Texto: Humberto Manavella Sistema de ignição - princípio de funcionamento - Parte 1
A partir de informações retiradas do livro "Controle Integrado do Motor", a matéria analisará, brevemente, o funcionamento e características básicas do sistema de ignição utilizado nos motores de ciclo Otto. Nesta primeira parte, será apresentado o princípio de funcionamento dos métodos usados para gerar a alta tensão. Na próxima edição falaremos sobre as características: "avanço" e "ângulo de permanência". Primeiramente, vamos relembrar a função do sistema de ignição:gerar a alta tensão necessária necessária à formação formação da centelha, no momento apropriado do ciclo de compressão. O sistema de ignição deve ser capaz de controlar, com precisão, o ponto de aparecimento da centelha. Esse instante é denominado de "ponto de ignição", é referenciado ao ponto morto superior (PMS) do ciclo de co comp mpres ressã são o e deve deve ac acon onte tece cer, r, se semp mpre, re, co com m ce cert rta a ante anteci cipa paçã ção o em rela relaçã ção o ao PMS. PMS. Ta Tall ante anteci cipa paçã ção o deno denomi mina na-s -se e "avan "avanço ço"" e se seu u valo valorr é indicado em graus (º). Como será visto, a centelha acontece quando é acionado o mecanismo de "disparo", que pode ser implementado com um dispositivo dispositivo mecânico (platinado) (platinado) ou semiconduto semicondutorr (transisto (transistor, r, alojado alojado na unidade de comando ou no módulo de ignição). A alta tensão necessária à formação da centelha pode variar, entre 8.000 volts e 15.000 volts, aproximadamente, dependendo da bobina utilizada e do estado das velas e cabos de alta tensão. No entanto, atualmente existem sistemas que podem fornecer até 40.000 volts. Para motores de ciclo Otto existe basicamente dois métodos para gerar a alta tensão necessária, a partir da tensão fornecida pela bateria: • geração por descarga capacitiva e por descarga indutiva. 1. Descarga capacitiva Estes sistemas, praticamente, não são mais utilizados e foram aplicados no passado em veículos de alta performance, como o Porsche 911 (figura 1). Em seu funcionamento, um circuito eletrônico converte a tensão de bateria em tens tensão ão co cont ntín ínua ua de 400 400 volt volts, s, que que é util utiliz izad ada a para para ca carr rreg egar ar um capacitor. No momento apropriado, o acionamento de uma chave eletrônica permite descarregar a energia que está armazenada no capacitor, sobre o prim primár ário io da bobi bobina na de ign ignição ição,, de form forma a abru abrupt pta. a. Pe Pela la rela relaçção de transformação, no secundário é gerada a alta tensão necessária. Como mostrado na figura 1, os componentes são: • Conversor: eleva a tensão de 12V a 400V. • Capacitor: armazena energia
• Mecanismo de disparo: platinado e interruptor eletrônico. • Bobina: eleva a tensão de 400V a 10.000V ou mais. • Distribuidor: determina o ponto de ignição, abrindo o platinado, e distribui a alta tensão através do rotor. 2. Descarga indutiva O sistema de ignição por descarga indutiva originou-se numa patente do ano 1908 e atualmente é utilizado em praticamente todos os motores de ciclo Otto. Nestes sistemas (figura 2), o primário da bobina de ignição, alimentado pela tensão de bateria, se carrega durante certo tempo (ângulo de permanên permanência cia:: tempo tempo em que o interr interrupt uptor or perman permanece ece fechad fechado). o). No instante apropriado, o interruptor abre e a energia armazenada no primário é transferida para o secundário, onde é gerada a alta tensão. A bobina é, na reali rea lida dade de,, um tran transf sfor orma mado dorr que que ele eleva va a tensã tensão o primá primári ria a ao aoss níve níveis is necessários à geração da centelha. Como mostrado na figura 2, os componentes são: • mecanismo de disparo: platinado; - bobina: eleva a tensão de 12V a 10.000V. • distribuidor: determina o ponto de ignição abrindo o platinado e distribui a alta tensão através do rotor
Segu Seguind indo o o avan avanço ço da tecno tecnolo logia gia,, o mecan mecanis ismo mo de disp dispar aro o pass passou ou do "platinado", na ignição convencional, ao uso de dispositivos semicondutores, presentes nos "módulos de ignição" dos sistemas atuais. Nota: ainda que não interfira em sua compreensão, a matéria pressupõe o conhecimento de alguns conceit eitos básicos como o de indução eletromagnética (aplicado ao transformador ou bobina) e de capacitância (capacitor ou "condensador"). Entre as muitas publicações que tratam dos referidos referidos temas, temas, mencionamos mencionamos "Eletroeletrô "Eletroeletrônica nica Automotiva", Automotiva", do mesmo autor. Sistema de Ignição - características básicas - Parte 2
O objetivo deste artigo é analisar, de forma sucinta, o sistema de ignição utilizado nos motores de ciclo Otto. Nesta segunda parte, serão analisadas as características básicas: "avanço" e "ângulo de permanência". Avanço do Ponto de Ignição Para que a combustão seja eficaz, o máximo de pressão na câmara deve aconte acontecer cer pouco pouco depois depois do ponto ponto morto morto superio superiorr (PMS). (PMS). Isso porque porque (e conseqüentemente o aumento de pressão) necessita de certo tempo (de 1 a
3 ms), a ignição da mistura deve acontecer antes do PMS. O tempo de combustão ou queima da mistura independe da velocidade de rotação do motor. Portanto, o momento da ignição (início de combustão), avaliado em graus de giro do virabrequim, deve ser modificado, adiantado ou atrasado com relação ao ponto morto superior (PMS) e em função da rotação do moto motor. r. Essa Essa varia variaçã ção o do ângu ângulo lo de iníc início io da co combu mbust stão ão deno denomi mina na-s -se e "avanço do ponto de ignição".
Tanto Tanto no sistema por descarga descarga capacitiva capacitiva como no de descarga indutiva, indutiva, o avan avanço ço do pont ponto o de igni igniçã ção o é dete determ rmin inad ado o pelo pelo inst instan ante te em que que o interruptor ou chave eletrônica abre, provocando a transferência de energia para o secundário. Nos modernos sistemas de ignição eletrônica, o avanço aplicado depende • da rotação do motor; • da carga a que está submetido o motor; • da temperatura; • do tipo de mistura admitida (rica, pobre, ideal); • do tipo de combustível utilizado. Para evidenciar a influência do avanço no funcionamento do motor, a figura 1 apresenta a evolução da pressão no cilindro em função do momento da centelha ou início da combustão, para três avanços diferentes do ponto de ignição: 50º [1], 30º [2] e 10º [3] antes do ponto morto superior
Os valo valores res apres apresent entad ados os são são apena apenass de exemp exemplo los, s, já que que os me mesm smos os variam de motor para motor e dependem sensivelmente do estado de carga e rotação. • Para a curva A, o avanço do ponto de ignição aplicado é de 50º [1]. A pressão no cilindro atinge o máximo antes do PMS pelo que se opõe ao movimento ascendente do pistão, e é suficientemente elevada como para prov provoc ocar ar os osci cila laçõ ções es em torn torno o do PMS, PMS, resu result ltan ante tess do fenô fenôme meno no de detonação. Nesse caso, há perda de eficiência e possibilidade de danos mecânicos. • A curva B representa a evolução da pressão para um avanço de 30º [2]. A pressão máxima é menor e aumenta de forma gradual até o máximo, 15º após PMS. No caso do exemplo, esse avanço seria o que propicia o melhor rendimento da força expansiva dos gases.
• A curva C representa a variação da pressão para um avanço de 10º [3]. Nesse caso, o pico de pressão ocorre com bastante atraso, já no ciclo de expansão e com a conseqüente perda de energia.} • A curva D representa o caso em que não há centelha. Ângulo de Permanência Uma Uma ca cara ract cter erís ísti tica ca próp própri ria a ao aoss sist sistem emas as de desc descar arga ga indu induti tiva va é a necessidade de que pelo primário deve circular a corrente de carga, durante certo tempo, antes do instante da descarga. Esse tempo de circulação da corr co rren ente te prim primár ária ia é nece necess ssár ário io para para perm permit itir ir a ca carg rga a da bobi bobina na.. É denominado "Ângulo de Permanência".
Para ilustrar o conceito, a figura 2 apresenta o exemplo de um motor de 4 cilin cilindr dros os co com m plat platina inado do.. O ângu ângulo lo de giro giro dura durant nte e o qual qual o inte interru rrupt ptor or perm perman anec ece e fech fechad ado o (ent (entre re os pont pontos os A e B) repr repres esen enta ta o ângu ângulo lo de permanência dos diversos cilindros. • Os pontos indicados com A representam os momentos em que o platinado fecha fecha.. Indic Indicam am o iníc início io do ângu ângulo lo de perma permanên nênci cia a e da circ circula ulaçã ção o de corrente no primário. • Os pont pontos os indi indica cado doss co com m B repr repres esen enta tam m os mome moment ntos os em que que o interruptor interruptor abre, marcando o início da centelha. centelha. Nesse instante, a corrente corrente no prim primár ário io se inte interr rrom ompe pe e no se secu cund ndár ário io apar aparec ece e a alta alta tens tensão ão que que provoca a centelha.
O oscilograma mostra as formas de onda da tensão secundária (quilovolts) e da corrente primária. Nota:: o avan Nota avanço ço do pont ponto o de igni igniçã ção o é expr expres esso so em grau grauss de giro giro de virabrequim, antes do ponto morto superior (APMS) ou depois do ponto morto superior (DPMS). O ângulo de permanência é expresso em graus de giro do virabrequim. Os sistemas por descarga capacitiva se caracterizam por possuir ângulo de permanência praticamente nulo. Regulagem do ponto inicial de ignição - Parte 3
Nas edições edições anterio anteriores res aborda abordamos mos os proced procedime imento ntoss de regula regulagem gem do pont ponto o de igni igniçã ção o de grand grande e part parte e dos dos veíc veícul ulos os injet injetad ados os co com m igni igniçã ção o dinâmica. Nessa edição falaremos sobre as novas rodas fônicas Volkswagen Dica 1: Os novos conjuntos flange / roda fônica
Os novo novoss co conj njun unto toss de roda roda fôni fônica ca do se sens nsor or de rota rotaçã ção o e flan flange ge de vedação traseira do virabrequim começaram a ser montados nos motores Volkswagen a partir de 1999.
