Atuadores - O que são, para que serve, como medir

A função dos atuadores

Um atuador é definido como um dispositivo capaz de converter energia hidráulica, pneumática ou elétrica na ativação de um processo, a fim de gerar um efeito específico.

Função básica de um atuador

Os atuadores podem ser classificados de diferentes maneiras. A forma mais comum é agrupá-los com base na energia utilizada para acioná-los, classificando-os da seguinte forma:

• Hidráulicos : São atuadores que utilizam pressão hidráulica para realizar as funções para as quais foram projetados. Um exemplo desse tipo de atuador em um veículo são as pinças de freio, que convertem a pressão do fluido de freio em movimento e força para pressionar as pastilhas de freio contra o disco.

• Pneumáticos : São atuadores que utilizam a pressão de um gás (normalmente ar) para realizar suas funções. Um exemplo desse tipo de atuador em um veículo são os diafragmas pneumáticos, frequentemente utilizados em turbocompressores de geometria variável, que convertem a pressão pneumática no movimento das palhetas do turbo.

• Elétricos : São atuadores que utilizam energia elétrica para realizar as funções para as quais foram projetados. Este é o tipo mais comum e numeroso de atuador usado em veículos, e eles variam amplamente dependendo das necessidades do sistema. Alguns exemplos são válvulas solenoides e motores elétricos.

Embora todos esses tipos de atuadores sejam utilizados em veículos, este curso se concentrará nos atuadores elétricos, pois são os únicos que podem ser controlados diretamente por uma unidade de controle eletrônico. Os atuadores elétricos utilizados em veículos podem ser classificados com base em seu princípio de funcionamento da seguinte forma:

• Eletromagnético

• Motores elétricos

• Piezoelétrico

• Aquecedores

• Pirotecnia

• Óptico / Visual

Durante o funcionamento dos sistemas elétricos do veículo, a unidade de controle recebe continuamente informações dos sensores e envia os sinais de saída para os atuadores. Isso significa que ela regula constantemente o funcionamento do sistema até que as informações recebidas correspondam ao valor teórico armazenado em sua memória interna. Os valores programados na memória interna correspondem ao desempenho ideal do sistema. Como os valores variam constantemente, a ativação dos atuadores pela unidade também varia, a fim de corrigir e autoadaptar o sistema.

Funcionamento de um sistema de gestão eletrónica

Eletromagnético

Conceitos básicos

O princípio de funcionamento dos atuadores eletromagnéticos é baseado no magnetismo , que pode ser natural ou artificial, (gerado por uma corrente elétrica). A geração de uma corrente elétrica envolve fenômenos relacionados ao magnetismo, como a indução magnética , que é capaz de gerar altas tensões.

O magnetismo é definido como um fenômeno natural no qual certos materiais exercem forças de atração ou repulsão em direção a outros e contra eles. Esses materiais são comumente chamados de ímãs e podem ser influenciados em maior ou menor grau na presença de campos magnéticos de diferentes origens.

Este fenômeno do magnetismo se origina como resultado do movimento dos elétrons. O elétron gira constantemente em alta velocidade ao redor do núcleo atômico, enquanto também gira em torno de si mesmo, criando pequenos campos magnéticos (momentos magnéticos). A direção desses campos depende da direção de rotação do elétron em relação ao átomo (movimento de translação) e em torno de si mesmo (movimento de spin). Na maioria dos materiais, os elétrons são pareados com outros que giram na direção oposta; os campos magnéticos se cancelam e o magnetismo é cancelado no nível geral do material.

Princípio que gera magnetismo

Em ímãs, no entanto, esses momentos magnéticos com diferentes polaridades são mais ou menos ordenados no espaço. Isso causa a geração de uma força magnética ou campo magnético cuja intensidade varia em função do número de momentos magnéticos na mesma direção. Graças a essa propriedade, diversos materiais, como o ferro, têm a capacidade de organizar seus momentos magnéticos na presença de um campo magnético, fortalecendo-o e adquirindo propriedades magnéticas que podem perdurar ao longo do tempo.

