis com cores.
R&(i(t+!ia & t&$&rat"ra .A resist#ncia de um material condutor varia com a temperatura. O carbono e a maioria dos semicondutores so mel!ores condutores quando aquecidos. +or esse motivo, so também denominados 8condutores a quente8. "iste, no entanto, um pequeno n%mero de materiais semicondutores como, por e"emplo, o titanato de b$rio, que so mel!ores condutores quando frios. A sua resist#ncia eleva-se com o aumento da temperatura, e so designados d e 8condutores a frio8.
9 U
TIPOS DE RESISTORES Kesistores fi"os 2cu1a resist#ncia no pode ser a lterada3. R&(i(tor '& &+roa$&+to '& 3io enrolamento de fio com uma resist#ncia especial. 6estinam-se a ser utiliadas para elevadas pot#ncias ou como resistores de preciso. Ke(i(tor&( '& &B!"a '& !aro+o possuem como base um corpo cer(mico cilíndrico, revestido com uma camada de carbono, que constitui a resist#ncia propriamente dita. stes resistores servem para praticamente todas as aplicaç&es. R&(i(tor&( '& i'o( $&t)i!o( possuem como base um elemento cilíndrico de cer(mica, revestido com uma camada de ó"ido met$lico que por sua ve é revestido com uma camada de silicone. sta construço torna estes resistores praticamente ?ndestrutíveis em termos mec(nicos.
Kesistores de compensaço 2ballast3 de um in1etor do sistema de in1eço. 9
Kesistores de película met$lica possuem como base um suporte, por e"emplo, de vidro endurecido, no qual é depositada uma camada de metal precioso. stes resistores distinguem-se pela sua elevada preciso e confiabilidade. Os resistores fi"os t#m, entre outras, as seguintes utiliaç&es nos veículos automóveis - resistores de compensaço 2ba?last3 no in1etor do sistema de in1eço. - resistores de compensaço 2ba?last3 para a bobina de igniço. - resistores das velas de igniço.
RESISTORES VARIÁVEIS Os resistores vari$veis 2regul$veis3 so normalmente c!amados de potenciômetros. Trata-se normalmente de resistores de carbono ou de fio.Cm contato rotativo sobre o resistor 2ou sobre o enrolamento do fio3 dotado de uma ligaço elétrica permite selecionar o valor de resist#ncia dese1ada dentro da fai"a total do resistor. 6esta forma, altera-se também a tenso através do contato rotativo. Assim, o potenciômetro também pode ser utiliado como divisor de tenso. Os potenciômetros possuem normalmente um ei"o de ligaço entre o contato rotativo e o boto de acionamento. 6esta forma pode-se facilmente efetuar regulagens durante sua utiliaço. Cm e"emplo da sua utiliaço é a bóia de nível de combustível, que variando o seu cursor varia a resist#ncia do potenciômetro.
Poten!"#et$o %& '(!& %e o#')*t,e Tri$ot A1usta-se com uma c!ave de fenda para um determinado valor que permanece constante ao longo do seu funcionamento. 7o entanto, com o decorrer do tempo o valor se altera e, a regulagem pode ser novamente efetuada. O( r&(i(tor&( ari)&i( t$ a( (&4"i+t&( "tiia5Q&( +o( a"to$&i( - resistor vari$vel do sensor do tanque de combustível 2nível combustível3. - resistor vari$vel da iluminaço do painel de instrumentos . - resistor vari$vel do intervalo de funcionamento do l impador de p$ra-brisas. Kesistores no lineares 2no ô!micos3. Trata-se de resistores vari$veis, cu1a variaço no acontece, por meios mec(nicos, mas sim por meio de alteraço da temperatura, da tenso aplicada ou da incid#ncia de lu.
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TKI?0TOK0 27T*3 comp&em-se de uma mistura de ó"idos met$licos e cristais mistos o"idados, comprimidos uns contra os outros por um processo de sinteriaço e em seguida revestidos com uma camada de vidro ou colocados num alo1amento. /uando estes resistores so aquecidos, a sua resist#ncia diminui. 7T* 2do ?ngl# 8 Negative Temperature Coefficient8 coeficiente de temperatura tura negativo3.
Ai!a50o &$ a"to$&i( 0ensor da temperatura do líquido de arrefecimento 2*T3. 0ensor da temperatura do ar de admisso 2?AT3, etc.
0ensor da temperatura do liquido de arrefecimento 2*T3. ' um tipo comum de 7T*.
Vr$fico do sensor de temperatura do liquido de arrefecimento. 2"emplo motor ;.5 6O:*3. Temperatura do liquido de arrefecimento em *. Kesist#ncia em o!ms.
T&r$i(tor&( JPTC *omp&em-se de ó"idos met$licos e titanato de b$rio, comprimidos em con1unto e depois revestidos com uma camada de vidro e armaenados num alo1amento. /uando so aquecidos, as suas resist#ncias aumentam. +T* 2do ?ngl#s 8+ositive Temperature *oefficient8 coeficiente de temperatura positiva3. R&(i(tor&( '&&+'&+t&( 'a t&+(0o JVDR 0o compostos de pó de carbonato de silício comprimido por meio de um processo de sinteriaço e em seguida colocado num alo1amento. Baristores ou B6K 2do ?ngl#s 8 Voltage Dependent Resistor8 resistor dependente da tenso3. A partir de uma determinada tenso 2o valor depende do tipo de resistor3, a resist#ncia diminui. Utiia50o +o( a"to$&i( stabiliaço da tenso. +roteço contra e"cessos de tenso. R&(i(tor&( (&+(B&i( " JLDR 0o feitas de materiais semicondutores como o antimonieto de índio ou sulfureto de c!umbo. A lu que incide nos materiais semicondutores provoca o aumento do n%mero de elétrons livres, reduindo consequentemente a sua resist#ncia. M6K 2do ?ngl#s 8Lig!t Dependent Resistor8 resist#ncia dependente da lu3. Utiia50o +o &i!"o Iediço da intensidade da lu - como lu"ímetro, durante a regulagem dos faróis. 0ensor solar em sistemas de ar condicionado.
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M6K 2do ?ngl#s 8 Lig!t Dependent Resistor8 resist#ncia dependente da lu3
1.# LEI DE OM A lei fundamental da eletricidade din(mica é a lei de O!m. la relaciona Tenso 2B3, *orrente 2?3 e Kesist#ncia 2K3) de maneira bastante simples. B$rias de suas aplicaç&es so e"ecutadas por nós diariamente, até mesmo sem con!ec#-la. Observemos o circuito abai"o
0e mantivermos constante o valor da resist#ncia e aumentarmos o valor da tenso, observamos um aumento do valor da corrente e vice-versa. 7o entanto, vimos que a corrente é também determinada pela resist#ncia, ela é uma oposiço ao flu"o de corrente. ?maginando que a tenso permanece constante, verificamos que um aumento no valor da resist#ncia causar$ uma diminuiço no valor da corrente. nto, resumindo podemos observar
ou
ou
0e ento con!ecemos os valores de no mínimo duas grandeas, c!egaremos ao resultado da terceira. +ara e"emplificar /ual seria a corrente consumida pela l(mpada no circuito abai"oW
/ual seria o valor da resist#ncia equivalente do circuito abai"oW
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/ual o valor da tenso da bateria no circuito abai"oW
Cma maneira f$cil de lembrar os princípios da Mei de O!m é a utiliaço do círculo abai"o. Membre-se que a letra XY também simbolia a tenso elétrica. - *obrindo K, obtém-se G?. Kesulta daí a resist#ncia em o!ms. - *obrindo , obtém-se ? " K. Obtém-se a tenso em volts. - *obrindo ?, obtém-se GK, que é a corrente em amperes.