Os primeiros veículos a utilizar esse conjunto foram o Gol e a Parati 1.0 16V turbo.
Hoje todos os veículos veículos Volkswagen Volkswagen com ignição ignição estática estática (sem distribuidor), distribuidor), com ou sem acelerador eletrônico, vem equipados com a roda fônica junto ao flange de vedação na parte traseira do motor, atrás do volante.
Existem três modelos distintos de conjuntos flange e roda fônica que podem ser encontrados:
• Bruss (figura-1) • Sabó (figura-2) • Freudenberg (figura-3) Veja imagens abaixo em Galeria de Fotos.
Montagem do conjunto:
Na montagem da parte traseira do virabrequim, primeiramente deve ser instalado o flange de vedação e depois a roda fônica.
Cada roda fônica (Bruss, Sabó e Freudenberg) possui uma posição ideal de montagem, conforme explicaremos a seguir:
Com o primeiro cilindro no ponto morto superior PMS, o furo guia da roda fônica deve estar alinhado com a referência indicada existente no flange de vedação (figuras 1,2 e 3).
Observações importantes
Por servir como referência para o sensor de rotação e PMS, a roda fônica possui posição específica de montagem.
Sua instalação incorreta ocasiona erro no controle do avanço de ignição e nos cálculos do tempo de injeção.
Ou seja, se a roda fônica for instalada incorretamente serão geradas falhas generalizadas no funcionamento do motor como:
• Baixo desempenho • Alto consumo • Dificuldade na partida
Para que se tenha precisão na montagem da roda fônica é recomendada a utilização do dispositivo (ferramenta) especial para esse fim.
O procedimento de montagem, com a ferramenta especial, será abordado na próxima edição.
Regulagem do ponto inicial de ignição - Parte final
Nessa edição, apresentaremos o procedimento de montagem dos novos conjuntos flange / roda fônica Sabó aplicados aos veículos Volkswagen A fixação da roda fônica é feita por interferência. A roda entra sob pressão na extremidade traseira da árvore de manivelas, próxima ao flange do retentor. A fixação por interferência se dá na parte lisa do eixo onde trabalha o retentor. Portanto, sem condição de haver um rasgo de chaveta ou qualquer tipo de entalhe que pré-determinaria uma só posição.
Em função disso, deve-se usar um dispositivo (ferramenta especial) para que a roda fônica seja colocada, sem possibilidade de erros, na posição
correta. Caso contrário, serão geradas falhas no funcionamento do motor como: motor não pega, motor falhando (não abre “giro”), marcha-lenta irregular etc.
Procedimento de montagem do conjunto retentor (flange)/roda fônica Sabó (Veja imagens abaixo em Galeria de Fotos)
1 - Instale o retentor/ flange novo na extremidade traseira do virabrequim (figura 2). Utilize o “sleeve” plástico que acompanha o conjunto para evitar danos ao lábio do retentor;
2 - Para que a roda fônica não caia no momento de sua colocação, aplique uma pequena camada de graxa na face plana do dispositivo (figura 1);
3 - Posicione a roda sobre a ferramenta Sabó. Encaixe seu furo de referência no pino de referência da ferramenta (figura 1);
4 - Centralize visualmente a roda em relação ao dispositivo;
5 - Com o flange instalado e a roda fônica devidamente acoplada à ferramenta, posicione-a nos orifícios existentes na parte traseira do virabrequim (figura 2). Observe que a ferramenta encaixa-se em uma única posição;
6 - Com uma chave 17 mm, aperte alternadamente os dois parafusos de fixação da ferramenta até que encoste, face a face, com a extremidade traseira do virabrequim (figura 1);
7 - Retire a ferramenta efetuando a operação inversa.
8 - Feito isso, a roda fônica já estará perfeitamente instalada (figura 2);
9 - Reinstale tudo o que foi retirado.
Observação importante: Para os conjuntos Bruss e Freudenberg, embora o procedimento de montagem seja similar ao que acabamos de descrever, deve ser utilizada outra ferramenta especial (dispositivo de instalação).
Eletricidade Básica Automotiva - parte 1 Nesta série de artigos, trataremos do aprendizado de eletrônica básica voltada para a reparação automotiva, visando ajudar os técnicos reparadores na compreensão e conseqüente solução de problemas eletroeletrônicos no automóvel.
Começaremos os conceitos físcios básicos. Matéria é qualquer substância sólida, líquida ou gasosa que ocupa lugar no espaço. Tudo na natureza é composto por matéria. Energia é aquilo que consegue realizar um trabalho. Energia elétrica, energia mecânica, energia luminosa, etc. Átomo é a menor parte de um elemento que ainda mantém suas características. O Núcleo é constituído por prótons (carga positiva) e nêutrons (não possuem carga). Os elétrons (carga negativa) constituem a eletros fera e orbitam ao redor do núcleo por causa da atração que há entre eles. Magnetismo - o princípio que mantém os elétrons de um átomo girando ao redor do núcleo é o magnetismo – cargas de mesmo sinal se repelem e cargas de sinais opostos se atraem. O mesmo tipo de força dos imãs existe entre os elétrons e os prótons de um átomo. Quando o átomo possui a mesma quantidade de prótons e elétrons, ele estará em equilíbrio, que é a tendência normal de todo átomo. Quando o átomo possui mais prótons que elétrons, ele está positivamente carregado. Os elétrons que giram mais próximos do núcleo são fortemente atraídos e os que giram em camadas mais afastadas do núcleo são atraídos com menor intensidade, podendo vir a desprender-se do átomo. São os elétrons livres.
Tipos de materiais existentes: Condutores – aqueles materiais cujos átomos liberam facilmente os elétrons livres. Exemplos: cobre, alumínio, ouro, prata, etc. Isolantes – materiais cujos átomos têm grande dificuldade para liberar os elétrons livres. Exemplos: borracha, plástico, vidro, madeira, cortiça, etc. Conceitos básicos de eletrecidade O estudo dos fenômenos elétricos está associado à diferença da quantidade de elétrons entre dois meios. Os primeiros conhecimentos apareceram com a eletricidade estática (atrito em meios isolantes ou isolados), que, apesar de ter pouca potência, pode causar danos em circuitos eletrônicos, ruídos, interferências e centelhas.
TENSÃO
A caixa d´água tem grande quantidade de água a uma determinada altura do solo, o que fornece um potencial para que a água se transfira até o solo, caso haja um condutor.
Para o deslocamento de elétrons através de um condutor, é necessário que exista um estímulo, uma diferença no nº de elétrons entre dois pontos, que chamamos de tensão. Para entender melhor: A bateria tem uma grande diferença de elétrons entre seus pólos, o que provoca uma tensão.Se houver um condutor de elétrons, estes irão se transferir de um pólo a outro, dando origem à corrente elétrica. Corrente
elétrica - quando os pólos positivo e negativo de uma bateria se conectam através de um fio condutor, um grande nº de elétrons livres caminharão em direção ao pólo positivo, pois cargas opostas se atraem. Esse fluxo de elétrons é chamado de corrente elétrica.
O movimento dos elétrons pelo condutor é equivalente ao movimento da água pelo cano, provocado pela diferença de potencial de elétrons, na bateria e de altura. Quanto maior a altura da caixa d´água, maior o potencial, o que proporcionará um fluxo de água maior. Se a tensão da bateria for maior, haverá mais elétrons sobrando no pólo negativo, portanto, a corrente elétrica será maior.
Eletricidade Básica Automotiva
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Dando continuidade a série e artigos sobre eletricidade básica voltada para reparação automotiva, nesta edição vamos explicar sobre material, circuito, eletromagnestismo e indutores.
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Natureza do material: Quanto maior o número de elétrons livres que se encontram no material, menor será a resistência ao fluxo da corrente.
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Comprimento do material: Quanto maior o comprimento do condutor, maior será a resistência ao fluxo da corrente.
Área do material: Quanto maior a área do material, menor será a resistência ao fluxo da corrente.
Temperatura do material Quanto maior a temperatura do condutor, maior será a resistência ao fluxo da corrente. A resistência é medida em ohms com uso de um ohmímetro. Obs.: alguns tipos de materiais apresentam características diferentes quanto à temperatura, como o NTC e semicondutores. Associação de Resistores Em um circuito, podemos ter resistores associados de diversas formas. A maioria pode ser resumida em série e em paralelo. Veja um exemplo de uma associação e como o resistor equivalente é calculado. Em série Resistores estão associados em série quando estão ligados um após o outro, sendo que a corrente que circula em todos é
Os certificados estão chegando...
a mesma, e a tensão se divide em cada um. A resistência equivalente é a soma das resistências em série.
Em paralelo Resistores estão associados em paralelo quando seus terminais estão ligados juntos, sendo que a tensão sobre eles é a mesma, e a tensão e a corrente se dividem proporcionalmente para cada um. A resistência equivalente é calculada de acordo com a fórmula abaixo.
Resistor variável: Também conhecido por potenciômetro, é composto por um elemento resistivo (grafite, fio, etc.) sobre o qual desliza um contato que proporciona a variação da resistência. Também conhecido como tripoidi
Circuito Elétrico A representação gráfica do circuito é chamada de esquema elétrico e pode ser composto por baterias, condutores, fusíveis, interruptores, lâmpadas, resistências, sensores, diodos, conectores, etc. Circuito em paralelo: Sua característica é a ligação independente dos consumidores, ou seja, se um componente deixa de funcionar, o outro funcionará normalmente. A tensão nos elementos em paralelo é a mesma, porém, a corrente se divide em função da resistência de cada lâmpada. No circuito em paralelo com baterias, a tensão final é a tensão das baterias e a
potência é a soma das potências das baterias.
Circuito em série Sua característica é a ligação em seqüência dos componentes. Quando um deixa de funcionar, todo o circuito fica desativado. A tensão que circula no circuito se divide conforme os elementos, porém, a corrente é a mesma. No circuito série com baterias a tensão final é a soma das tensões das baterias e a potência é o valor individual.
Eletromagnetismo Quando uma corrente elétrica passa por um condutor, é criado um campo magnético ao seu redor, em forma de círculos. Por ser magnetismo produzido pela eletricidade, é chamado eletromagnetismo. Indutores: Uma característica do indutor é a grande inércia de corrente, ou seja, se estiver circulando corrente em um sentido, ele tende a manter esta corrente. Se o circuito for aberto, cortando esta corrente, será gerada uma tensão elevada em sentido contrário, na tentativa de manter a corrente inicial. Esta tensão aplicada à vela provoca uma faísca. Este é o princípio de funcionamento da bobina de ignição.
