Introdução à eletrônica: 7 - Componentes básicos de um circuito elétrico

Fontes de energia

Uma fonte de energia é o componente do circuito elétrico que fornece a força eletromotriz necessária para estabelecer o fluxo de elétrons quando o circuito elétrico é fechado.

As principais fontes de energia de um carro são a bateria e o alternador . Outras fontes possíveis relacionadas ao setor são as células (usadas, por exemplo, em controles remotos para travamento centralizado) e os carregadores-motores de partida.

Fontes de energia. Bateria, alternador, células, carregador de bateria.

Bateria

A bateria é um dos elementos mais importantes do sistema elétrico do carro. É a fonte de energia que alimenta os diversos circuitos elétricos do veículo. Sua principal função é dar partida no motor, para o qual deve ser capaz de atender às consideráveis demandas de potência do motor de partida.

Durante a partida do motor, a bateria descarrega muito rapidamente e se esgota em um tempo muito curto. Para evitar isso, ela deve ser recarregável e, para isso, possui um sistema de carregamento composto essencialmente por um alternador que carrega a bateria e alimenta os demais circuitos após a partida do motor.

As baterias automotivas são geralmente de chumbo e se caracterizam por serem compostas por uma série de células ou vasos conectados em série. Essas células são compostas por placas de chumbo banhadas em um eletrólito líquido que converte energia química em energia elétrica durante o processo de descarga e de energia elétrica em energia química durante o processo de carga.

Cada uma das células fornece uma voltagem de cerca de 2,1 V e sua célula é composta por uma série de placas positivas conectadas em paralelo e outra série de placas negativas (também conectadas em paralelo), com seus separadores correspondentes para evitar curtos-circuitos.

Partes da bateria

Como regra geral, uma bateria automotiva fornece uma tensão de cerca de 12 V, para a qual utiliza um total de 6 células localizadas em 6 compartimentos. Para aumentar a capacidade da bateria e manter sua tensão, basta aumentar o número de placas contidas em cada compartimento, sem alterar o número de células.

Símbolo elétrico da bateria

O símbolo da bateria usado em diagramas de circuitos elétricos é mostrado abaixo:

Alternador

Como vimos na seção anterior, o alternador é o elemento que gera a corrente necessária para carregar a bateria e dá suporte ao sistema elétrico do veículo alimentando outros circuitos.

Alternador

É um gerador de corrente alternada , cujo funcionamento se baseia no princípio da indução eletromagnética, podendo gerar correntes da ordem de 250 A a uma tensão constante de cerca de 14 V.

O alternador converte a energia mecânica do motor em energia elétrica por meio do movimento que recebe do sistema de transmissão por meio de polias e uma correia, o que fornece o movimento de rotação que o alternador precisa para funcionar.

Fiação

Cabos são fios de cobre protegidos por um revestimento isolante com cores diferentes para facilitar a identificação. Eles conectam eletricamente os diversos elementos do circuito.

No veículo, os cabos são agrupados em chicotes elétricos que são fixados à carroceria por meio de presilhas, e passam por painéis metálicos e portas protegidas por meio de arruelas ou foles de borracha.

Uma série de fatores deve ser levada em consideração ao trabalhar em instalações elétricas no veículo.

O valor máximo da corrente que pode passar por um fio depende de sua seção transversal e comprimento. Se um fio muito fino for escolhido para a instalação, ele terá uma alta resistência, resultando em uma queda de tensão excessiva no circuito, o que, por sua vez, reduzirá sua eficiência e o superaquecerá, com o consequente risco de incêndio. Da mesma forma, um fio com comprimento maior do que o estritamente necessário também levará a uma queda de tensão que reduzirá a eficiência do circuito.

Para calcular a seção transversal de um fio para caber em uma instalação elétrica específica, use a seguinte fórmula:

As seções transversais dos fios padrão mais comumente utilizadas no sistema elétrico de um carro são, de acordo com a norma UNE: 0,5, 0,75, 1, 1,5, 2,5, 4, 6, 10, 16, 25 e 35 mm² ^. A imagem a seguir mostra a relação entre a seção transversal do fio e seu diâmetro correspondente.

Da fórmula acima, se substituirmos o valor da resistência _{do cabo} R , obtemos uma fórmula muito útil para calcular as seções transversais mínimas em função da intensidade de corrente (I), do comprimento do fio (L), da queda de tensão máxima admissível (ΔV) (que nestes casos é sempre 2,5% , o que equivale a 0,3 V ) e do coeficiente de resistividade (ρ).