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1.% CIRCUITOS EL/TRICOS +odemos considerar o circuito elétrico como o camin!o para a passagem de eletricidade. +ara obtermos um circuito completo deveremos ter, no mínimo uma fonte de energia 2bateria3, um consumidor 2l(mpada3 e condutores fec!ando o circuito.
SENTIDO DA CORRENTE 7os circuitos elétricos, a corrente elétrica circula do pólo negativo para o positivo. ste é o c!amado sentido real da corrente elétrica. ntretanto, durante muitos anos se pensou que a corrente fluía do positivo para o negativo. ste é o sentido convencional de corrente, que até !o1e é utiliada nos livros e trabal!os técnicos para representar o sentido da corrente nos circuitos elétricos. 7os veículos automotivos o negativo da bateria e consequentemente do alternador fluem para os consumidores através do c!assi e a carroceria que servem como massa 2terra3 para os consumidores.
Os Balores das grandeas elétricas so, muitas vees, muito grandes ou muito pequenos, dificultando os c$lculos. 6evido a isso, so muito utiliados os m%ltiplos e subm%ltiplos das unidades de medida. A tabela seguinte tra os mais usados
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FATOR MULTIPLICADOR S O L P I T L M
S O L P I T L M B U S
SÍMBOLO
MULTIPLICAR O VALOR POR :
TERA !T)
%&'&(
&''''''''''''
"I"A !")
%&'
&'''''''''
ME"A !M)
%&'*
&''''''
#UILO !$)
%&'+
&'''
m,l, !m)
%&'2+
'3''&
m,-ro !)
%&'2*
'3'''''&
/0/o ! /)
%&'2
'3''''''''&
1,-o !1)
%&'2&(
'3'''''''''''&
"emplos 9SZP D 9S "95=P D 9S555P EVB D E "95R D E555555555B >mA D >"95-= D 5,555>A
1.%.1 Co+3i4"ra50o 'o( !ir!"ito( As diversas cargas dos circuitos elétricos podem estar associadas entre si de tr#s formas diferentes série, em paralelo ou em mista 2associaço série-paralela3. *ircuito série m um circuito série temos os componentes ligados de maneira a e"istir um %nico camin!o contínuo para a passagem da corrente elétrica.
It I2I#I%.....I+
*orrente em um circuito série - é a mesma em todos os pontos do circuito, independente do valor de resist#ncia dos componentes do circuito. nto, se voc# interrompe o circuito em qualquer parte, toda a circulaço de corrente no circuito é interrompida. Cm e"emplo pr$tico seria a instalaço de fusível de proteço no circuito. O fusível é sempre inserido em série no circuito a ser protegido, pois um aumento no valor da corrente acima de sua capacidade nominal fa com que ele interrompa toda a circulaço de corrente, desligando o circuito.
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A tenso em um circuito série - A soma das quedas de tenso em cada componente do circuito é igual @ tenso da fonte 2bateria3.
Ut U1U2U#....U+
0e fiermos uma ligaço em série de duas l(mpadas de 9; volts em uma bateria de 9; volts, as l(mpadas acendero fracamente. 0e as l(mpadas forem id#nticas cada uma delas receber$ E volts, no atingindo ento a intensidade luminosa nominal. A resist#ncia equivalente em um circuito série - +ara se calcular o valor da corrente total consumida em um circuito é necess$rio se con!ecer o valor da resist#ncia total, ou equivalente do circuito. 7o caso do circuito série a resist#ncia equivalente do circuito é a soma das resist#ncias de cada componente.
R&H R1R2R#...RN
+ara efeito de c$lculo podemos representar o circuito como
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Cir!"ito Para&o O que caracteria um circuito paralelo é a ligaço de seus componentes de tal forma que e"ista mais de um camin!o para a passagem de corrente.
A corrente em um circuito paralelo - A corrente total fornecida pela fonte 2bateria3 é igual @ soma das correntes em cada ramo do circuito. +odemos e"plicar como mais vias de passagem possibilitam mais passagem de corrente.
It I1I2I#....I+
A tenso em um circuito paralelo - A diferença de potencial em cada componente do circuito paralelo é a mesma da fonte 2bateria3. ?sto quer dier que se ligarmos duas l(mpadas de 9; volts em paralelo, a tenso aplicada em cada l(mpada ser$ id#ntica @ da bateria, 9; volts. 7ormalmente, as l(mpadas so ligadas em paralelo, a fim de que cada uma produa sua luminosidade nominal e mesmo que uma delas queime as outras continuaro acesas.
Ut U1U2U#....U+
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A resist#ncia equivalente em um circuito paralelo - +ara se calcular a resist#ncia equivalente que causaria o mesmo efeito de um con1unto de resist#ncias ligadas em paralelo devemos
R&H R1.R2?R1R2
nto o cir cuito resumido para c$lculo, torna-se
?sto quer dier que o efeito provocado por uma l(mpada de ; o!ms, em termos de consumo de corrente é o mesmo que o circuito de quatro l(mpadas 2EPGGEPGG95PGG9SP3 em paralelo. O c$lculo direto da resist#ncia equivalente em um circuito paralelo é
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7o circuito paralelo, o valor da resist#ncia equivalente ser$
Cir!"ito Mi(to *!ama-se circuito misto, o circuito formado pela combinaço de componentes em série e paralelo. O comportamento da corrente e tenso em um circuito misto obedecem @s regras do circuito série e do circuito paralelo, quando analisado por partes. "
[I+MO0 6 A7JM?0 6 *?K*C?TO0 "emplo U 9 /ual o valor da corrente que circula no circuito abai"oW a queda de tenso em cada l(mpada.