Sensor indutivo: Quando o núcleo for um ímã permanente, o indutor se comporta como um gerador, ou seja, quando ocorrer uma variação de campo magnética como uma roda dentada, ele gera uma tensão proporcional à variação do campo. É muito utilizado como sensor de rpm ou sensor de posição. Não necessita de alimentação elétrica.
Eletricidade Básica Automotiva Parte 3
Continando a série de artigos sobre eletrecidade básica voltada para reparação automotiva, nesta edição vamos explicar sobre transformadores, frequêcia, tensão e a Lei de Ohm, a primeira lei básica da eletricidade.
Os transformadores São duas ou mais bobinas enroladas sobre o mesmo núcleo, uma tensão aplicada no secundário e induzida no secundário. Pelo princípio da indução uma tensão contínua CC não será induzida no secundário.
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O valor da tensão induzida depende da relação de espiras. Os transformadores são utilizados para elevar ou diminuir o nível de tensão, solar eletricamente um circuito, filtros entre outros. (figura 1)
necessidades do cliente Curso Oficina Brasil - IQA: Qualidade para Centros de reparação Automotiva
Freqüência e tensão alternada (AC) Quando falamos de uma bateria de 12V ou de pilhas de uso doméstico, estamos falando de tensão contínua, ou seja, uma tensão que não varia no tempo, a não ser pela descarga. Uma bateria de carro tende a ficar com uma tensão constante em Mahindra chega ao torno de 14V, pois é carregada pelo alternador. Brasil Tensão alternada É a tensão que chega a nossas residências através da rede elétrica. Ela varia 60 vezes a cada segundo, de uma forma senoidal. Este tipo de tensão é muito utilizado, pois facilita a transmissão de energia elétrica, diminuindo a dissipação de potência, que é muito alta na tensão contínua, além de possibilitar a transformação do nível de tensão através de transformadores. Também é chamada de tensão AC. (figura 2)
Tensão pulsada: É a tensão que se mantém em um determinado valor e dá um pulo em certo instante. Um exemplo é da tensão do bico injetor dos veículos com injeção eletrônica, onde temos uma tensão de 12V aplicada e quando o acionamos, a tensão cai à zero. Uma característica do sensor de rotação é um buraco que aparece n sinal, relativo à marcação do ponto morto superior. Podemos observar estes sinais abaixo: (figura 3) Leis básicas da eletricidade - Primeira Lei de Ohm As três grandezas (tensão, corrente, resistência elétrica) mantêm uma relação constante, que foi verificada por um físico alemão, transformando esta relação na primeira lei de Ohm, um dos mais importantes conceitos da eletricidade.
Desta lei, derivam outras duas fórmulas de extrema importância:
Cronograma Pit Stops IVG
Exemplo: Vamos calcular a corrente e a tensão nos pontos A, B, C, D e E no circuito abaixo. (figura 4) Quando temos resistências em série, estas devem ser somadas, portanto, se temos quatro resistências de 1 em série, teremos uma resistência total de 4 . A corrente é calculada por
A corrente total que circula no circuito é de 3A. A tensão no ponto E, por estar ligado ao negativo da bateria, é 0V. A tensão no ponto D é a queda de tensão no resistor entre os pontos D e E e, portanto, é de
Já a tensão no ponto C é a queda dos dois resistores que se encontram entre estes dois pontos: R = 2 (soma dos dois resistores entre C e E).
Calculando do mesmo modo para os pontos A e B, encontramos:
Potência É a capacidade de realizar trabalho e é dada pela fórmula:
da qual derivam outras duas:
Eletricidade Básica Automotiva: instrumentos de medição elétrica e seus componentes - Parte 4 Nesta edição encerramos os artigos sobre eletrecidade básca automoviva, explicando os instrumentos de medição elétrica e seus componentes.
Voltímetro Instrumento destinado a medir tensão elétrica (E), medida em Volts (V). Amperímetro Instrumento destinado a medir a intensidade da corrente elétrica, em Ampéres (A). Ohmímetro Aparelho destinado à medição de resistência elétrica,em Ohms (Ω). Multímetro Aparelho que reúne vários instrumentos de medida. Pode possuir ohmímetro, amperímetro e voltímetro, todos juntos. Ponta de prova Equipamento para verificar se há interrupções em um fio condutor. Clamp Instrumento destinado a medir a corrente elétrica, com a vantagem de que não se precisa abrir o circuito para efetuar a medição. A medição é realizada de forma indireta, ou seja, através de campo elétrico. Osciloscópio Um dos instrumentos mais importantes na eletrônica, permite visualizar praticamente todas as formas de onda existentes, devendo estar presente em qualquer laboratório de eletrônica. Seu princípio de funcionamento é semelhante ao de um televisor, pois lê uma tensão e a projeta na tela através de um tubo de raios catódicos. Relé Interruptor acionado através de eletroímã, a fim de proporcionar segurança e funcionalidade, evitando queda de tensão, garantindo um bom funcionamento dos componentes elétricos. Diodo Componente eletrônico fabricado com material semicondutor, é um material que apresenta características entre as dos isolantes e as dos condutores. Sua principal característica é conduzir corrente elétrica num sentido, isto quando uma
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tensão mínima for aplicada a seus terminais.
Emissores e sensores de luz São semicondutores (diodos e transistores) que conseguem emitir ou sentir raios luminosos como infravermelho e laser. Podem ser usados para transmissão de informações ou acoplamento ótico no espaço ou através de fibra ótica. Sensor hall Componentes semicondutores sensíveis a campos magnéticos, alimentados eletricamente. NTC Tipo de resistor cuja resistência varia inversamente com a temperatura (coeficiente negativo de temperatura). Muito utilizado nos sistemas de injeção eletrônica como um sensor de temperatura.
Medição de Continuidade em Circuitos de Alta Corrente Esta matéria foi elaborada com informações retiradas do livro Eletro-Eletrônica Automotiva, e tem por objetivo apresentar, de forma sucinta, o procedimento a ser seguido para avaliar a continuidade de condutores e conexões em circuitos circulados por altas correntes: 20A-30A ou superiores. Previamente, serão apresentados alguns conceitos básicos que serão necessários ao pleno entendimento do assunto.
Resistência Elétrica É a dificuldade que todo material (condutor, semicondutor, isolante) oferece à passagem da corrente elétrica. Desde o ponto de vista da sua resistência elétrica, os materiais podem ser classificados da seguinte forma: - Condutores: teoricamente, o condutor ideal não apresenta nenhuma resistência à passagem da corrente elétrica. - Isolantes: teoricamente, o isolante ideal apresenta resistência infinita à passagem da corrente elétrica. - Semicondutores: apresentam uma resistência intermediária à passagem da corrente elétrica. Basicamente, a característica de resistência elétrica pode ser apresentada por: - todo componente que se comporta como carga ou consumidor elétrico; uma lâmpada, por exemplo. - Condutores de um circuito. A sua resistência deve ser a menor possível. - Contatos e conexões. A sua resistência deve ser a menor possível. Este último caso (contatos e conexões) é o de resistência não desejada produzida, por exemplo, pela presença de zinabre ou oxidação nas conexões.
Medição de Resistência Elétrica
Assim
Lei de Ohm
Aplicaremos as fórmulas da lei de ohm ao circuito da figura 2:
Medição de Continuidade O exemplo da figura 3 mostra a verificação do circuito de massa de um motor de partida. Suponhamos que a resistência da conexão entre o motor e a massa seja de 0,5 ohms, o que seria indicação de boa continuidade ou resistência muito baixa. No entanto, durante a partida e com uma circulação de corrente de 100A, a diferença de tensão, na conexão à massa, aplicando a lei de ohm, seria de 50 V, o que é impossível. Aplicando novamente a lei de ohm, a corrente máxima que poderia circular seria: 12V/0,5 ohm = 24 A. Mas, nesse caso, esse valor de corrente não permitiria o giro do motor. Portanto, como mostrado na figura, no caso de circuitos de alta intensidade de corrente, a verificação consiste em medir a queda de tensão entre os extremos do condutor, a qual não deverá superar 0,5 V durante o período de circulação da alta corrente. É recomendável incluir, também, os conectores na medição. Assim, no caso da figura, uma outra medição que poderia ser feita é entre o terminal negativo do motor de partida e o borne negativo da bateria. Em teoria, existe continuidade quando a resistência elétrica medida entre os extremos de um circuito elétrico (condutores mais conexões) é zero ohm. Na prática, esse valor nunca é atingido; sempre será medido um valor de resistência baixo, em torno de 0,5 ohm ou menor. A medição, com ohmímetro, somente é conclusiva em circuitos de baixa corrente. Isto porque o ohmímetro que faz parte dos multímetros automotivos não consegue medir, com precisão aceitável, valores de resistência menores que 1 ou 2 ohms. Portanto, o ohmímetro automotivo não é conclusivo na medição de resistências de contatos ou conexões, nem na verificação de continuidade em circuitos de alta corrente. Assim, para valores de resistência de 2 ohms ou menores, se utiliza o método de medir a queda de tensão, enquanto circula corrente pelo dispositivo ou conexão cuja continuidade se deseja verificar.1. Supondo Vbat = 12V, R = 100 ohms Resulta: I = 12V/100 ohms = 0,12A = 120 mA
2. Supondo I = 0,1A, R = 60 ohms Resulta: Vbat = 0,1A x 60 ohms = 6 V 3. Supondo Vbat = 12V, I = 0,5 A Resulta: R = 12V / 0,5A = 24 ohms Uma constatação importante é que, quando circula corrente, o terminal do consumidor por onde entra a corrente resulta positivo com relação ao outro, como mostra a figura 2.A compreensão dessa lei é de importância para o posterior entendimento do procedimento de verificação de continuidade. Pode ser constatado que, entre os extremos de um dispositivo com resistência elétrica R, pelo qual circula uma corrente I, existe uma tensão ou diferença de potencial elétrico, ver (fig.2) Precisamente, é a lei de ohm que relaciona essas grandezas elétricas: tensão, corrente e resistência. Assim, conhecendo o valor de duas delas, é possível calcular a outra. A lei de Ohm relaciona essas três grandezas com as seguintes fórmulas: Assim, medindo a corrente que circula por um dispositivo ou componente e a tensão entre seus terminais, é possível conhecer o valor de resistência do mesmo. Da mesma forma, conhecendo o valor de resistência R do componente e medindo a voltagem entre os terminais do dispositivo, resulta possível calcular a corrente I.- A resistência do primário de uma bobina de ignição convencional é 3 ohm ou 4 ohm (3 ou 4). - A resistência do primário de uma bobina de ignição eletrônica é de 0,5 ohm, aproximadamente. - A resistência do secundário de uma bobina de ignição é de aproximadamente 7.500 ohmsO instrumento utilizado para medir resistência é o ohmímetro.(o qual faz parte de todo multímetro automotivo). O importante a ser salientado é que, para medir a resistência de um dispositivo, o instrumento deve ser ligado em paralelo com o mesmo e com o circuito aberto, como mostra a figura 1. Ou seja, não deve circular corrente elétrica pelo dispositivo cuja resistência se deseja medir. Caso esse requisito não seja respeitado, a leitura será incorreta e, ainda, correse o risco de denificar o instrumento. A unidade utilizada para resistência elétrica é o OHM, representado com a letra grega:
Saiba mais sobre o funcionamento das denominadas “máquinas elétricas” A presente matéria, elaborada com informações retiradas do livro "Eletro-Eletrônica Automotiva", tem por objetivo, apresentar noções de magnetismo e eletromagnetismo, que permitirão abordar, nas próximas edições, o conceito de indução eletromagnética que fundamenta o funcionamento das denominadas "máquinas elétricas": motor elétrico, gerador elétrico e transformador (bobina). O magnetismo é uma propriedade de certos materiais, denominados "ímãs", de exercer atração sobre materiais ferrosos. Esta característica é encontrada na natureza, em alguns materiais como a magnetita, que geram, em torno de si, um campo magnético responsável por uma força de atração sobre o ferro, aço e outros materiais denominados "ferromagnéticos".