Os ímãs podem ser classificados como:

• Ímãs naturais : referem-se a minerais com propriedades magnéticas (magnetita) que são capazes de atrair substâncias magnéticas naturalmente. Uma substância magnética é definida como qualquer substância sobre a qual a ação de um campo magnético pode induzir ou alterar sua magnetização (polarização magnética).

• Ímãs artificiais: são materiais ou elementos que podem ter propriedades magnéticas, mas não são naturais. Podem ser divididos em ímãs permanentes ou temporários:

  • Ímãs artificiais permanentes são substâncias que, quando atritadas com magnetita ou na presença de um forte campo magnético, adquirem propriedades magnéticas. Eles próprios se tornam ímãs e mantêm essas propriedades por muito tempo.

  • Ímãs artificiais temporários são aqueles elementos que produzem um campo magnético quando uma corrente elétrica circula por eles, também chamados de eletroímãs . Quando a corrente elétrica desaparece, o campo magnético também desaparece.

Nos ímãs, a força máxima de atração ocorre nas extremidades, chamadas de polos. Eles consistem em dois polos (norte e sul), com polos iguais se repelindo e polos opostos se atraindo. Linhas de força que indicam a direção do campo magnético são geradas entre ambos os polos.

Linhas de força de um ímã mostradas usando limalha de ferro espalhadas em cartolina

Os ímãs não podem ter um único polo, de modo que se um ímã for cortado ao meio, cada parte gera um novo ímã, cada um com o polo norte e sul correspondente, embora a força de atração do ímã diminua.

Motores elétricos

Conceitos básicos

Motores elétricos são elementos que convertem energia elétrica em energia mecânica. Esses atuadores operam com base no princípio do magnetismo e podem ser classificados como atuadores eletromagnéticos, como os discutidos na seção anterior, embora funcionem de forma bastante diferente.

Quando a eletricidade é fornecida a um condutor, como vimos anteriormente, um campo magnético é gerado ao redor dele. Se este condutor for inserido em um campo magnético fixo de maior intensidade, o campo magnético tenta movê-lo por atração ou repulsão, dependendo da posição relativa e da orientação dos campos magnéticos.

Princípio de funcionamento dos motores elétricos

Motores elétricos são construídos com base no princípio de funcionamento descrito e são atuadores capazes de gerar movimento rotacional a partir da eletricidade. Este mesmo princípio pode ser aplicado inversamente, de modo que, em vez de energizar o condutor, fazendo-o girar, o condutor é mecanicamente forçado a se mover dentro do campo magnético, induzindo uma corrente elétrica.

Os principais componentes de um motor elétrico são os seguintes:

Composição interna de um motor elétrico

• Estator: É o elemento responsável por gerar o campo magnético fixo. Ele é ancorado à carcaça e pode ser composto por um ímã permanente ou eletroímã. Quando composto por enrolamentos, estes são chamados de enrolamentos indutores.

• Rotor: É composto por um ou vários enrolamentos elétricos enrolados em um eixo, com o elemento condutor girando dentro do campo magnético gerado pelo estator. Os enrolamentos que compõem o rotor são chamados de enrolamentos induzidos.

• Segmento do comutador: Trata-se de uma lâmina metálica que conecta o rotor móvel ao seu suporte fixo. Os segmentos do comutador são isolados uns dos outros e conectados a cada um dos enrolamentos do rotor. Quanto maior o número de enrolamentos, mais segmentos do comutador o motor terá.

• Comutador: É o anel metálico concêntrico ao eixo e isolado dele, que permite a conexão elétrica ao rotor. É composto por todos os segmentos do comutador.

• Escovas: São blocos de grafite pressionados contra os segmentos do comutador por uma pequena mola. Elas são conectadas aos terminais do motor elétrico, permitindo a conexão elétrica ao rotor.

Existem diferentes tipos de motores elétricos, dependendo de sua construção ou características operacionais. Eles podem ser classificados da seguinte forma, com base no tipo de corrente elétrica aplicada ao motor:

• Corrente contínua (CC)

  • Eletroímãs

  • Ímãs permanentes

• Corrente alternada (CA)

  • Assíncrono

  • Síncrono

• CC/CA

  • Etapa

  • Sem escovas

Piezoelétrico

Conceitos básicos

O efeito piezoelétrico é reversível, permitindo que a energia elétrica seja transformada em energia mecânica e vice-versa. Quando a energia elétrica é obtida de um material piezoelétrico pela aplicação de força mecânica, isso é chamado de efeito piezoelétrico direto . Por outro lado, quando o movimento (energia mecânica) é gerado pelo uso de corrente elétrica nesses materiais, isso é chamado de efeito piezoelétrico inverso .