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ncontrar o valor da resist#ncia equivalente2Keq3. *omo se trata de um circuito série a resist#ncia equivalente é a soma das resist#ncias. Keq D ;P 4 >P D EP O circuito resumido para c$lculo seria
A queda de tenso na l(mpada M9 ser$ B9 D K9 " ?9 B9 D;P";A B9D >B A queda de tenso na l(mpada M; ser$ B; D Ct U v9 D9;B U >B D FB Ou B; D K; " ? B; D >P " ; A D FB [I+MO - ; 7o circuito abai"o, calcular a corrente que circula em cada l(mpada
[I+MO - = 0e inserirmos no circuito anterior uma resist#ncia em série no valor de ;P, qual seria o comportamento da corrente em cada componente do circuitoW *omo 1$ calculamos a resist#ncia equivalente das teres l(mpadas req D ;P nto a resist#ncia equivalente do circuito vale Keq D ;P 4;PD>P
20
O circuito pode ser representado por
O con!ecimento do comportamento da corrente e tenso em partes do circuito au"iliam bastante num diagnóstico preciso. /uando torna difícil o acesso a pontos para mediço com instrumentos, a maneira mais f$cil é utiliar os c$lculos matem$ticos. 1.* TRA6ALO EL/TRICO A energia é a capacidade de realiar trabal!o. 6e acordo com a física, todo corpo em movimento realia trabal!o. Trabal!o elétrico é o trabal!o realiado pelos elétrons em movimento 2corrente elétrica3 ao atravessar um corpo submetido a uma diferença de potencial. "emplo aquecimento da resist#ncia de um c!uveiro, incandesc#ncia do filamento de uma ?(mpada. O trabal!o elétrico é diretamente proporcional @ quantidade de elétrons que atravessa o corpo 2/3 e @ tenso aplicada 2B3. A unidade de trabal!o no 0? é o 1oule 2\3. TD / " B 0e q D ? " t nto, a fórmula matem$tica para c$lculo de trabal!o elétrico é
T 4 V 5 I 5 t O/6e : T 4 tr070l8o ! 9 ). V 4 te/;o ! V). I 4 -orre/te !A). T 4 tem1o ! ). 1.7 POT8NCIA EL/TRICA A pot#ncia elétrica e"pressa a relaço entre o trabal!o realiado e o tempo gasto para reali$-lo, ou ainda, é a rapide com que se produ trabal!o ou a rapide com que se gasta energia. sua unidade de medida no . 0? é o ]att 23 e seu símbolo 2+3.. *ada componente de um circuito tem uma pot#ncia específica. /uanto mais tempo permanecer ligado, maior ser$ o consumo de energia elétrica. +or e"emplo, considere dois aquecedores de $gua. O aquecedor 8A8 aquece 9 litro d^$gua em uma !ora, enquanto que, no mesmo tempo de uma !ora, o aquecedor 8QY aquece dois litros d^$gua. O aquecedor 8Q8 é mais potente, pois realia mais trabal!o que o outro, no mesmo tempo.
21
X Y
X Y
A pot#ncia é obtida através do produto da tenso pela corrente elétrica P U I. "istem outras maneiras de realiar o c$lculo da pot#ncia, usando o par(metro resist#ncia elétrica. P
P= R xI 2
U
2
=
R
Ctilia-se a fórmula mais conveniente para cada tipo de circuito, de acordo com os dados disponíveis. ?ndependente do tipo de associaço dos resistores do circuito elétrico, a pot#ncia total fornecida pela fonte ser$ @ soma das pot#ncias de cada resistor. [I+MO -9 *alcule a pot#ncia dissipada por uma carga de KD 955P ligada a uma fonte de BDS5v
P
V
2
=
R
⇒ P =
50
2
100
P 4 (<=
[I+MO U ; m uma associaço em paralelo de > resistores cu1as pot#ncias so, respectivamente, 95,;S,955 e S5 , qual ser$ a pot#ncia total W +t D +9 4 +; 4 += 4 +> D 95 4 ;S 4955 4 S5 Pt 1:*W [I+MO U = /ual a pot#ncia dissipada por um resistor de KD9;5 P percorrido por uma corrente de ; AW P= R xI 2 = 120 P " ;; P%: /ual ser$ a pot#ncia de um circuito alimentado por uma fonte de BD 9;B corrente de ;5mAW +DB"? + D 9;B " 5,5; A P
22
*onstruço b$sica de um capacitor 9 U Iaterial isolador. ; U Terminais. = U +lacas met$licas. *arregamento das placas met$licas.
9 U U +laca isoladora. ?M U *orrente de carga ? U *orrente de descarga.
*A+A*?T_7*?A ' a capacidade que um capacitor possui de armaenar cargas elétricas. 0ua unidade no 0? é o farad 2 < 3.7o entanto, esta unidade é grande para os valores que ocorrem nas utiliaç&es pr$ticas, e normalmente usam-se as seguintes unidades 9 microfarad 2`<3 D 5,555559< 9 nanofarad 2n<3 D 5,555555559< 9 picofarad 2p<3 D 5,555555555559<
C
=
ε
A d
Onde D +ermissividade do material 2
0ímbolo gr$fico do capacitor
23
*AKVA AKIA7A6A A quantidade de cargas armaenadas por um capacitor é obtida através do produto da capacit(ncia pela diferença de potencial entre as placas. /D*[B
Onde / D *arga elétrica 2*3. * D *apacit(ncia 2<3. B D 6iferença de potencial entre as placas 2v3.
TIPOS DE CAPACITORES O( !aa!itor&( o'&$ (&r '& # tio( P)(ti!o( 7ormalmente utiliam poliestireno ou poliéster como dielétrico. +odem ser construídos com duas fol!as de alumínio bobinadas com uma fol!a de material pl$stico, ou através da vaporiaço do alumínio nas duas faces do dielétrico, num processo con!ecido como metaliaço.
C&r,$i!o( O dielétrico é constituído de material cer(mico, o que proporciona bai"os valores de capacit(ncia e alta tenso de isolaço.
E&troBti!o( Ao contr$rio dos cer(micos, t#m altas capacit(ncias com bai"a tenso de isolaço. O dielétrico normalmente se constitui de ó"ido de alumínio ou ó"ido de t(ntalo."igem atenço na montagem, pois so polariados, e a montagem pode ser a"ial ou radial.
24
Ao ligar capacitores eletrolíticos é indispens$vel observar a polaridade correta 284Y e 8-83 a fim de evitar a sua destruiço. Os capacitores encontram utiliaç&es diversas nos automóveis - no sensor IA+, por e"emplo, como elemento determinador da frequ#ncia, no temporiador da lu do !abit$culo, em filtros de interfer#ncias, módulos de controle, sistemas de igniço, etc. *om o envel!ecimento do eletrólito ou do dielétrico, os capacitores eletrolíticos perdem a sua capacidade. 6ependendo da sua aplicaço, isto pode resultar na deterioraço da efici#ncia do filtro e na alteraço da temporiaço indi cada. 7o sensor IA+, a alteraço da capacidade pode resultar numa alteraço da frequ#ncia de saída, o que poder$ originar um consumo mais elevado ou dificuldades na partida do motor. *ontudo, um sinal fora da fai"a de funcionamento normal, ou mesmo a fal!a total da unidade, so recon!ecidos pelo módulo controle eletrônico do motor.
ASSOCIAÇÃO DE CAPACITORES Assim como os resistores os capacitores também podem ser ligados em série ou em paralelo.
LIAÇÃO DE CAPACITORES EM S/RIE As capacit(ncias dos capacitores ligados em série so iguais, dado que a soma das tens&es dos capacitores é igual $ tenso total aplicada. /uando os capacitores esto ligados em série, a capacit(ncia total é sempre menor do que a menor capacidade individual.
1
Cg
1 =
C 1
1 +
C 2
1 +
C 3
+ .... +
1
Cn
LIAÇÃO DE CAPACITORES EM PARALELO /uando os capacitores esto ligados em paralelo, a capacit(ncia total é igual @ soma das capacit(ncias individuais.