O eletromagnetismo, por sua vez, é o magnetismo que resulta da interação de certos materiais com a energia elétrica. É, precisamente, o eletromagnetismo que fornece uma ligação entre as energias mecânica e elétrica. Assim, utilizando princípios de eletromagnetismo, o alternador converte energia mecânica fornecida pelo motor, em energia elétrica. A aplicação dos mesmos princípios, resulta na transformação de energia elétrica em mecânica, no motor de partida.
• Ímã Todo ímã possui dois pólos denominados, por convenção, "norte" e "sul" (fig.1), e verifica-se que pólos opostos se atraem; pólos iguais se repelem..Há três tipos de ímãs:
- Naturais: Encontrados na natureza; geralmente, pequenas pedras que tem como base, minério de ferro. São permanentes.
- Artificiais: Feitos pela mão do homem; geralmente, peças de ligas metálicas que foram, durante o processo de fabricação, submetidas a intensos campos magnéticos. São permanentes.
- Eletroímãs: Utilizam corrente elétrica para gerar um campo magnético. Não são permanentes.
• Campo Magnético Todo ímã forma em torno de si um campo magnético, responsável pela geração das forças de atração e repulsão. Como auxílio à compreensão do fenômeno, admite-se que o referido campo é formado por linhas invisíveis denominadas "linhas de força" ou "linhas de fluxo", as quais concentram-se nos pólos e se espalham no espaço ao seu redor. Um ímã de alta densidade de fluxo (muitas linhas de força) exerce uma força de atração maior que um outro de tamanho similar, de menor intensidade de campo.
• Força Magnética As linhas de força magnética atravessam todos os materiais; praticamente não existem isolantes magnéticos.
No entanto, a linhas de fluxo passam mais facilmente por materiais que podem ser magnetizados, ainda que não permanentemente, que através daqueles não magnetizáveis. • Bobina, Solenóide, Eletroímã Uma bobina é um componente elétrico, também conhecido como "indutor" ou "solenóide" (fig.2), que consiste de um condutor enrolado sobre uma forma ou núcleo (ar, por exemplo). Cada uma das voltas do enrolamento denomina-se "espira". Verifica-se que uma corrente elétrica circulando por um condutor, cria linhas de fluxo magnético em torno dele na forma de círculos (fig. 3[a]). Uma característica importante a salientar é que o campo permanece enquanto haja circulação de corrente. Ao cessar a corrente, cessa o campo magnético. No entanto, se esse condutor é enrolado, formando uma bobina ou solenóide, as linhas de força circulares se somam, formando um campo magnético unificado com pólos norte (N) e sul (S) (fig.3[b]). Enquanto a corrente elétrica circula, a bobina se comporta como uma barra de material magnético, formando um "eletroímã" (fig.4). A força magnética de um eletroímã é proporcional ao número de voltas e à corrente que circula pelo condutor. Também, resulta inversamente proporcional à "resistência" que o material, que constitui o núcleo da bobina, opõe à passagem das linhas de força Assim, se o condutor é enrolado em uma forma de material ferromagnético (um núcleo de ferro, por exemplo), a força magnética aumenta de forma considerável já que o ferro possui uma "resistência" à passagem das linhas de fluxo magnético, muito menor que a do ar. Para ilustrar o conceito será utilizado o exemplo da figura. No circuito, o interruptor se encontra inicialmente, aberto (fig.5[a]); portanto, não circula corrente pela bobina. Na figura, a bússola aponta para o pólo norte magnético (terrestre). Ao fechar o interruptor (fig.5[b]) circula corrente no circuito e como conseqüência, se estabelece um campo magnético gerado pela bobina. Isto pode ser constatado pela mudança na orientação da bússola que agora, se alinhará com o eixo da bobina.
A intensidade do campo gerada por um indutor, com relação àquela gerada pelo condutor não enrolado, resultará aumento da (multiplicada) em relação direta com o número de voltas ou espiras da bobina. Existem outras formas de aumentar o campo gerado: - Aumentando a intensidade da corrente i - Enrolando a bobina sobre um núcleo ferromagnético O eletroímã é a base construtiva dos relés e das válvulas solenóide, dispositivos estes, cujo seu funcionamento será abordado com mais detalhes e bem explicado, na próxima edição.
Parte II – Eletromagnetismo - Aplicações A presente matéria, elaborada com informações retiradas do livro "Eletro-Eletrônica Automotiva", tem por objetivo apresentar dois dispositivos que baseiam seu funcionamento no fenômeno eletromagnético, o qual foi mostrado na edição anterior. São eles: a eletroválvula, ou válvula solenóide, e o relé.
•Válvula Solenóide Basicamente é um recipiente fechado contendo duas câmaras separadas por um diafragma: câmara do fluido e câmara da mola. (Fig.1)
Solidário ao diafragma está afixada uma agulha ou esfera (válvula de alívio), que assenta na sede do tubo de saída. Na condição de repouso, a mola força o diafragma e, por conseqüência, a esfera ou a agulha, assentará na sede, fechando a saída. Na câmara da mola existe ainda um solenóide envolvendo uma haste ferromagnética solidária ao diafragma. Quando energizado, o solenóide puxa a haste para dentro dele, o que provoca a movimentação do diafragma (e a esfera) no sentido de abrir o duto de saída, permitindo a passagem do fluido (líquido ou gasoso). Esse tipo de válvula é utilizada, entre outros, no sistema de controle de emissões evaporativas.
• Relé É um dispositivo que permite, com uma corrente de baixo valor (em torno das dezenas ou centenas de miliamperes), controlar correntes 20 a 30 vezes maiores. O relé é feito de um núcleo ferromagnético sobre o qual está enrolada uma bobina, formando um eletroímã, que constitui o circuito de controle do relé. O conjunto está montado em uma base metálica.
A ação de chaveamento é conseguida por um par de contatos (platinado), um dos quais e fixo. O outro está montado numa armadura móvel dentro do campo de ação do eletroímã. Esse conjunto constitui o circuito de potência. - Sem corrente na bobina (fig.2[a]), os contatos permanecem separados pela ação da armadura (mola), na qual está montado o contato móvel. - Com a bobina energizada (fig.2[b]), circula a corrente ic, já a armadura é atraída pelo eletroímã, fechando, assim, o circuito de alta corrente ou circuito de potência. A corrente i, do circuito de potência, pode ser até 20 ou 30 vezes maior que a corrente do circuito de controle (ic). Em casos especiais, como o do relé ou solenóide de partida, essa relação pode ser ainda maior. O tempo de resposta do relé (o tempo entre a aplicação da corrente na bobina e o fechamento efetivo dos contatos) é da ordem de 10 a 20 mS. Desde o ponto de vista eletrônico, o relé é um dispositivo relativamente lento e de baixa confiabilidade se comparado com os dispositivos eletrônicos semicondutores. Seu uso fica restrito ao acionamento de motores, de luzes, de aquecedores etc.
Configurações A figura 3, a seguir, apresenta diversos tipos de relé com os símbolos geralmente utilizados nos esquemas elétricos e com a numeração dos terminais padronizada segundo norma. Isso nem sempre é levado em consideração nos esquemas.
[a]. Relé "Normalmente Aberto" (N/A). Os contatos fecham ao ser ativado o relé. [b]. Relé "Normalmente Fechado" (N/F). Os contatos abrem ao ser ativado o relé. [c]. Relé "N/A-N/F". Normalmente fechado no terminal 87. Ao ser ativado, abre o 87 e fecha o 87a. [d]. Relé "N/A" com proteção por diodo contra inversão de polaridade na alimentação da bobina. Esse tipo de relé deve sempre receber tensão positiva em seu terminal 86.
Exemplo de Utilização Nos exemplos, o relé controla uma lâmpada de potência elevada (pode ser o farol alto). - A figura 4 [a] mostra a configuração para o controle por positivo, em que o interruptor, ao fechar, fornece a alimentação da bobina. - A configuração 4 [b] apresenta o controle por negativo, em que o interruptor, ao fechar, fornece massa. Em ambos os casos, a corrente que circula pelo interruptor pode ser 20 ou 30 vezes menor que aquela da lâmpada.
Nota: nas aplicações em que existe a necessidade de tempos de chaveamento menores ou de alta confiabilidade, são utilizados dispositivos semicondutores de potência ou "relés de estado sólido".
Parte III – Eletromagnetismo – Circuitos Magnéticos Esta matéria foi elaborada com informações retiradas do livro "Eletro-Eletrônica Automotiva" e tem como objetivo apresentar os conceitos de indutância e de circuito magnético.