No caso de atuadores piezoelétricos, estes são compostos por materiais piezoelétricos que são energizados para gerar um movimento específico, utilizando o efeito piezoelétrico inverso.

Aplicações

Devido às suas características, os materiais piezoelétricos são amplamente utilizados na indústria, mas apenas minimamente em veículos automotivos, com uso limitado a injetores piezoelétricos, alto-falantes de alta frequência (tweeter) e dispositivos de ultrassom .

Exemplo de um motor equipado com injetores piezoelétricos

Alto-falantes e dispositivos de ultrassom

Materiais piezoelétricos são frequentemente utilizados, embora não sejam o único tipo existente e outras tecnologias possam ser utilizadas para seu funcionamento. Os piezoelétricos são compostos principalmente por uma fina lâmina de material piezoelétrico que é deformada, direta ou indiretamente (movendo um cone ou membrana maior), produzindo as vibrações que compõem o som. A frequência de operação determina se a vibração é audível (no caso de alto-falantes) ou, em uma frequência mais alta, inaudível (ultrassônico).

No caso de dispositivos ultrassônicos, esses atuadores são compostos por um controle eletrônico, um elemento piezoelétrico e uma membrana. No caso de alto-falantes, o elemento piezoelétrico possui dois eletrodos metálicos flexíveis que atuam como membrana.

Composição de um atuador ultrassônico piezoelétrico

Quando uma tensão é aplicada ao elemento piezoelétrico, dependendo da polaridade da tensão, ele se expande ou se contrai proporcionalmente à tensão aplicada, com maior movimento quanto maior a tensão elétrica. Além disso, dependendo da frequência do sinal, o movimento de expansão ou contração será gerado mais rápido ou mais lentamente. Esse movimento faz com que a membrana ou os eletrodos se movam, movimentando o ar circundante e produzindo o som.

Injetor piezoelétrico

O uso de elementos piezoelétricos em injetores permite aumentar consideravelmente a velocidade de operação do injetor em comparação com um injetor de combustível convencional. Isso se deve à rápida resposta dos materiais piezoelétricos. A resposta dos injetores eletromagnéticos não é instantânea devido à tensão induzida em relação à tensão aplicada devido ao crescente campo magnético. A resposta física ou deformação dos materiais piezoelétricos é instantânea, embora também seja muito pequena. Sua alta capacidade de mudança de estado os torna ideais para injetores diesel modernos que precisam abrir e fechar várias vezes em um único ciclo de injeção.

Os injetores piezoelétricos substituem a bobina do injetor eletromagnético por uma série de finas peças de material piezoelétrico empilhadas umas sobre as outras. O funcionamento hidráulico interno do injetor é muito semelhante ao de um injetor de bobina. Ele utiliza a pressão hidráulica do combustível para controlar a abertura do injetor.

Visão interna de um injetor de combustível eletromagnético (esquerda) e de um injetor piezoelétrico (direita)

Enquanto o injetor está ocioso, a alta pressão do combustível na câmara de controle, juntamente com a mola da agulha, geram uma força maior que a força na direção oposta exercida pela pressão do combustível localizada ao redor da agulha, mantendo o injetor fechado.

Quando a unidade energiza o injetor, o atuador piezoelétrico se expande, movimentando o pistão de acoplamento, o pistão da válvula e a válvula de controle. Esse movimento causa a abertura do caminho de combustível entre a câmara de controle e a câmara de retorno. Isso libera a pressão, pois o fluxo de combustível de saída é maior que o fluxo de entrada. Quando a pressão na câmara de controle é liberada, a força exercida pelo combustível sobre a agulha é maior que a força exercida pela mola de fechamento, de modo que a agulha é levantada, permitindo que o combustível saia pelas aberturas de injeção.