C/ D *94*;4*=4...4*n
1.: MANETISMO *!amamos de magnetismo a propriedade que certas subst(ncias possuem de atrair corpos de ferro, níquel ou cobalto. A estas subst(ncias denominamos íms. Os íms podem ser encontrados de forma permanente, que ret#m a propriedade magnética por tempo indeterminado, e também na forma de im tempor$rio, que t#m duraço limitada. Os ims possuem sempre dois pólos magnéticos onde esto concentradas as forças de atuaço
25
+or convenço, as lin!as de força partem do pólo norte, por fora do ?m, e penetram no pólo sul, mantendo um campo de atraço c!amado 8campo magnético8. nto 8*ampo magnético é a regio do espaço onde se manifesta a força magnéticaY.
*omo as lin!as de força partem sempre do pólo norte para o pólo sul, ento pólos de mesmo nome se repelem e pólos de nomes diferentes se atraem.
1.; ELETROMANETISMO Além dos íms, também a corrente elétrica pode produir um campo magnético.
26
m 9F;5, :ans *!ristian Oersted descobriu que um condutor sendo, percorrido por uma corrente elétrica cria ao redor de si um campo magnético capa de alterar a direço de uma agul!a imantada. +or isso nunca esqueça Todo condutor quando percorrido por uma co rrente elétrica, gera em torno do mesmo um campo eletromagnético.
As lin!as de força do campo magnético gerada pela corrente em um condutor retilíneo t#m a forma de círculos conc#ntricos em torno do condutor.
Assim, se o condutor for enrolado na forma de uma bobina e receber uma pequena corrente elétrica, obtém-se um forte campo magnético, devido @ interaço 2soma3 das lin!as de força.
+ara se conseguir uma maior intensidade do campo magnético deve-se A3 Aumentar o n%mero de voltas do condutor 2espiras3) Q3 Aumentar a corrente elétrica que circula) *3 ?ntroduir no interior da bobina um n%cleo de ferro, que diminua a disperso do campo magnético. Assim sempre que circular uma corrente elétrica por uma bobina é gerado um 8*ampo Iagnético8. ste artifício é utiliado na construço de Kelés, ?nterruptores Iagnéticos, etc... A outra propriedade é Quando um campo magnético corta ou é cortado por um condutor é induzida uma corrente elétrica neste condutor.
27
A intensidade da corrente induida é diretamente proporcional a A3 *omprimento do condutor 2n. de espiras da bobina3) Q3 ?ntensidade do campo magnético) *3 Belocidade do movimento condutor ou do campo magnético) ste é o princípio b$sico de geraço de energia elétrica através do movimento 2/ueda d^$gua. Veradores a óleo combustível, alternadores, etc...3. sta propriedade é utiliada também na construço de motores elétricos. 1.1< REL/ O relé constitui um e"emplo pr$tico da apli caço do efeito magnético. /uando uma bobina é percorrida por corrente, forma-se nela e no seu n%cleo de ferro um campo magnético, que provoca a atraço do braço de contato em direço @ bobina, fec!ando-se em consequ#ncia os contatos elétricos do circuito. 0e a alimentaço de corrente @ bobina for interrompida, desfa-se o campo magnético. *om a a1uda de uma mola de retomo, o braço de contato regressa @ sua posiço in icial e o circuito é aberto. 7os veículos, os relés so usados para in%meras funç&es, essencialmente para a transfer#ncia de altas correntes. Além disso, a converso de impulsos elétricos em movimento mec(nico pode ser utiliada, por e"emplo, nas v$lvulas de solenóide. /uando o campo magnético se desfa, surge uma contra tenso muito elevada nos componentes atuadores 2v$lvula de solenóide, v$lvula do ar de pulsaço3. sta contra tenso 2tenso de induço3 tem de ser mantida bai"a por meio de circuitos adequados.
9 U Qraço de contato com contato elétrico. ; U Qobina com n%cleo de ferro. = U Iola de retorno. > U Migaço @ fonte de tenso. ?0 U *ircuito de controle 2comando3. ?M U *ircuito de pot#ncia 2carga3.
Os relés podem ser 7A U 7ormal Aberto Alimenta a carga 2fec!a o contato3 quando é energiado. 7< U 7ormal
85 e 86 C!$)!to %e Cont$oe o#&n%o. 30 e 87 C!$)!to %e Potn!& &$/&.
28
1.11 ERAÇÃO DE UMA TENSÃO ALTERNADA SENOIDAL *onforme vimos, quando um condutor é percorrido por uma corrente elétrica, surge ao seu redor um campo magnético. Iic!ael
1 Mo,!#ento. 2 En$o&#ento on%)to$ %e !o %e o'$e. 3 I# e$#&nente. 4 C&#o #&/nt!o. A direço da tenso induida depende da direço de movimentaço do condutor e da orientaço do campo magnético. A tenso alternada aumenta de 5B até ao seu valor positivo m$"imo 2amplitude3 e cai em seguid a abai"o da lin!a dos 5B para o seu valor negativo m$"imo, regressando depois novamente aos 5B, e assim consecutivamente. Ao n%mero de vees por unidade de tempo 2segundos3 que estas oscilaç&es acontecem d$-se o nome de frequ#ncia.
A unidade da frequ#ncia é o :ert 2:3 f =
1
T
te$&o %& ten*o $e$e*ent&%& e# on%& *eno!%& 1 #!t)%e 2 1 o*!&o tot& 1!o T U Ten*o e# ,ot* t Te#o e# *e/)n%o*
29
+K?7*+?O 6
1 E*t&to$ o# en$o&#ento* 2 Roto$ o# en$o&#ento* %e e:!t&o
U Ten*o e# ,ot*. T Te#o e# *e/)n%o*.
1.12 TRANS=ORMADOR
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um dispositivo utiliado para aumentar ou diminuir uma tenso alternada, sem variar a pot#ncia.
*onstitui-se de dois enrolamentos distintos, bobinados sobre um n%cleo de aço laminado. O enrolamento prim$rio é aquele onde se aplica a tenso, e o secund$rio é o enrolamento do qual se retira @ tenso modificada. 7o !$ ligaço elétrica entre os enrolamentos prim$rio e secund$rio. Ao percorrer as espiras do enrolamento prim$rio, a corrente cria um campo magnético, cu1as lin!as de força passam pelo n%cleo e enlaçam o enrolamento secund$rio, induindo neste uma tenso. Bp D Tenso do prim$rio ?p D*orrente do prim$rio 7p D 7%mero de espiras do prim$rio. Bs D Tenso no secund$rio. ?s D *orrente no secund$rio. 7s D 7%mero de espiras do secund$rio
Cm mesmo transformador pode ser elevador ou abai"ador de tenso, dependendo do lado em que a tenso de alimentaço é aplicada. O lado de maior tenso tem menor corrente. 0eu enrolamento, de resist#ncia elétrica alta, contém mais espiras e é feito com fio de di(metro reduido. O outro lado, aquele, de tenso menor tem corrente maior. 0ua bobina é de bai"a resist#ncia elétrica e tem menos espiras, de fio de maior di(metro. O transformador quase no tem perdas, por no possuir peças móveis. Cm transformador ideal obedece @s seguintes equaç&es. Vp Vs
=
Np Ns
=
Is Ip
Potn!& %o $!#;$!o Potn!& %o *e)n%;$!o P P* <. I <*.I*
0e o n%mero de espiras do secund$rio for maior que o numero de espiras do prim$rio o transformador ser$ elevador de tenso. *aso contr$rio, ser$ abai"ador de tenso. "emplo *alcule a tenso de saída 2secund$rio3 de um transformador que possui as seguintes especificaç&es Tenso do prim$rio igual a 995B. 7. de espiras do prim$rio >55 espiras. 7. de espiras do secund$rio F55 espiras. 0oluço
31
6ados
Vp Vs
Bp D995B Bs D W 7p D >55 espiras 7s D F55 espiras
=
Np
110
Ns
Vs
400 =
800
>55Bs D 995.F55 >55Bs D FF555 Bs D
88000 400
=
220V
Tenso no secund$rio é ;;5B 2Transformador elevador de tenso3.