Indutância A principal característica elétrica de uma bobina ou indutor é a sua indutância. Essa propriedade se manifesta: - quando a bobina é submetida a uma tensão alternada
- no instante em que é aplicada, ou retirada, uma tensão contínua, mas não quando a bobina é submetida constantemente a uma tensão contínua. Qualquer dispositivo elétrico constituído de bobinados ou indutores apresenta a chamada "característica indutiva", e o circuito eletrônico ao qual está conectado deverá ser protegido, já que ao retirar uma tensão contínua, aplicada ao indutor, a sua indutância é responsável pelo aparecimento de picos de tensão que podem superar em duas, ou mais vezes, a tensão contínua aplicada. No entanto, uma outra característica importante dos solenóides (a de maior interesse em nosso estudo) é a sua resistência elétrica (característica resistiva). Lembre-se que a bobina é constituída de dezena ou centena de metros de fio condutor, cuja resistência é muito baixa, mas não nula.
Circuitos Magnéticos Um circuito magnético é o caminho fechado pelas linhas de fluxo, ou de força, geradas por um ímã ou eletroímã (constituídos, basicamente, de material ferromagnético). As linhas de fluxo geram um campo magnético que é o responsável pela força de atração que o ímã exerce sobre qualquer elemento ferromagnético que se encontre em sua vizinhança. No exemplo da figura 1, o sensor de rotação de "relutância magnética variável" (constituído de ímã e a bobina) forma com a roda dentada um circuito magnético. Nesse caso, o circuito magnético é o caminho fechado, percorrido pelas linhas de fluxo, por meio do material magnético (ímã), do ar que ocupa o espaço entre os pólos e da roda dentada quando os dentes se interpõem entre os pólos.
Intensidade de Campo Magnético - Fluxo magnético O campo magnético que aparece em um circuito magnético é descrito por duas quantidades que podem ser comparadas à voltagem e à corrente, num circuito elétrico. A primeira quantidade é denominada intensidade de campo magnético e se assemelha à voltagem de uma bateria. A resposta do circuito magnético à força exercida pela intensidade de campo magnético é denominada fluxo magnético esse fluxo é formado pelas linhas de fluxo, ou de força, que saem do pólo norte e entram no pólo sul, resultado similar à corrente que flui por uma resistência quando esta é ligada aos terminais de uma bateria. O valor do fluxo magnético é determinado pela intensidade de campo e pela relutância magnética do circuito.
Relutância Magnética A relutância magnética é, em um circuito magnético, o que a resistência elétrica é em um circuito elétrico. Quanto menor a "relutância" de um circuito magnético, maior será o fluxo que poderá ser constituído e maior a força do ímã resultante. Por exemplo: a relutância do ferro é muito menor que a do ar.
Em um circuito como o [A] (figura 2), a relutância é bem maior que a do [B] porque este último possui uma maior proporção de materiais de baixa relutância. Repare que o espaço entre os pólos é preenchido pelo ferro. Conseqüentemente, o fluxo magnético em [A] é menor que em [B]. Como resultado, a magnitude do fluxo que atravessa o circuito magnético depende da presença ou não da barra de ferro. Em função do fenômeno de indução eletromagnética, no caso da configuração [C], uma tensão alternada Uab é induzida na bobina de sensoriamento (ou captora) pela introdução e retirada da barra de ferro no espaço entre os pólos. O valor dessa voltagem depende: - do número de espiras da bobina captora - da intensidade do campo magnético - da relutância do circuito (com e sem a barra de ferro) - da velocidade ou freqüência com a qual o processo se repete. O importante a notar, no exemplo, é que o fluxo magnético deve variar constantemente, para que uma voltagem seja induzida na bobina de sensoriamento. Toda vez que o processo pára, a voltagem induzida é zero. A figura 3 apresenta uma possível forma de onda obtida com o movimento contínuo da barra de material ferromagnético.
Parte III – Eletromagnetismo – condutores em um Campo Magnético A presente matéria, elaborada com informações retiradas do livro "EletroEletrônica Automotiva", tem por objetivo analisar o comportamento de condutores elétricos dentro de um campo magnético. Serão apresentados os conceitos de Força Magnética sobre um Condutor e Tensão Gerada em um Condutor em Movimento, que são fundamentais para o entendimento do processo de indução eletromagnética assim como para o funcionamento do motor e gerador elétricos. - Força Magnética sobre um Condutor Num condutor, pelo qual circula uma corrente i, colocado dentro de um campo magnético B, como indicado na figura [a], as cargas elétricas sofrem a ação de uma força F. Se o condutor estiver livre, se movimentará no sentido das setas. A força resulta proporcional ao comprimento L (porção do condutor atravessado pelo campo magnético), à intensidade do campo magnético B e à intensidade da corrente i. O princípio no qual se baseiam os motores elétricos é o seguinte:
a energia elétrica, que na forma de corrente circula por um condutor imerso num campo magnético, gera uma força que movimenta o condutor, produzindo trabalho mecânico - Tensão Gerada num Condutor em Movimento Se um condutor é movimentado, com uma velocidade v, de forma perpendicular às linhas de fluxo de um campo magnético B, como mostra a figura [b], verificase que é gerada uma tensão elétrica entre os seus extremos, resultante da ação da força F sobre as cargas elétricas. Nesse caso, em seu movimento perpendicular às linhas de força, o condutor "corta" essas linhas. Portanto: quando um condutor é movimentado, de forma perpendicular às linhas de fluxo de um campo magnético, verifica-se a presença de uma diferença de potencial elétrico entre os extremos do condutor Se os extremos do condutor são conectados a um consumidor elétrico, a tensão gerada fará circular uma corrente. A tensão gerada resulta proporcional: - ao comprimento L do condutor atravessado pelas linhas de fluxo - à intensidade do campo magnético B. - à velocidade v com que o condutor é movimentado v é a velocidade com que o condutor "corta" as linhas de força. Uma constatação importante é que, se o condutor é enrolado formando uma bobina ou solenóide, a tensão gerada (induzida) aumenta. Na figura [c], a lâmpada acende, porque o movimento da bobina, perpendicular às linhas de fluxo, gera (induz) uma tensão entre seus terminais. As linhas de força são "cortadas" pelas espiras da bobina. Já na figura [d], o movimento é paralelo às linhas de fluxo. Portanto, não há "corte" de linhas de força e, como resultado, não há geração (indução) de tensão. Esse é o princípio no qual se baseia o funcionamento dos geradores elétricos. Em alguns casos, como no das figuras, é o condutor que se movimenta dentro de um campo magnético estacionário em outros, o que se movimenta é o campo magnético (ímã).
Parte 5 – Indução eletromagnética
A presente matéria, elaborada com informações retiradas do livro "Eletro-Eletrônica Automotiva", tem por objetivo, introduzir o conceito de indução eletromagnética e a sua aplicação no transformador e na bobina de ignição. Nos veículos atuais a eletrônica e a mecânica estão cada vez mais unidas, isso exige que o reparador conheça os princípios da eletro-eletrônica e suas variáveis. É fundamental manter-se atualizado e assim estar capacitado para as novas tendências evitando ser pego de surpresa em caso de uma pane complexa. O princípio físico da indução eletromagnética estabelece que: - toda mudança no campo magnético em que se encontra imersa uma bobina ou solenóide provocará a indução de uma tensão na mesma, independentemente de como é produzida a modificação no campo magnético.
Essa alteração o pode ser provocada: 1. girando a bobina relativamente ao campo: princípio do gerador elétrico 2. modificando a intensidade do campo magnético: princípio do transformador e da bobina de ignição 3. movimentando, relativamente, um ímã e uma bobina aproximando-os ou afastandoos: princípio do sensor de rotação de relutância variável.
Transformador O transformador funciona sob o princípio de indução eletromagnética e é utilizado para aumentar ou diminuir tensão ou corrente elétrica. Nos transformadores, o fenômeno de indução é provocado por um campo magnético variável. Não há movimento relativo entre o condutor e o campo magnético. O transformador é constituído de um bobinado (solenóide) primário P sobre o qual é bobinado um outro S, denominado secundário. O núcleo destes bobinados é um conjunto de lâminas de ferro ou um outro material ferromagnético, o qual constitui o "circuito magnético" do transformador. Isto, com o objetivo de reforçar o campo gerado pelo solenóide primário, diminui a "resistência" do circuito ao fluxo magnético.
&bull Funcionamento Tomando como exemplo o circuito de figura 1, verifica-se que quando é fechado o interruptor, aparece um campo magnético na bobina P (bobinado primário). Quando o interruptor abre, o campo desaparece. Também, pode ser constatado que, tanto no momento de fechar como no de abrir o interruptor, o voltímetro conectado nos bornes da bobina S (bobina secundária) acusa a presença de uma tensão para logo após voltar a indicar zero volt. Ou seja, quando se modifica o campo magnético na bobina P existe transferência de energia elétrica para a bobina S.
Aumentando o número de voltas (espiras) de S com relação às de P, aumenta a tensão induzida diminuindo o número de voltas de S, diminui-se essa tensão. Aplicando uma tensão alternada no primário, no secundário se induz outra tensão alternada, de mesma freqüência e de valor maior ou menor, dependendo da relação de espiras entre primário e secundário. (fig.2)
Transformador de Tensão São os transformadores utilizados para reduzir ou aumentar a tensão da rede pública, por exemplo. (fig.3) Neste caso, a tensão secundária será igual a:
Vs = Vp x Ns/Np
Com: Ns: número de espiras do rolamento secundário Np: número de espiras do rolamento primário
Bobina de Ignição Como mostra a figura 4, o funcionamento da bobina de ignição é um outro exemplo do fenômeno de indução eletromagnética. Quando o platinado está aberto, não circula corrente. Ao fechar-se o platinado, começa a circulação de corrente primária (carga da bobina) que gera o campo magnético (de forma gradual) no circuito magnético. Ao abrir-se o platinado, a corrente se interrompe de forma imediata (não gradual) pelo que o campo se anula abruptamente. Esta variação de campo magnético induz a alta tensão no secundário. Observa-se que a variação do campo magnético ao anular-se é igual àquela da formação, só que de sentido inverso.
No entanto, o fator que contribui à geração da alta tensão é a velocidade com a qual se anula o campo, no momento da abertura do platinado:
- O campo se anula em algumas dezenas de microssegundos enquanto que a sua formação (ao fechar o platinado) demanda de 3 a 7 milissegundos.