Qual seção transversal do fio devemos comprar se quisermos instalar faróis de neblina que consomem 18 A, sabendo que o comprimento total do fio a ser usado é de 3,5 m?

Elementos de proteção. O fusível térmico

Fusível

Se ocorrer um curto-circuito em um ponto específico de uma instalação elétrica, a corrente passará diretamente do terminal positivo para o negativo da bateria sem queda de tensão (já que não há resistores entre eles), o que resultará em uma corrente fluindo alta o suficiente para causar superaquecimento no cabo a ponto de queimá-lo.

Detalhe de um cabo superaquecido e queimado

Para evitar os tipos de situações descritas acima, são utilizados fusíveis. Eles são elementos de proteção nos circuitos elétricos e eletrônicos do carro, compostos por um fio de liga de chumbo e estanho calibrado para derreter quando uma determinada corrente o atravessa.

Os fusíveis são conectados em série com o circuito elétrico que protegem. Quando ocorre um curto-circuito, a alta corrente que flui por ele causa um aumento acentuado da temperatura na seção afetada do circuito, o que provoca a fusão do fusível. Assim, a corrente cessa o fluxo pelo circuito e não há mais riscos para o sistema.

A imagem a seguir mostra alguns tipos de fusíveis usados na indústria automotiva, embora hoje em dia o fusível mais usado seja o plug-in.

Os fusíveis são agrupados em caixas de fusíveis que também podem conter outros elementos de controle, como relés, e que geralmente estão localizadas no compartimento do motor (perto da bateria) e na cabine de passageiros (sob o painel).

Fusíveis plug-in

Esses tipos de fusíveis são fabricados em plástico transparente para que possam ser facilmente verificados visualmente, e suas diferentes cores indicam a corrente máxima para a qual estão calibrados; no entanto, geralmente possuem essa corrente marcada na borda superior.

Estrutura do fusível plug-in

Ao substituir um fusível queimado, é muito importante que ele tenha o mesmo valor para evitar problemas em caso de sobrecorrentes.

A imagem a seguir mostra as amperagens suportadas por cada fusível de acordo com sua cor.

Conforme indicado na figura anterior, os fusíveis plug-in possuem dois pontos de inspeção que permitem verificar a condição do fusível sem a necessidade de removê-lo do seu alojamento na caixa de fusíveis. Os procedimentos para verificar a condição de um fusível são descritos abaixo:

Procedimento 1

• Feche o interruptor que fornece o fusível a ser verificado.

• Use um voltímetro para verificar se há tensão nos dois pontos de inspeção. Se houver, o fusível está em boas condições. (Veja a imagem a seguir).

Procedimento 2

• Abra o interruptor que fornece o fusível a ser verificado.

• Use um ohmímetro para verificar se há continuidade entre os dois pontos de inspeção. Se o ohmímetro indicar 0 Ω , o fusível está em boas condições. (Veja a imagem a seguir).

Como há um grande número de circuitos a serem protegidos e o tamanho da caixa de fusíveis é limitado devido a vários fatores, muitas vezes o mesmo fusível protege mais de um circuito. Nesses casos, quando dois circuitos que compartilham o mesmo fusível param de funcionar ao mesmo tempo, é muito provável que o fusível compartilhado esteja queimado.

Como escolher o fusível mais apropriado para um circuito específico

Com base na fórmula de potência e sabendo a tensão em um circuito (que no caso automotivo geralmente é 12 V), a corrente que flui por ele pode ser facilmente estabelecida, o que nos dá o parâmetro que fornece o valor do fusível a ser selecionado.

Ao fazer da intensidade de corrente (I) o objeto da fórmula acima, obtemos a fórmula que nos permite calcular a corrente que circula no circuito e, a partir dela, podemos determinar o fusível mais adequado para a instalação em que estamos trabalhando.

I =PV

Suponhamos que temos um circuito que desenvolve uma potência de 50 W com uma tensão aplicada de 12 V. Qual fusível deve ser usado na instalação?

Receptores e cargas

Um receptor elétrico é qualquer dispositivo, aparelho ou máquina capaz de converter energia elétrica recebida em qualquer outra forma de energia.