II - MULT>METRO AUTOMOTIVO Agora que con!ecemos os conceitos b$sicos de *orrente 2A3, Tenso2B3 e Kesist#ncia 2P3 vamos ver como devemos operar o nosso multímetro de forma a obter as medidas dese1adas. O multímetro é uma ferramenta indispens$vel ao eletricista, que o permite diagnosticar defeitos de maneira direta. le re%ne basicamente um Boltímetro, um Amperímetro e um O!mímetro. +ara medir, basta selecionar a funço e a escala dese1ada, e utiliar o instrumento de acordo com o que foi descrito anteriormente para medidas de corrente, tenso e resist#ncia, conforme o caso. "istem multímetros convencionais 2analógicos e digitais3 e automotivos 2digitais3. Os convencionais podem ser utiliados na $rea automotiva, porém precisam de uma atenço especial nas mediç&es de resist#ncia elétrica para que o mesmo no ven!a a queimar alguns componentes elétricos automotivos, como por e"emplo, o módulo de in1eço eletrônica. O Iultímetro automotivo foi fabricado e"clusivamente para ser utiliado na $rea automotiva sem que o mesmo ven!a a danificar os componentes elétricos e eletrônicos do veículo se usado corretamente.
MU=T>METROS CON
Abai"o temos um multímetro digital ACTOIOT?BO com seus elementos e suas funç&es principais 32
Go% on/e& & #e%!o e:e)t&%&
R&n/e e*oe o nH#e$o %e &*&* %e!#&!* &$& #eo$ $e!*o n& #e%!o
Re*!*tn!&
M!!,ot ontn)o
Ten*o Contn)&
D!o%o e ont!n)!%&%e
Ten*o &te$n&%&
M!!&#A$e ontn)o e &te$n&%o
Co$$ente ontn)& e &te$n&%&.
Boto *eeto$
Bo$ne &$& #e%!o %e o$$ente &t 400# 04
Bo$ne &$& #e%!o %e o$$ente &t 10.
Bo$ne &$& ont& %e $o,& ,e$#e&. Ut!!&%o &$& #e%!o %e ten*o o$$ente %!o%o e ont!n)!%&%e. Bo$ne &$& one:o %& ont& %e $o,& $et&.
MULTÍMETRO AUTOMOTIVO DI"ITAL
33
Iedindo tenso continua
---2 6*B G B 3
0elecione as funç&es do multímetro conforme desen!o e coloque as pontas de prova em paralelo com o componente a ser medido. Iediço de tenso alternada 2 A*BGB 3
J
J ----
Iedindo corrente alternada 2A*AGA3 0elecione o multímetro conforme desen!o e coloque-o em (éri& com o componente.
At&+50oZ A !oo!a50o 'o a$&rB$&tro &$ ara&o !o$ o !o$o+&+t& 3ar) !o$ H"& o 3"(B& 'o $"tB$&tro (& ara i+(ta+ta+&a$&+t&.
34
Iedindo corrente contínua
2 6*A GA 3 ----
0elecione o multímetro conforme desen!o e coloque-o em (éri& com o componente.
At&+50oZ A !oo!a50o 'o a$&rB$&tro &$ ara&o !o$ o !o$o+&+t& 3ar) !o$ H"& o 3"(B& 'o $"tB$&tro (& ara i+(ta+ta+&a$&+t&.
35
Iedindo resist#ncia elétrica 0elecione conforme desen!o e coloque as pontas de prova em paralelo com o componente.
At&+50oZ O !ir!"ito '&& &(tar '&(i4a'o 'a 3o+t& '& t&+(0o.
Meitura informaço displa multímetro
da no do
Tome cuidado com a leitura que est$ no displa do aparel!o de mediço, ela pode estar sendo em m%ltiplos e subm%ltiplos.
9P D 9555P 9IP D 9555555 OM ou 9 0ignifica que a resist#ncia é infinita. 9mB D 5,559B
*uidados especiais com o multímetro Ao utiliarmos o multímetro temos que ter cuidados especiais para no danificar o aparel!o e nem sofrer acidentes. *!ave seletora de funç&es e pontas de prova.
36
6eve !aver coer#ncia entre a funço selecionada e a instalaço das pontas de prova.
Obs. A posiço da ponta de prova na V&r$&Fa mediço de corrente é diferente da mediço das outras funç&es. *uidado com os fusíveis e valores m$"imos de mediço O multímetro possui fusíveis internos para proteço durante a leitura de correntes elétricas, 1amais os substituam por fusíveis que no ten!am as mesmas características, estes fusíveis so de aço r$pida para se abrirem antes dos componentes eletrônicos internos do multímetro.
Tome cuidado também com a capacidade m$"ima de isolaço dos componentes do multímetro.
37
- SEMICONDUTORES Os semicondutores so sólidos cu1os $tomos se encontram dispostos em padr&es regulares, ou
se1a,que possuem uma estrutura cristalina. +ró"imos do ero absoluto 2-;= *3, os semicondutores puros atuam como isoladores. 7o entanto, @ temperatura ambiente tomam-se condutores, ainda que em pequena escala. m termos de condutividade, estes materiais^ encon-tram-se entre os metais e os isolantes, e so deno-. minados semi-condutores.
Jtomo de 0ilício Iovimentaço de elétrons num semicondutor 0i Jtomo de silício 9 elétron ; lacuna
9 +rimeira órbita - ; elétrons. ; 0egunda órbita - F elétrons = Terceira órbita - > elétrons2de 9F possíveis3 > 7%cleo
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+ara e"plicar a forma como os componentes do semicondutor funciona, utiliaremos o silício. como e"emplo, pois trata-se do material semi-condutor mais amplamente usado. Os processos atômicos so semel!antes ao do germ(nio e de outros materiais semicondutores. 7a órbita mais e"terna do $tomo de silício encontram-se quatro elétrons aos quais se d$ o nome de elétrons de val#ncia. *ada elétron de val#ncia pertence ao seu próprio $tomo e ao $tomo mais pró"imo, o que liga os $tomos entre si 2ligaço de par eletrônico3. A temperaturas muito bai"as, o elétron de val#ncia no pode sair da sua posiço na rede cristalina, pois nessas temperaturas, o cristal no condu.