A bobina de ignição tradicional é na realidade um autotransformador. Observar que o primário e secundário estão ligados entre si. Já no caso dos modernos sistemas de ignição estática de faísca perdida, a bobina de ignição é um transformador. Como mostra a figura 5, não há ligação entre primário e secundário.
Parte 6 – Eletromagnetismo: motores elétricos A presente matéria, elaborada com informações retiradas do livro "Eletro-Eletrônica Automotiva", tem por objetivo apresentar o princípio de funcionamento dos motores elétricos.
Introdução Na edição anterior, realizamos a análise do comportamento de um condutor elétrico dentro de um campo magnético apontamos que:
1) se o condutor é circulado por uma corrente elétrica, verifica-se a ação de uma força que tende a movimentá-lo no sentido perpendicular ao campo. Essa constatação fundamenta o funcionamento do motor elétrico. Este é o "efeito motor" 2) se o condutor é movimentado no sentido perpendicular ao campo magnético, verifica-se o aparecimento de uma tensão elétrica entre os seus extremos. Essa constatação fundamenta o funcionamento do gerador elétrico. Este é o "efeito gerador".
A função do motor elétrico é a de transformar energia elétrica em trabalho mecânico. Observando a figura 1, o condutor está enrolado, formando um laço ou espira. Os lados (de comprimento c), que formam um ângulo reto com o campo magnético B, experimentam um par de forças F em direções opostas. Essas forças resultam proporcionais:
- à intensidade da corrente I - à intensidade do campo magnético B - ao comprimento c (lado da espira) do condutor, imerso no campo magnético B.
Esse par de forças produz um torque (esforço de rotação em torno de um eixo) que provocará o giro da espira. O torque depende da dimensão L da bobina e da força F. Mudando o sentido da corrente I, muda o sentido das forças que atuam perpendicularmente aos sentidos da corrente e do campo. Somente com o intuito de apresentar o conceito básico de funcionamento, os exemplos mostram um motor de uma única espira. Na prática, os motores possuem várias bobinas independentes enroladas sobre um núcleo de material ferromagnético. O conjunto se denomina "armadura". Para aumentar a força, um comprimento maior de condutor pode ser enrolado formando uma bobina. A força total experimentada pela bobina será a soma das forças de cada espira. Os pólos do ímã e o espaço entre eles formam um circuito magnético. Portanto, uma outra forma de aumentar a força é diminuindo a relutância do circuito, enrolando a bobina sobre um núcleo de material ferromagnético. Alimentando a armadura com a configuração da figura 1, surge o inconveniente que a mesma somente irá girar até atingir a posição da figura 2. Para continuar a girar, deveria ser invertido o sentido da corrente, invertendo a polaridade. Como veremos a seguir, isso se consegue introduzindo um dispositivo "inversor mecânico", como é feito no motor de corrente contínua (CC ou DC).
Motor de corrente contínua Para resolver o inconveniente mencionado no item anterior, no motor de corrente contínua, a corrente é aplicada à bobina, por meio de um conjunto de contatos formados pelo anel de segmentos - ou anel comutador - e as escovas (fig.3) Como será apresentado a seguir, esse conjunto funciona como um inversor mecânico de polaridade. Cada extremo da bobina está ligado a um segmento do anel comutador. Portanto, neste último, existem tantos pares de segmentos como de bobinas que contam com armadura. Esse conjunto (anel comutador/escovas) é o responsável pela inversão do sentido da corrente, a cada meia-volta, com o objetivo de fazer a bobina girar no mesmo sentido. Invertendo o sentido da corrente, inverte-se o sentido de giro. O torque desenvolvido pelo motor é proporcional:
- à intensidade da corrente I - à intensidade do campo magnético B
- à área da bobina. O torque é máximo quando a bobina está no mesmo plano que o das linhas de fluxo (fig.3) do campo B e nulo, quando está na posição perpendicular ao plano das linhas de força (fig.5).
Visto de um outro ângulo, um motor de corrente contínua gira como resultado da interação de dois campos magnéticos como mostra a figura 4.
Na configuração da figura 4 e quando circula corrente pela bobina, a armadura atua como um eletroímã. Por motivos de clareza, na figura 4, foi omitida a indicação do campo B gerado pelo ímã. Sendo que a armadura está imersa em um campo magnético formado pelos pólos (ímãs permanentes). Esses dois campos interagem de forma que pólos opostos se atraem e iguais se repelem. Assim, o sentido de rotação é aquele indicado, resultado de que o pólo norte do eletroímã, gerado pela corrente que circula pela bobina, é atraído pelo pólo sul do ímã permanente. Nessa posição, a força desenvolvida pelo motor é máxima.
Quando a bobina alcança a posição perpendicular ao campo magnético (fig.5), a força exercida pela interação dos dois campos magnéticos é mínima. Nesse instante, as escovas fazem contato com o isolante que separa as duas metades que compõem o anel comutador (ou curto-circuitam momentaneamente, as duas metades) de forma que se interrompe a circulação de corrente nessa situação, desaparece momentaneamente o campo magnético gerado pela bobina.
Devido à inércia, a bobina continua o movimento de rotação de forma tal que, agora, a escova e1 fica em contato com o comutador c2 e a escova e2 com c1. Assim, o sentido de circulação da corrente I estabelece um campo magnético que gera um esforço de repulsão, mantendo o sentido de rotação original.
Ao completar meia-volta (180°), a bobina se encontra numa posição similar à da figura 4, mas a diferença é que A e1 está em contato com c2 e e2 com c1 isto é, na posição inversa daquela da figura 4. No exemplo apresentado, com armadura de uma bobina, a força F que provoca a sua rotação se modifica em função da posição da bobina. É máxima quando a bobina está no plano do campo B (fig.4) e nula quando está na posição perpendicular (fig.5).
Conseqüentemente, o torque também varia na mesma proporção. Como resultado, o motor do exemplo experimenta, a cada giro, oscilações acentuadas na sua velocidade de rotação.
Para estabilizar o torque gerado, os motores possuem armaduras com várias bobinas uniformemente distribuídas. Por motivos didáticos, no exemplo mostrado, a armadura possui uma única bobina. No entanto, em toda aplicação prática presente no mercado, a armadura é composta por um número maior de bobinas (até 10 ou 12), e estas, por sua vez, com centenas de espiras.
Na próxima edição, o tema será completado com a análise da configuração do motor de corrente contínua utilizado nas aplicações automotivas.
Parte 7- Eletromagnetismo – motores elétricos A análise do motor elétrico de corrente contínua foi o assunto iniciado na edição anterior, e neste mês teremos como novo tema "o princípio de funcionamento do motor de corrente alternada". Nesta matéria você vai poder entender as diferenças entre a operação da corrente contínua e a alternada. Poderá conferir as vantagens da segunda e por que ela acabou sendo mais utilizada do que a corrente contínua. Motor de Corrente Contínua - bobinas de campo Na sua implementação prática, como mostra a figura 1, os motores de corrente contínua utilizam, na maioria dos casos, eletroímãs para a geração do campo magnético. Denominam-se bobinas de campo e estão constituídas por núcleos de material ferromagnético (pólos) sobre os quais estão enrolados os solenóides ou bobinas de excitação.
As bobinas de campo são alimentadas da mesma fonte de energia contínua que alimenta o motor. Assim, surgem várias formas de interconectar as bobinas de campo e as bobinas da armadura, como podemos ver a seguir.
EM SÉRIE
Pela bobina de campo circula a corrente plena de armadura: terminal X- ligado ao A+ e terminais X+ e A-, ligados à tensão de alimentação. A característica principal deste motor é sua capacidade de desenvolver uma grande força de rotação (torque) desde a condição de motor parado. Vantagem: pode ser alimentado tanto com tensão CC ou DC (Corrente Continua) como com CA ou AC (Corrente Alternada). Desvantagem: sua velocidade varia consideravelmente em função da carga elétrica aplicada. Nas aplicações automotivas, o motor CC série é o mais utilizado, isto devido a seu alto torque inicial.
EM PARALELO As bobinas de campo são ligadas em paralelo com as bobinas de armadura: terminais X+ e A+ ligados à tensão positiva, e terminais X- e A- ligados à tensão negativa. Este tipo de motor possui a vantagem que a velocidade permanece constante ainda que com variações acentuadas de carga elétrica.
COMBINAÇÃO MISTA (série-paralelo) As bobinas de campo estão ligadas, parte em série e parte em paralelo. Controle da Velocidade de Rotação Os motores elétricos cuja velocidade de rotação pode ser controlada são denominados de velocidade variável, como por exemplo, os motores CC. A rotação pode ser regulada controlando a corrente de armadura ou a corrente das bobinas de excitação (campo). Este último, no caso do motor paralelo. Dois métodos são utilizados para controlar a velocidade de rotação do motor CC série, que é o mais utilizado em aplicações automotivas: Método 1: Inserindo um resistor em série Dessa forma a tensão de alimentação entre o resistor e o motor CC se distribui. Assim, para obter alta velocidade, no ventilador de arrefecimento, por exemplo, recebe tensão plena de bateria. Inserindo um resistor em série, parte da tensão de bateria cai nele e o restante no ventilador que gira, assim, com baixa velocidade. A desvantagem é que o resistor dissipa na forma de calor a potência não consumida pelo ventilador. Para obter mais velocidade se utiliza um reostato de vários estágios como no caso do motor da ventoinha de ventilação interna (figura 2).
Método 2: Acionando o motor com um sinal (de potência) de ciclo de trabalho variável ou de modulação por largura de pulso (PWM) Com este método, variando o ciclo de trabalho do sinal pulsado de alimentação, se modifica o valor médio da tensão aplicada ao motor. Assim, a variação da velocidade entre a condição de motor parado e a de rotação máxima pode ser contínua. Devido a seu acionamento ser feito por um sinal digital pulsado, este método é apropriado para ser utilizado nos módulos de controle eletrônicos. É empregado, por exemplo, para controlar a velocidade do motor corretor da marcha lenta em alguns sistemas de injeção eletrônica como o Bosch Mono Motronic. A vantagem deste método está na não dissipação desnecessária de potência na forma de calor. Motor CC de Ímã Permanente Com o desenvolvimento de novos materiais magnéticos têm surgido no mercado motores de corrente contínua sem bobinas de campo, as quais foram substituídas por ímãs permanentes. São utilizados tanto como pequenos motores como em aplicações de potência como motor de partida, por exemplo. Neste último caso, as vantagens são: menor peso, construção simples e menos geração de calor.