Composição e funcionamento de um injetor piezoelétrico

Para completar a injeção, a unidade de controle atua como uma carga em vez de energizar eletricamente o injetor, alterando a direção da corrente. Essa mudança faz com que o atuador piezoelétrico se descarregue (recupere seu equilíbrio elétrico interno) e se contraia, retornando ao seu tamanho inicial. Tanto o pistão de acoplamento quanto o pistão da válvula e a válvula de controle retornam às suas posições originais devido ao efeito de uma série de molas. O fluxo de combustível para o retorno é, portanto, fechado, o que aumenta a pressão na câmara de controle. O aumento da pressão na câmara, juntamente com a força da mola, faz com que a agulha caia, fechando o injetor novamente e interrompendo a injeção de combustível no cilindro.

Aquecedores

Conceitos básicos

Atuadores classificados como aquecedores são aqueles que utilizam eletricidade para produzir calor. Eles funcionam com base no fenômeno conhecido como efeito Joule . O efeito Joule ocorre em algumas substâncias quando elas são expostas a correntes elétricas. Devido às colisões e mudanças de trajetória sofridas pelos elétrons no material condutor por onde passam, parte da energia cinética dos elétrons é transformada em calor, elevando a temperatura do material.

Foi descoberto pelo físico James Prescott Joule durante um experimento no qual submergiu um pedaço de fio em água. Ele então mediu o aumento de temperatura causado pela passagem de corrente ao longo de um período de 30 minutos. Após vários testes, ele deduziu que o calor estava relacionado à voltagem aplicada e à resistência elétrica do cabo, com condutores com valores de resistência mais altos gerando mais calor.

Experimento usado para descobrir o efeito Joule

Usamos muitos dispositivos elétricos que funcionam com base nesse efeito todos os dias, sendo as lâmpadas incandescentes um dos exemplos mais óbvios. Elas são compostas por um filamento de volfrâmio (também conhecido como tungstênio), que atua como um resistor elétrico dentro de uma ampola preenchida com gás inerte ou vácuo. Quando a corrente circula pela lâmpada, o filamento se aquece, gerando temperaturas de mais de 2.000 °C, emitindo luz e calor.

Filamento incandescente de uma lâmpada causado pelo efeito Joule

No mundo automotivo, o efeito Joule, além de ser usado em lâmpadas para gerar luz, é o princípio de funcionamento por trás dos aquecedores de motores a diesel e em alguns sistemas auxiliares de aquecimento, usados especialmente em países frios.

Os fusíveis de proteção dos circuitos elétricos também funcionam com base no efeito Joule, embora não sejam considerados atuadores. A corrente os aquece proporcionalmente, atingindo o ponto de fusão do metal condutor, que se rompe quando um valor de corrente especificado é excedido.

Pirotecnia

Conceitos básicos

Atuadores pirotécnicos são atuadores equipados com um dispositivo pirotécnico para operá-los. Em veículos automotivos, são utilizados em sistemas de segurança passiva para ativar airbags e pré-tensionadores . Dependendo do sistema ao qual se destina, o dispositivo pirotécnico inicia a reação química necessária para inflar um airbag com gás ou apertar o cinto de segurança (pré-tensionadores).

O conjunto detonador consiste em um receptáculo, normalmente preenchido com pólvora reagente e um agente de ignição. O agente de ignição é um material que reage quimicamente quando uma voltagem é aplicada a ele e libera uma grande quantidade de calor. A ignição praticamente instantânea do agente de ignição desencadeia a reação química da carga. A carga muda de um estado sólido para um gás, que aumenta de volume várias vezes.

Os elementos de primer são ativados eletricamente por uma unidade de controle e acendem a carga reagente. Essa carga gera o gás pressurizado necessário para a operação pneumática ou mecânica do elemento atuador.

Exemplo de um veículo com vários airbags acionados

Por se tratarem de elementos pirotécnicos, há certas considerações e precauções que devem ser observadas ao manuseá-los. Algumas das mais importantes são:

• Os trabalhos de montagem e desmontagem devem ser sempre realizados com a bateria desconectada. Após a desconexão, aguarde o tempo especificado pelo fabricante (normalmente entre 2 e 10 minutos) antes de manusear o sistema, para que a unidade de controle descarregue completamente.