0i $tomo de silício 9 létron de val#ncia ; Migaço de par eletrônico. = Kepresentaço simplificada
temperatura ambiente, os $tomos dos semicondutores movimentam-se na rede cristalina oscilam. 6esse modo alguns elétrons separam-se dos seus $tomos e movimentam-se livremente na rede cristalina. 0e for aplicada uma tenso @ rede cristalina, estes elétrons movem-se do pólo negativo para o pó lo positivo da fonte de tenso. Aos elétrons que se movimentam livremente no cristal d$-se o nome de elétrons condutores. /uando um elétron da camada ou órbita de val#ncia se afasta da sua ligaço par, cria um espaço 2vaio3, que é denominado de lacuna 2no caso, lacuna positiva, pois falta elétron3. stas lacunas contribuem também para a movimentaço de elétrons 2corrente elétrica3. /uando se aplica uma tenso a um cristal semicondutor, os elétrons condutores passam do pólo negativo para o positivo. A temperaturas elevadas, e"istem no semicondutor mais elétrons condutores e consequentemente mais lacunas. A condutividade dos semicondutores aumenta com o aumento da temperatura. m outras palavras, a resist#ncia de um semicondutor diminui com o aumento da temperatura.
R&r&(&+ta50o (i$i3i!a'a ?maginemos o cristal de silício como um recipiente de vidro e observemos os seus aspectos mais importantes as bolas 2elétrons de val#ncia3, que se perderam da rede cristalina, movimentam-se ?livremente no cristal. Os círculos pontil!ados representam as lacunas dei"adas pelas bolas. Os n%meros de bolas e de círculos pontil!ados dependem da temperatura.
9
Kecipiente de vidro *írculos lacunas Qolas elétron de val#ncia
0e aplicarmos uma tenso ao recipiente de vidro 2consideremos a placa de vidro do lado esquerdo como o pólo negativo e a placa de vidro do lado direito como o positivo3, as bolas transferem-se para o pólo positivo através dos círculos 2lacunas3. O n%mero de partículas livres portadoras de carga no semicondutor pode ser consideravelmente aumentado adicionando-se ao cristal determinadas ?mpureas.
39
9
Kecipiente de vidro *írculos lacunas Qolas elétron de val#ncia
0i Jtomo de silício 2 > elétrons de val#ncia3 0b Antimônio 2S elétrons de val#ncia3 9 elétrons *ondutores
0e introduirmos um $tomo estran!o com cinco elétrons de val#ncia na rede cristalina do silício 2quatro na órbita e"terna3, apenas quatro dos elétrons de val#ncia podem ser combinados. O quinto é utiliado para a conduço de carga. 6ado que neste caso o transporte de carga se fa através de transportadores de carga negativa 2elétrons3, d$-se a estes semicondutores o nome de condutores 7.
0i Jtomo de silício2 > elétrons de val#ncia3 ?n Jtomo de índio 2= elétrons de val #ncia3 9 létron ; Macuna
40
Os semicondutores tipo 7 possuem elétrons livres como transportadores de carga. /uando se introdu um $tomo com tr#s elétrons de val#ncia no cristal de silício, os tr#s elétrons so combinados, mas um encontra-se ausente da rede cristalina, surgindo uma lacuna. +ode acontecer que, um elétron de val#ncia de um $tomo viin!o salte para esta lacuna na rede cristalina, criando outra lacuna. 7este caso, o transporte da corrente é feito por meio de transportadores de carga positiva) por esse motivo este semicondutor é designado de condutor +. Os semicondutores tipo + utiliam-se de lacunas para o transporte de carga. +ode-se dier também que Os semicondutores do tipo 7 so redes cristalinas doadoras de elétrons. Os semicondutores do tipo + so redes cristalinas receptoras de elétrons. /uando se aplica uma tenso a um material condutor 7, !$ uma passagem de elétrons do pólo negat?vo para o positivo. /uando se aplica uma tenso a um material condutor +, !$ uma passagem de lacunas do pólo positivo para o negativo.
1 M&te$!& on%)to$ 2 =&)n&* 3 M&te$!& on%)to$ P 4 Et$on* I %!$eo %& o$$ente IE Co$$ente %e et$on* I= Co$$ente %e &)n&*
41
#.1 DIODOS SEMICONDUTORES 0e 1untarmos um semicondutor + a um 7, cria-se a denominada 1unço +7. sta 1unço forma um componente eletrônico o diodo. 7o limite entre os condutores + e 7 !$ passagem de elétrons condutores do condutor 7 para o + U as lacunas do condutor + passam para o condutor 7. A este processo d$-se o nome de difuso. +erto do l imite +-7, qualquer elétron da regio 7 preenc!e uma lacuna na regio + e na regio + as lacunas so preenc!idas por elétrons da regio 7. ?sto significa que a regio de ambos os lados da 1unço +7 possui muito poucos transportadores de carga e que, sem tenso aplicada, atua como camada isoladora.
1 Con%)to$ N 2 K)no PN 3 Con%)to$ P 4 Et$on* 5 S#'oo %o %!o%o 6 &)n&* I F):o %& o$$ente
1 Con%)to$ N 2 K)no PN 3 Con%)to$ P 4 Et$on* 5 C&#&%& %e K)no 6 =&)n&*
9 *ondutor + ; \unço + = *ondutor 7 > létrons S 0ímbolo do diodo. E Macunas *amada da 1unço
A esta camada isoladora, d$-se o nome de 1unço. ' uma ona neutra, pois oferece uma barreira de potencial. 0er$ necess$rio aplicar uma tenso mínima para que elétrons e lacunas conduam cargas através desta barreira. 0e aplicarmos uma tenso na 1unço +7, a situaço pode alterar-se de diversas formas, dependendo da polaridade se o condutor + for ligado ao pólo positivo e o condutor 7 ao pólo negativo, a tenso força a passagem de elétrons condutores do condutor 7 e de lacunas do condutor + para a camada de 1unço.sta é gradualmente reduida até desaparecer completamente na c!amada tenso direta. 0e o pólo positivo for ligado ao condutor + e o negativo ao condutor 7, a camada de 1unço desaparece e a corrente flui através do diodo. 0e o pólo positivo for ligado ao condutor 7 e o negativo ao condutor +, a camada de 1unço aumenta e o diodo bloqueia a corrente elétrica. As ligaç&es elétricas do diodo so designadas de 8(nodo8 243 e 8c$todo8 2-3, correspondendo o (nodo @ ligaço do condutor + e o c$todo @ do condutor 7.
42
"istem m%ltiplas utiliaç&es para os diodos nos automóveis) por e"emplo retificadores, protetores de inverso de polaridade, diodos de relés de corte, v$lvulas de solenóide, v$lvulas de controle do ar da marc!a-lenta, diodos unidirecionais em circuitos impressos, etc.
#.2 TIPOS DE DIODOS 6iodos retificadores Os diodos de silício so essencialmente utiliados em retificaço. 7o caso do e"emplo ao lado, as l(minas de silício, compostas de condutor 7 e condutor +, encontram-se dentro de um alo1amento. 7este diodo de silício, a corrente flui da c$psula para o cabo.
9 0ímbolo ; M(mina de sillício = Alo1amento. > Bedaço de vidro. S *abo E Terminal
A curva característica de um diodo retificador de silício é muito mais profunda na banda passante do que aquela dos diodos de germ(nio. Assim, sendo a tenso direta a mesma, !$ uma passagem de corrente maior pelo diodo retificador de silício. 7a camada de 1unço, a corrente reversa é muito pequena, aumentando apenas um pouco quando a tenso reversa aumenta. 0ó quando se alcança a tenso de ruptura do (nodo é que !$ um aumento s%bito da corrente reversa. 7a pr$tica, o valor da tenso reversa no diodo retificador de silício no deve de modo algum atingir a tenso de ruptura, pois isso provocaria a sua destruiço.