Como não possui bobinado de campo, a corrente de acionamento é fornecida diretamente à armadura, através do conjunto comutador/escovas. Motor de Corrente Alternada (CA)
MOTOR CA DE ARMADURA ROTATIVA A figura 3 apresenta um motor CA teórico. Nele a bobina de armadura é alimentada com tensão alternada através de um conjunto de anéis deslizantes. Por força da tensão aplicada, a corrente também resulta alternada. Com isto, o eletroímã gerado pela bobina alternará também a sua polaridade.
Assim, a bobina girará de forma a alinhar os pólos, por ela gerados, com os pólos do ímã permanente. Pela própria inércia, a armadura continuará a girar enquanto a tensão inverte sua polaridade, o mesmo acontecendo com as forças que então continuarão a impulsionar a bobina. O exemplo apresentado é somente ilustrativo do "efeito motor", quando a armadura é alimentada com tensão alternada. Dependendo da carga, este motor deve ser alimentado durante a partida com tensão alternada de freqüência muito baixa (nula) a qual deverá aumentar gradualmente até atingir a rotação desejada. Este motor é do tipo síncrono. Ou seja, a armadura gira com a mesma freqüência da tensão de alimentação.
MOTOR CA DE CAMPO ROTATIVO A configuração da figura 4 é utilizada em pequenos motores, de potências entre 5W e 10W (bomba de aquário, por exemplo).
A armadura constitui o estator e é composta de um núcleo ferromagnético sobre o qual está enrolada a bobina. O campo gerado por ímã permanente constitui o rotor, o qual, no exemplo, é solidário à turbina. O bobinado alimentado com tensão CA, gera um campo magnético alternado que, interagindo com o ímã, faz girar o rotor em sincronismo com a tensão alternada de alimentação. Acompanhe na próxima edição a continuação do funcionamento dos motores de corrente alternada.
Parte 8 – Eletromagnetismo – Gerador Elétrico A presente matéria, elaborada com informações retiradas do livro "Eletro-Eletrônica Automotiva", tem por objetivo, apresentar o princípio de funcionamento do gerador elétrico. Em próximas edições serão analisados: o gerador AC, também conhecido como alternador e gerador DC ou dínamo. Ainda que não mais utilizado no automóvel moderno, este último será abordado por apresentar um interesse conceitual na apresentação abrangente do tema.
&bull Gerador Elétrico A função do gerador elétrico é a de transformar energia mecânica em energia elétrica. Os dispositivos a serem abordados nesta edição e seguintes, são aqueles utilizados no veículo, e que fazem parte dos sistemas de eletrônica embarcada atuais. Os geradores elétricos podem ser de dois tipos:
1. gerador de corrente contínua: conhecido também, como dínamo ou gerador DC (DC: do inglês, "direct currente", corrente direta)
2. gerador de corrente alternada: é o alternador ou gerador AC (AC: do inglês "alternate current", corrente alternada).
Ambos os tipos funcionam segundo o princípio de indução eletromagnética que estabelece: sempre que um condutor (bobina) se movimenta dentro de um campo magnético de forma tal que, o condutor (bobina) corta linhas de fluxo, uma tensão é gerada entre os extremos do mesmo, como resultado do fenômeno de indução eletromagnética.
O conceito pode ser também, apresentado da seguinte forma: na medida em que há um movimento relativo entre um condutor e um campo magnético, uma tensão será induzida nos extremos do condutor. Este é o "efeito gerador".
No gerador elétrico podem ser identificados dois elementos principais: - "campo": É o elemento que produz o campo magnético - "armadura" ou "induzido": É o elemento onde é induzida a tensão. É constituído por um condutor enrolado na forma de bobina.
O campo pode ser produzido por um ímã permanente ou por um eletroímã. Para que haja movimento relativo entre o condutor e o campo magnético, todos os geradores possuem duas partes mecânicas: um rotor (que gira) e um estator (estacionário). Na figura 1, o campo é produzido pelo ímã permanente que constitui o estator.
Figura1 Com o rotor girando, a voltagem gerada depende: - Da intensidade do campo magnético B - Do ângulo com que o condutor da bobina corta as linhas de força - Da velocidade relativa com a qual a bobina se movimenta com relação ao campo - Do comprimento do condutor (que constitui a bobina) que está dentro do campo magnético
A polaridade da tensão depende: - do sentido das linhas de fluxo do campo magnético B - do sentido de rotação relativa da bobina com relação ao campo
Se o condutor tem a forma de uma espira giratória, os dois lados da mesma se movimentam em sentidos opostos e as tensões geradas (em cada um dos lados da espira) se somam.
&bull Configurações - No gerador AC (alternador), a armadura pode ser tanto o rotor como o estator.
- No gerador DC (dínamo), a armadura é o rotor e o campo é o estator. O dínamo é, na sua essência, um gerador AC. O conjunto "anel comutador/escovas" tem a função de "retificar" a onda alternada e transformá-la numa onda de polaridade única.
&bull Comparativo A figura 2 apresenta as curvas de intensidade de corrente em função da rotação, de um dínamo e de um alternador com, aproximadamente, a mesma potência. Como é possível visualizar, o alternador possui uma faixa de trabalho bem ampla e com um autocontrole (limitação) da corrente máxima.
Entre as vantagens do alternador, na sua aplicação ao automóvel, podemos mencionar: - fornecimento de corrente de carga, já no regime de marcha lenta - pouco desgaste, em função da corrente de carga não passar por elementos mecânicos. No caso do dínamo, como será visto em próxima edição, a corrente passa pelo conjunto "anel coletor/escova" - elevada rotação máxima. O dínamo, possuindo o conjunto anel comutador/escova, não consegue atingir a mesma rotação máxima isto, devido a limitações mecânicas - não há necessidade de uso de disjuntor. Isto é devido a que, com motor parado (alternador não funcionando), e pela presença dos diodos retificadores, não há circulação de corrente inversa, da bateria para o gerador já no dínamo, há necessidade da existência de um dispositivo interruptor/disjuntor no circuito que isole o dínamo da bateria. Caso contrário haveria circulação de corrente através do dínamo e a conseqüente descarga da bateria - fornecimento da mesma onda de tensão, independente do sentido de rotação (saída não polarizada).
Não temos a parte 08, 09 e 10
Parte 11 - Alternador Automotivo A presente matéria, elaborada com informações retiradas do livro "Eletro-Eletrônica Automotiva", tem por objetivo, apresentar a aplicação do princípio de funcionamento do gerador AC, tema abordado na edição anterior, ao alternador automotivo. Este é um gerador AC trifásico (3 fases) de campo rotativo. Possui três bobinados monofásicos distribuídos no estator, deslocados, um do outro, de 120O no espaço. Como resultado, as ondas senoidais, geradas por cada uma das fases, estão deslocadas, uma da outra, em 120O de ângulo de giro. Ou seja, a diferença de fase entre as ondas é 120O. Isto, independentemente da velocidade de rotação. Portanto, o valor da diferença de fase, expressado em unidades de tempo, dependerá da velocidade de rotação do alternador. A figura 1 mostra a configuração deste tipo de alternador, com as bobinas simbolizadas por uma única espira isto, somente a título de exemplo e para facilitar a visualização. Para facilitar a análise, será utilizado o esquemático do alternador, segundo a vista F (fig.2) onde fica evidenciado o deslocamento espacial das 3 fases. Cada uma destas se comporta como um gerador AC monofásico de campo rotativo (ver edição anterior).
Configurações de Conexão das bobinas Nos alternadores trifásicos, como mostra a figura 3, as bobinas de armadura podem ser conectadas de duas formas: - Conexão "Estrela" (Y): O neutro N (ponto central da conexão) pode ou não, ser acessível. É a configuração adotada no alternador automotivo. - Conexão "Delta": Somente possui 3 terminais de saída. Esta configuração não possui neutro real. A figura 3 apresenta os símbolos comumente utilizados na literatura, mas, sem incluir as bobinas de campo ou excitação.
Campo Magnético Para a geração do campo magnético necessário ao funcionamento do alternador trifásico, são utilizados eletroímãs, constituídos de um núcleo de material ferromagnético sobre o qual está enrolada a bobina de excitação. A figura 4 mostra o esquemático construtivo do rotor gerador do campo magnético. - Figura [4a]: Vista explodida de um rotor com 4 pólos, a título de exemplo. As aplicações automotivas utilizam rotores com um número maior de pólos.
- Figura [4b]: Bobina de excitação com a configuração de campo magnético que gera quando alimentada. - Figura [4c]: Mostra o conjunto montado e a configuração de pólos que se estabelece ao alimentar a bobina. A Figura 5 mostra o rotor de um alternador trifásico de 12 pólos.
Ondas de Tensão de Fase Para a análise a seguir, será utilizada a figura 2 considerando a configuração em estrela, com os negativos (-A, -B e -C) conectados formando o neutro. A figura 6 mostra uma possível configuração para visualizar as ondas de tensão, utilizando um osciloscópio de 3 canais, por exemplo. As pontas de medição de cada canal estão conectadas aos positivos dos bobinados e a negativa, ao neutro. O gráfico da figura 7 mostra as ondas de tensão induzida em cada fase, num giro (360 graus) do rotor. Para cada bobina e como auxílio à análise do gráfico, considerar o seguinte (além dos conceitos apresentados na edição anterior): - Ao girar o rotor um pequeno ângulo, com o pólo N na frente de uma bobina, induz nela a tensão máxima positiva no seu terminal isto devido a que corta a maior quantidade de linhas de fluxo por ângulo varrido. Isto com relação ao neutro. - Pelo contrário, ao girar o rotor um pequeno ângulo, com o pólo S na frente de uma bobina, induz nela a tensão máxima negativa. Similar ao caso anterior, mas, com polaridade invertida. Isto com relação ao neutro. - Ao girar um pequeno ângulo, de forma perpendicular (90 graus) a uma determinada bobina, a tensão induzida é nula já que as linhas de fluxo se movimentam paralelas aos lados da mesma. Não há corte de linhas. - Para outras posições do rotor, as ondas assumem valores intermediários. Com referência à figura 7, reparar que: - As ondas apresentadas o são em função do ângulo girado pelo campo durante 1 ciclo, tomando como início do mesmo, a passagem por zero da onda da fase A. - O gráfico salienta a diferença de fase entre as ondas, que é de 120º. Ou seja, a onda da fase B passa por zero volt (e aumentando) 120º após a fase A ter passado por zero. Por sua vez, a onda da fase C passa por zero, 120º após B, ou seja, 240º após A. - Sendo que o gráfico apresenta as ondas em função do ângulo de giro do rotor, não é possível calcular a freqüência de rotação. Para isso seria necessário que as ondas fossem apresentadas em função do "tempo". Nesse caso, seria possível conhecer o valor do período T para então, calcular a freqüência. Lembrar que o período é, neste caso, o tempo (em segundos) que demanda um ciclo ou giro do rotor.