• Alguns fabricantes recomendam desconectar a bateria com a ignição ligada para esse tipo de trabalho, a fim de evitar o acionamento inadvertido com uma pessoa dentro do veículo quando a ignição do veículo estiver ligada.

• Quando um elemento pirotécnico não ativado é descartado, ele deve ser detonado de forma segura e controlada antes de ser enviado para o ferro-velho. Isso evitará a detonação acidental dos elementos durante o transporte, manuseio ou trituração.

• A maioria dos elementos pirotécnicos, bem como a unidade de controle do airbag, são normalmente projetados para uso único e devem ser substituídos após a detonação.

• Não tente testar um elemento pirotécnico com um multímetro ou outro dispositivo que gere tensão elétrica, pois isso pode ativar o elemento acidentalmente.

• Os elementos pirotécnicos têm datas de validade e devem ser substituídos após 10 ou 15 anos, dependendo do fabricante.

Verificações

Os atuadores pirotécnicos em veículos são ativados pela unidade de sistemas de retenção (comumente chamada de unidade de airbag, embora inclua o controle dos pré-tensionadores). Esta é a mesma unidade que realiza o autodiagnóstico do sistema quando a ignição do veículo é ligada. Devido ao seu funcionamento, os atuadores em si não são testados, mas sim substituídos caso a unidade detecte um mau funcionamento. Apenas a continuidade da instalação elétrica até os atuadores é testada (com os atuadores desconectados por precaução).

A substituição dos elementos pirotécnicos por elementos de “simulação” de resistência elétrica equivalente é o método mais confiável de verificação do sistema.

Óptico / Visual

Conceitos básicos

São atuadores que fornecem uma representação visual para diferentes aplicações, tanto para entretenimento dos passageiros quanto para informações ao motorista. O funcionamento desse tipo de dispositivo se baseia na permissão ou não de passagem de luz pela tela, o que permite a criação de formas e símbolos graças a uma matriz de pontos. Na maioria dos casos, esses atuadores são telas de cristal líquido, ou LCDs .

Os LCDs são compostos pelos seguintes elementos:

Composição interna de um LCD

Esses displays funcionam graças às propriedades do cristal líquido posicionado entre os dois filtros polarizados. Esses filtros são dispostos a 90° entre si, de modo que a luz polarizada do primeiro filtro precisa girar 90° para passar pelo segundo filtro; caso contrário, a luz é refletida e o cristal fica completamente opaco. Essa rotação é causada pelas moléculas do cristal líquido, que são torcidas para formar uma estrutura em hélice.

Essa estrutura do cristal permite que a luz gire, sendo polarizada pelo primeiro filtro, mas passando pelo segundo. O cristal líquido recebe energia elétrica por meio de eletrodos, forçando suas moléculas a girar e se alinhar. Dependendo da voltagem aplicada, o cristal se alinha mais ou menos, variando assim a quantidade de luz que consegue passar pelo segundo filtro.

Dependendo do filtro de cor utilizado, podem ser criadas telas compostas por pixels monocromáticos ou coloridos. Telas coloridas são compostas por três filtros de cor (vermelho, verde e azul) em cada pixel. Ao variar a luz que passa por cada filtro de cor, o olho humano distingue uma cor específica para cada um dos pixels da tela.

Aplicações

Painel de instrumentos

O uso de pequenos LCDs (normalmente monocromáticos) incorporados ao painel é muito comum para fornecer informações ao motorista. Nos primeiros modelos, esses displays eram usados para indicar o número total e parcial de quilômetros percorridos pelo veículo. Sua aplicação se expandiu ao longo do tempo e agora exibem diferentes tipos de informações, como o consumo de combustível ou o status do veículo, além de possibilitar o design de painéis de instrumentos totalmente digitais.

Painel de instrumentos equipado com LCD

Espelho retrovisor antirreflexo

Embora não sejam displays, os espelhos retrovisores automáticos antirreflexo funcionam de maneira muito semelhante. Este tipo de espelho possui um gel eletroquímico, semelhante ao cristal líquido, entre o vidro do espelho e uma peça transparente de vidro, dois eletrodos, um ou dois sensores fotoelétricos e um sistema eletrônico de controle.