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CK Tenso reversa C< Tenso direta ?K *orrente reversa ?< *orrente direta Cs Tenso limiar C6 Tenso de ruptura 0i *urva característica do silício Ve *urva característica do germ(nio
Dio'o( &+&r
Re/!o %e 'oL)e!o %e )# %!o%o %e!#!t&%o$
7ormalmente, os diodos ener só so usados na direço do bloqueio. UR Ten*o $e,e$*& 0e a tenso aplicada e"ceder a tenso reversa admissível 2tenso IR o$$ente $e,e$*& ener ou de Kuptura3, o diodo ener condu. sta aplicaço do diodo como limitador de tenso dura enquanto a tenso aplicada e"ceder a U ten*o %e $)t)$& o) ene$ quantidade admissível. Os diodos ener so usados para proteço 1 S#'oo contra sobretenso 2por e"emplo, em instrumentos de mediço3. Cma outra aplicaço importante é a estabiliaço de tenso em sistemas eletrônicos. *ampos de aplicaço no automóvel no módulo de controle eletrônico do motor, para estabiliaço da tenso de alimentaço de S B fornecida aos sensores.
C Tenso de alimentaço 2por e"emplo, F-9>B3 CB Tenso de alimentaço estabiliada 2por e"emplo, SB3 9 Kesist#ncia.
6iodos emissores de lu O diodo emissor de lu 2M6 Mig!t mitting 6iode3 funciona no sentido de passagem.6ependendo do tipo utiliado, o diodo emite lu com comprimentos de onda na fai"a de infra-vermel!o e lu visível. Os diodos emissores de infravermel!os 2?K6 ?nfrared mitting 6iode3 so, por e"emplo, usados em barreiras luminosas. Os M6 que emitem lu visível apresentam-se nas seguintes cores verde, amarelo, laran1a, vermel!o e aul.
9 6iodo M6 ; 0ímbolo
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m automóveis, os M6 so usados como fontes de lu e como indicadores luminosos. O M6 necessita de uma resist#ncia que atue como limitador de corrente. 6ependendo do tipo de diodo, a tenso limiar situa-se apro"imadamente entre 9,=SB e ;,S B, e a tenso de ruptura entre = e E B.
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#.# RETI=ICAÇÃO AC?DC Ketificadores de meia-onda /uando se aplica uma tenso alternada 2A*3 a um diodo, a tenso é retificada, sendo o resultado a produço de uma tenso denominada de contínua pulsada 26*3. 0e a meia-onda positiva da tenso alternada for, aplicada ao (nodo, este condu e permite @ passagem da meia onda, ou se1a, !$ a passagem de uma corrente com a forma desta meia onda através do diodo. A subsequente meia onda negativa 2negativa no (nodo3 é bloqueada pelo diodo. 6urante a meia onda negativa no !$ passagem de corrente. *onsequentemente, a tenso fornecida ao consumidor consiste numa série de meias ondas positivas, separadas por períodos que correspondem @ duraço da tenso negativa, durante os quais a tenso bai"a para 5 volts.
C h Tenso alternada M9 rolamento prim$rio M; nrolamento secund$rio 69 6iodo K9 resist#ncia de carga 2*onsumidor3
C Tenso de alimentaço t Tempo 9 Tenso de saída na resist#ncia de *arga K9
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Ketificadores de onda completa O retificador de onda completa utilia um circuito em ponte com quatro retificadores. O circuito é montado de maneira que a meia onda negativa no é suprimida, mas sim totalmente utiliada. /uando a meia onda positiva da tenso alternada se encontra em M;, o pólo positivo é ligado @ e"tremidade superior e o pólo negativo @ e"tremidade inferior do enrolamento secund$rio. Assim, a corrente passa através do diodo 6;, do consumidor K9 e do diodo 6=, regressando @ ligaço negativa de M;. Os diodos 69 e 6> invertem. A tenso que passa pelo consumidor corresponde @ meia onda positiva. 0e, a meia onda negativa da tenso alternada estiver em M;, o pólo negativo é ligado @ e"tremidade superior e o positivo @ e"tremidade inferior do enrolamento secund$rio. 6este modo a corrente percorre o diodo 6>, o consumidor K9 e o diodo 69,regressando @ ligaço negativa de M; Os diodos 6; e 6= invertem. A corrente gerada pela meia onda negativa percorre o consumidor na mesma direço que a gerada anteriormente pela meia onda positiva. Assim, a tenso que percorre o consumidor K9 tem a mesma polaridade em ambos os casos. A tenso que percorre K9, é também pulsada continuamente.
C h Tenso alternada M9 nrolamento prim$rio M; nrolamento secund$rio 69-> 6iodo K9 resist#ncia de carga 2consumidor3
As tens&es e correntes de saída fornecidas pelos circuitos retificadores cont#m componentes de tenso alternada e de corrente alternada. ntretanto, para muitas aplicaç&es so necess$rias tens&es e correntes contínuas puras. *om a a1uda de um circuito de filtragem, estes componentes alternados 2A*3 podem ser filtrados ou reduidos ao ponto de os seus resíduos no mais serem pre1udiciais. 7o é possível eliminar totalmente os componentes A*. O circuito de filtragem comp&e-se normalmente de uma resist#ncia e um capacitor 2circuito de filtragem K*3 ou de uma bobina e um capacitor 2circuito de filtragem M*3.
+ C
EU Ten*o %e &!#ent&o T Te#o 1 Ten*& %e *&%& n& $e*!*tn!& %e &$/& R1
C h Tenso alternada M9 nrolamento prim$rio M; nrolamento secund$rio 69-> 6iodo K9 resist#ncia de carga 2 *onsumidor3 * *apacitor
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Cir!"ito '& 3itra4&$ !o$ !aa!itor C Tenso de alimentaço na Kesist#ncia de carga K9. T Tempo.
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#.% O TRANSISTOR
O transistor é constituído por tr#s camadas semicondutoras. 7os transistores 7+7, as duas e"teriores so condutores 7, sendo a camada central +. O transistor possui, assim, duas 1unç&es +7, nas formam camadas de 1unço.
camadas um condutor quais se
primeira destas camadas d$-se o nome de emissor, emite 2envia3 portadores de carga. camada central de base. sta controla a emisso de portadores de carga. camada d$-se o nome de coletor, pois re%ne carga. "istem dois tipos de transistor o +7+ e o 7+7. 7os transistor 7+7, o emissor envia 8elétrons8) no +7+, emite 8lacunas8. O símbolo identificativo do uma seta, a qual indica a direço convencional da emissor. 7os transistores 7+7, as direç&es dos diodos so dos transistores +7+, o que significa que as da fonte de tenso ligada também devem ser
dado que d$-se o nome %ltima portadores de 9 Kepresentaço do transistor 7+7 ; 0ímbolo do circuito do transistor 7+7 missor Q Qase * *oletor
transistor emissor é corrente do opostas @s polaridades invertidas.
m seguida, é e"plicado o princípio de funcionamento do transistor, tomando como e"emplo 7+7.
o
transistor
9 Kepresentaço ; 0ímbolo do circuito do transistor +7+ missor Q Qase * *oletor
0e ligarmos o pólo negativo de uma fonte emissor e o pólo positivo ao coletor, no se passagem de corrente.
de tenso ao verifica
Os elétrons do coletor deslocam-se em pólo positivo, as lacunas da base so pelo potencial positivo e deslocam-se para entre a base e o emissor. m consequ#ncia, a camada de 1unço entre o base aumenta.
direço ao repelidas a 1unço
Os elétrons do emissor so repelidos pelo negativo da fonte de tenso e movem-se 1unço entre o emissor e a base, tal como com as lacunas da base. Assim, a 1unço emissor e a base desaparece.
potencial em direço @ sucedeu entre o
coletor e a
emissor Q Qase * *oletor KM resist#ncia de carga.