Parte 12 – Alternador Automotivo A presente matéria, elaborada com informações retiradas do livro "Eletro-Eletrônica Automotiva", tem por objetivo complementar o tema abordado na edição anterior, apresentando outras características do alternador automotivo.
Freqüência O alternador automotivo é do tipo trifásico fornecendo, portanto, 3 ondas AC. Para cada fase, a freqüência da onda de tensão de saída depende:
- Da velocidade de rotação do rotor que, no caso do alternador automotivo, é o campo magnético. A uma maior velocidade corresponde uma maior freqüência. - Do número de pólos do rotor. A um maior número de pólos corresponde uma maior freqüência para uma mesma velocidade de rotação.
Tensão de Saída O alternador trifásico automotivo tem as funções de: - Fornecer a energia que alimenta todos os consumidores elétricos. - Manter a bateria carregada com o objetivo de alimentar o motor de partida e fornecer a energia elétrica necessária quando o motor está parado. Para a manutenção da carga, a bateria deve receber tensão contínua de valor 10% a 15% maior que a tensão nominal que fornece. Assim, uma bateria de 12V (valor nominal = 12,6V) deve receber una tensão contínua entre 13,7V e 14,7V, aproximadamente. Portanto, entre a saída do alternador e a bateria deve-se interpor um dispositivo eletrônico denominado "retificador", constituído por diodos e instalado internamente, o qual tem a função de converter as saídas de tensão alternada das 3 fases em uma tensão contínua de valor similar ao especificado acima. Por sua vez, para manter os valores de tensão contínua, dentro da faixa especificada, deve incluir-se ainda, um outro dispositivo eletrônico denominado "regulador", o qual pode estar instalado interna ou externamente. Desta forma, o alternador fornece uma tensão contínua com valor médio igual à tensão de regulagem. Na realidade, a onda de saída não é uma tensão absolutamente contínua. Apresenta variações (ondulações) resultantes do processo de retificação.
Essa ondulação tem uma amplitude Vr. Em condições normais não deve passar de 500 mV.
A figura 1 mostra um sinal "ideal" de saída do alternador. Um sinal real poderá apresentar oscilações e pequenas deformações com relação ao ideal.
A figura 2 corresponde a um sinal com defeito, mostrando de forma esquemática, como se deforma a onda para os casos de diodo com alta resistência e diodo aberto. Deve ser salientado que o alternador automotivo é projetado para "manter" a carga, mas não, na maior parte dos casos, para "carregar" uma bateria descarregada ou sulfatada.
Balanço do Fluxo de Energia Uma consideração importante é analisar como se processa o fluxo de energia em função da tensão do sistema.
- A figura 3 apresenta como se distribuem as correntes de saída do alternador (Is) e de bateria (Ib) para o caso em que a tensão no sistema é 11,5V. Sendo que uma bateria carregada deveria ter uma tensão de 12,6V, muito possivelmente, a mesma está fornecendo corrente e, portanto, se descarregando.
- No caso da figura 4, a tensão de saída do alternador é suficiente para alimentar o sistema e, também, manter a carga da bateria.
A situação apresentada na figura 3 é resultado, geralmente, de um alternador com defeito ou não adequado para a aplicação, ou bateria com placas em curto. Assim, pode apresentar-se a situação em que o alternador consegue repor a carga consumida durante a partida. No entanto, ao serem ativados outros consumidores, como A/C e luzes altas, pode acontecer que o alternador não consiga alimentar as referidas cargas e manter, simultaneamente, a carga da bateria. Portanto, deve ser verificada a tensão correta de carga e também a corrente máxima que fornece o alternador.
Regulagem da Tensão DC de Saída Na maioria das aplicações, a tensão gerada pelo alternador deverá ser controlada dentro de certos limites. No caso do alternador automotivo atual, por exemplo, a tensão deverá estar aproximadamente entre 13V e 14.8V, para suprir o sistema de carga convenientemente.
Como foi visto, a tensão induzida nos bobinados da armadura depende principalmente, de três fatores:
- Número de espiras das bobinas de armadura - Velocidade de rotação do rotor - Intensidade do campo magnético
Qualquer um desses parâmetros pode ser utilizado para controlar a tensão de saída, no entanto, o número de espiras é fixo e a velocidade de rotação depende da rotação do motor. Portanto, o único método prático para regulagem da tensão de saída é controlar a intensidade do campo magnético, variando a intensidade da corrente que circula pela bobina de excitação.
Conceito As figuras apresentam possíveis configurações de conexão do regulador. Este é um dispositivo eletrônico, em série com a bobina de excitação, e que, através de um sinal de ciclo de trabalho variável (PWM) modifica o valor médio da corrente que alimenta a bobina. Em operação, tudo ocorre como se o regulador fosse um "resistor variável", em série com a bobina de campo, e cuja variação modifica o valor médio da corrente de excitação:
- Com o aumento da resistência diminui a corrente de excitação e com esta, a intensidade do campo magnético. Como resultado, também diminui a tensão induzida nas bobinas da armadura. - Com a diminuição da resistência se produz o efeito inverso: aumenta a tensão induzida. Atualmente, os reguladores mecânicos foram totalmente substituídos por dispositivos semicondutores de estado sólido, que podem estar instalados interna ou externamente ao alternador. Na realidade, o regulador é projetado para manter a tensão de saída num valor de regulagem que depende do estado de carga da bateria e da temperatura ambiente, geralmente, entre 13,5V e 14,5V.
Configurações As figuras mostram duas configurações entre as possíveis existentes no mercado:
- Na configuração da figura 5 (controle por negativo), o regulador controla o valor médio da corrente de excitação através da conexão à massa da bobina, aplicando um sinal de ciclo de trabalho variável (PWM).
- Na configuração da figura 6 (controle por positivo) o regulador controla o valor médio da corrente através do positivo, aplicando um sinal de ciclo de trabalho variável (PWM).
A tensão de alimentação da bobina de excitação pode ser: - A tensão de bateria. (figura 5) - Uma tensão contínua (figura 6) gerada a partir da "retificação" das tensões de fase, através de 3 diodos de excitação.
Parte 13 - Gerador de Corrente Contínua (DC) A presente matéria, elaborada com informações retiradas do livro "Eletro-Eletrônica Automotiva", tem por objetivo apresentar o princípio de funcionamento do gerador DC, conhecido, também, como dínamo. É, basicamente, um gerador AC monofásico, de armadura giratória (ver edição de junho de 2008). Portanto, para a configuração da figura [1], a tensão nos terminais da bobina de armadura é uma tensão alternada senoidal. No caso do dínamo, estes terminais estão conectados ao anel segmentado (anel comutador) que "retifica" a onda alternada. Este último processo é uma retificação mecânica. Ou seja, pela comutação mecânica dos segmentos, a onda alternada, gerada pela rotação da bobina, é transformada em uma onda unipolar de tensão contínua. Na sua forma mais simples, o dínamo consiste de uma espira na qual, cada um dos seus extremos está conectado a um segmento de um anel metálico partido, que forma o denominado "anel comutador". (fig.[1]) Este substitui os anéis deslizantes do gerador AC. A função do comutador é inverter (mecanicamente) a conexão da bobina de armadura ao circuito de carga externo. Esta inversão ocorre no mesmo instante em que acontece a inversão da polaridade da tensão gerada pela armadura que, nesse instante, é nula devido a que os lados da espira se movimentam
paralelos às linhas de fluxo ou seja, no momento em que não há variação de campo magnético através da bobina.
&bull Funcionamento A figura [2] apresenta a operação de um dínamo de uma bobina, para 4 ângulos da mesma, durante um ciclo de rotação. O dínamo alimenta uma carga resistiva e um amperímetro mede a corrente. Os gráficos da figura [3] apresentam as ondas de tensão e de corrente. A corrente i, para cada posição da bobina é: i = V/R
- Posição [A]: A bobina se movimenta paralelamente às linhas de fluxo portanto, a tensão induzida é 0V.
- Posição [B] (comutador claro em contato com escova +): A bobina se movimenta perpendicular às linhas de fluxo portanto, a tensão gerada é máxima.
- Posição [C]: Novamente, a bobina se movimenta paralelamente às linhas de fluxo portanto, a tensão gerada é 0V. É neste ponto que se produz a comutação das escovas.
- Posição [D] (comutador escuro em contato com escova +): Novamente, a bobina se movimenta perpendicular às linhas de fluxo portanto, a tensão gerada é máxima. Nos bornes da bobina, a tensão é máxima negativa, mas, como houve comutação, a escova negativa está ligada ao borne da bobina que é negativo.
- Posição [E] (similar à posição [A]: Novamente, a bobina se movimenta paralelamente às linhas de fluxo portanto, a tensão induzida é 0V.
Desta forma, o comutador muda a tensão AC gerada pela bobina para uma tensão pulsada unidirecional com polaridade única e valor médio Vm. A corrente também é pulsada, com valor médio im. A tensão e a corrente geradas pulsam duas vezes e de forma acentuada durante um ciclo ou giro completo da bobina. Uma tensão pulsada da forma apresentada, não é utilizável na maioria das aplicações. Portanto, nas implementações práticas, a armadura possui um número maior de bobinas e comutadores (dois para cada bobina) espaçados de maneira uniforme na superfície da armadura de forma que, o espaçamento angular entre os bobinados seja a mesma. Isto, com o objetivo de produzir uma tensão contínua com oscilações de menor amplitude, ainda que com um maior número de pulsações a cada giro da armadura. Os comutadores ou segmentos (dois para cada bobina) estão montados sobre o eixo, formando um cilindro, e sobre os quais deslizam as escovas.