Composição de um espelho retrovisor antirreflexo

Quando a luz direta incide sobre o espelho, o sensor fotoelétrico captura a luz e envia o sinal para a eletrônica de controle. No caso de espelhos equipados com dois sensores fotoelétricos, a luz recebida pela frente do veículo e a luz da traseira são comparadas para determinar se é luz do dia ou luz de um veículo atrás à noite. A eletrônica de controle avalia os sinais recebidos e envia uma voltagem para o gel eletroquímico por meio dos eletrodos. Essa voltagem faz com que o gel eletroquímico escureça, de modo que, dependendo do grau de ofuscamento capturado, o gel escurecerá mais ou menos, impedindo que a luz reflita no espelho e gere ofuscamento.

Relés de Acoplamento 12V em Sistemas Automotivos

Um relé automotivo de 12V é um componente eletromecânico usado para acionar cargas elétricas de maior potência (motores, bomba de combustível, eletroventilador, faróis, faroletes, etc.) a partir de sinais de baixa potência fornecidos pela unidade de comando (ECU, BCM, BSI ou UCH).

🔹 Funcionamento Básico

• O relé possui dois circuitos independentes:

  1. Circuito de comando (bobina): formado pelos terminais 85 e 86.

     • Quando a ECU envia um sinal negativo (massa de comando) no terminal 85, a bobina do relé é energizada.

     • O outro lado da bobina (terminal 86) recebe +12V pós-chave.

     • Isso cria um campo magnético que fecha os contatos internos.

  2. Circuito de potência (contatos): formado pelos terminais 30 e 87.

     • O terminal 30 recebe +12V direto da bateria (via fusível).

     • Quando o relé é acionado, o contato fecha, enviando +12V pelo terminal 87 para alimentar o atuador.

📌 Dessa forma, a ECU controla com baixo consumo de corrente um circuito de alta corrente, protegendo a unidade de comando e garantindo confiabilidade.

🔹 Aplicações Comuns

• Bomba de combustível → relé aciona a bomba apenas durante partida e funcionamento.

• Eletroventilador → relés de baixa e alta velocidade, controlados por sinal negativo da ECU.

• Motores auxiliares → como vidro elétrico, teto solar, limpadores.

• Iluminação → faróis, faroletes, lanterna traseira.

🔹 Defeitos Comuns

• Contatos soldados: relé trava fechado, atuador permanece ligado mesmo sem comando.

• Bobina aberta ou em curto: relé não aciona.

• Mau contato interno: funcionamento intermitente de bomba, ventoinha ou faróis.

• Oxidação nos terminais: queda de tensão no atuador.

🔹 Testes Práticos

1. Teste de acionamento: aplicar +12V em 86 e negativo em 85 → deve ouvir o “clique” do relé.

2. Teste de continuidade: com o relé acionado, medir entre 30 e 87 → deve haver continuidade.

3. Teste de queda de tensão: energizar o relé no veículo e medir a tensão no terminal 87 → deve estar próxima a 12V.

🔹 Mapa Mental Simplificado

• Alimentação: +12V direto da bateria (terminal 30).

• Comando: ECU fornece negativo (terminal 85).

• Bobina: fechando circuito entre 85 e 86.

• Saída: +12V do terminal 87 para o atuador.

• Atuador: motor, bomba, lâmpada, etc.

🔹 Perguntas dos Alunos TAPA

Pergunta: Por que os módulos automotivos enviam sinal negativo para o relé, em vez de positivo?
Resposta: Porque é mais seguro e econômico. O módulo precisa apenas aterrar o terminal da bobina (85), evitando que circule corrente alta pelo circuito interno da ECU. Além disso, reduz riscos de curto-circuito interno.

Pergunta: Como diferenciar um defeito no relé de um defeito no atuador (ex: bomba de combustível)?
Resposta: Deve-se medir a tensão no terminal 87. Se o relé aciona mas não há tensão, o defeito está nele. Se há tensão no 87, mas a bomba não funciona, o defeito está na bomba ou no chicote.