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0e aplicarmos adicionalmente uma bai"a @ base, !$ um flu"o de elétrons a base através da 1unço +7. O encontra ligado ao potencial positivo, parte dos elétrons que se encontram base e 8suga-os8 através da 1unço +7 coletor. *onsequentemente sai coletor. Cma pequena parte da emissor regressa @ fonte de tenso da desta %ltima, formando assim a 2ou corrente de controle3.
tenso positiva do emissor para coletor, que se atrai a maior na camada da entre a base e o corrente do corrente do base através corrente de base
missor Q Qase * *oletor KM Kesist#ncia de carga. KQ Kesist#ncia de base
A relaço entre a corrente do coletor e base d$-se o nome de amplificaço de contínua. Os esclarecimentos sobre o também se aplicam ao transistor +7+ com e"ceço de que deve-se levar em conta polaridade e de corrente.
a corrente da corrente funcionamento as diferenças de
Através da alteraço da tenso na base 2por meio de um potenciômetro, por e"emplo3, a corrente do coletor pode ser aumentada ou diminuída e ainda ligada ou desligada. 6esta forma, o transistor pode ser usado no só como amplificador, mas também como interruptor. 0e for utiliado um transistor como interruptor, cria-se no transistor uma tenso base emissor no sentido de passagem. A tenso aplicada tem de ser maior do que a tenso limiar, a fim de dei"ar passar a corrente do coletor. O consumidor é ligado ao cabo do coletor. 0e for utiliada, por e"emplo, uma resist#ncia dependente da lu na alimentaço de tenso da base-emissor, o transistor pode ser usado como interruptor dependente da intensidade da lu. 7o se inclui nesta publicaço uma e"plicaço de outros tipos de transistor, pois isto ultrapassa o (mbito deste curso b$sico. 7os automóveis, o transistor é usado essencialmente como interruptor, pois no se baseia na abertura e fec!amento de contatos, constituindo um interruptor e"tremamente r$pido e isento de desgaste 2ver, por e"emplo, igniço transistoriada3. A7AMOV?A 6O TKA70?0TOK *OI O KM' 50
Cm transistor se parece muito como um relé numa forma eletrônica. Os relés so utiliados sempre que uma corrente precisar ser transferida por uma fonte remota. Cm transistor pode e"ecutar esta funço com maior velocidade e maior confiabilidade. +ara e"plicar mel!or como um transistor funciona, iremos comparar sua funço @quela de um relé e"ecutando a mesma tarefa.
Operaço ?magine a parte interna de um transistor 7+7 como sendo uma combinaço de relé e diodo. O 8relé8 do transistor é ativado para completar um circuito entre o coletor e o emissor sempre que a 8bobina do relé8 é energiado. Be1a como um 8diodo8 est$ ligado por fio dentro do transistor. A corrente só pode fluir a partir da base ao emissor 2devido ao diodo na e"tremidade do emissor3. /uando o transistor tiver a polaridade e o nível de tenso corretas fornecidos @ sua tra1etória da baseGemissor, ele é c!amado de transistor polariado diretamente. sta condiço fa com que o transistor se ative e se ligue do coletor ao emissor. ?sto completa o circuito @ carga. Tanto a pequena corrente de controle 2baseGemissor3 como a grande carga de corrente 2coletorGemissor3 compartil!am do mesmo terminal ao terra do emissor. ?sto significa que o transistor 7+7 pode ser utiliado como um interruptor do lado do terra onde a tenso da bateria 2Q43 1$ foi fornecida ao dispositivo de saída. O dispositivo necessita somente de um terra 2fornecido pelo transistor3 para funcionar. Os transistores podem transferir uma carga muito mais rapidamente que um relé. les so também mais confi$veis, pois no possuem peças móveis que possam fal!ar ou desgastar-se. 7en!um técnico de motores de desempen!o moderno pode imaginar os atuais in1etores de combustível eletrônicos sendo acionados por relés individuais. 0ó para aguçar a sua imaginaço, voc# acredita que in1etores de combustível acionados por relés podem ser confi$veis, dur$veis e com capacidade de e"ecuço na velocidade de um motor automotivoW 7ota Alguns transistores t#m a capacidade de estarem parcialmente ligados. les produem sinais analógicos.
+olariado diretamente - Tenso aplicada a um transistor de tal maneira que o transistor permite um grande flu"o de corrente através do mesmo 2passa a conduir3.
#.* SIM6OLOIA DE
COMPONENTES DE CIRCUITOS
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IV
-SINAIS EL/TRICOS - ELETRÔNICOS 53
"istem dois tipos de sinais elétricos utiliados nos sistemas controlados eletronicamente 6?V?TAM e A7AMV?*O As entradas e as saídas comunicam e funcionam utiliando ambos os tipos de sinais elétricos.
%.1 SINAIS DIITAIS Cm sinal digital est$ M?VA6O ou 60M?VA6O. /uando visto com um osciloscópio, um sinal digital gera um padro de onda quadrado quando ativado repetidamente. Os sinais digitais so produidos por - ?nterruptores M?VAG60M?VA. - 0ensores de efeito !all. - sensores óticos. 7ota stes dispositivos esto e"plicados em detal!es no curso de in1eço eletrônica. +or enquanto é necess$rio somente recon!ecer que diferentes sinais elétricos so utiliados em diferentes situaç&es e que esses sinais so analógicos ou digitais. 6?V?TAM-Cm sinal elétrico com dois estados U M?VA6O0 ou 60M?VA6O0 2O7GO<<3.
%.2 SINAIS ANAL@ICOS Cm sinal analógico é vari$vel. A tenso varia dentro de uma certa fai"a com o tempo. /uando visto com um osciloscópio, os sinais analógicos podem ser A* ou 6*. Analógico U Cm sinal de tenso que pode fornecer informaç&es numa fai"a de tenso. 6* U *orrente *ontínua A* U *orrente Alternada 54
E&$o( '& Xo+'a(Y '& (i+ai( a+a4i!o(.
E&$o '& "$ (&+(or a+a4i!o – S&+(or '& o(i50o 'a oro&taJTP Cm dispositivo tal como o sensor de posiço de da borboleta de aceleraço2T+3 produ um sinal analógico. +or e"emplo, a saída do valor da tenso de um sensor de posiço da borboleta em marc!a-lenta é tipicamente de 9B ou menos. A tenso gradualmente conforme a borboleta abre-se.
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