O receptor ou carga é um elemento principal do circuito e a razão pela qual a instalação foi criada. Quando uma carga é incorporada a um circuito, certas propriedades ou características do receptor devem ser levadas em consideração. Essas propriedades são, entre outras, o tipo de corrente com que ele opera (corrente contínua ou alternada), a tensão na qual deve operar e a potência por ele consumida.

Alguns exemplos de cargas aplicáveis ao carro são lâmpadas incandescentes, motores de vidros elétricos, velas de incandescência, motor de partida e outros motores elétricos em geral, etc.

Alguns exemplos de cargas elétricas

Classificação das cargas de acordo com a energia obtida

Os receptores podem ser dos seguintes tipos de acordo com o tipo de energia que deles se obtém:

• Térmicos: Resistores elétricos em geral, como velas de incandescência ou velas para aquecimento adicional, sensores de temperatura, etc.

• Eletroquímica: Capacitores

• Mecânica: Motores elétricos, válvulas solenoides, etc...

• Luz: Lâmpadas incandescentes, lâmpadas de xenônio, LEDs

• Som: Alto-falantes e restante instalação sonora do veículo

• Eletromagnéticos: Bobinas, relés, etc...

Elementos de controle. Interruptores, botões e interruptores multi-tomada

Esses elementos de controle são usados para abrir e fechar um circuito elétrico. Dependendo de sua função, podemos separá-los em interruptores, botões e interruptores multi-tomada.

Trocar

A chave é um dispositivo que permite a abertura e o fechamento de um circuito. Ela possui duas posições nas quais pode permanecer se não for acionada externamente: uma corresponde ao circuito aberto e a outra ao circuito fechado .

O símbolo elétrico do interruptor é mostrado na imagem a seguir:

Símbolos para representar um interruptor e exemplos de interruptores convencionais

A imagem a seguir mostra a aplicação e a representação gráfica de um interruptor em um circuito elétrico básico.

Às vezes, o mesmo interruptor precisa alimentar duas linhas de corrente, sendo especialmente útil ter um interruptor duplo. Este consiste em um único interruptor com dois terminais de entrada e dois terminais de saída. Esta representação gráfica é mostrada na imagem a seguir:

Símbolo de interruptor duplo

Exemplos representativos de interruptores no carro são: interruptor do farol alto ou das luzes de posição (geralmente interruptores rotativos), interruptor da luz interna da cabine, interruptor da luz de emergência (aviso), interruptor do rádio, interruptor para desligar o sinal acústico de aviso de proximidade de ré, interruptor do sistema start-stop, interruptor do farol de neblina, etc.

Alguns exemplos de diferentes interruptores usados no carro

Botão

O botão é um dispositivo que permite abrir e fechar um circuito. É semelhante a um interruptor, mas com a diferença de que apenas uma de suas posições é de repouso. A segunda posição é mantida apenas enquanto o botão é pressionado. Ao ser liberado, ele retorna à posição de repouso.

Os botões podem ser de dois tipos, dependendo da posição dos seus contatos em repouso: normalmente abertos (NA) e normalmente fechados (NF). A imagem a seguir mostra o símbolo de cada um deles.

Símbolo de botão

Alguns exemplos de botões são: para abrir e fechar portas, para a posição do freio, para a posição da embreagem, para ré, para a buzina, etc. A imagem a seguir mostra alguns deles.

Interruptor multi-lance

A chave multi-lance é um dispositivo elétrico que altera o caminho seguido por uma corrente elétrica em um determinado circuito. Ela é muito semelhante às chaves comuns, mas quando a chave multi-lance desconecta um circuito, ela conecta outro. Podemos dizer que uma chave multi-lance é uma chave à qual foi adicionado um terminal em sua posição de circuito aberto, o que permite que um novo caminho para a corrente seja estabelecido. A imagem a seguir mostra o símbolo deste componente.

Talvez o exemplo mais claro de um interruptor multi-posições usado no carro seja a alavanca do pisca. Este interruptor multi-posições tem três posições: uma para acender os indicadores do lado direito, outra para acender os indicadores do lado esquerdo e outra para a posição de repouso.

A imagem a seguir mostra o diagrama elétrico básico dos indicadores, no qual é possível ver como o interruptor multi-throw fornece energia para um lado ou outro do circuito, dependendo da posição do interruptor.

Circuito indicador básico

Alguns exemplos de interruptores multi-tomada no carro são o farol alto e o farol baixo, o interruptor do vidro elétrico e a velocidade do ventilador do ar-condicionado. A imagem a seguir mostra um exemplo de cada um deles.

Elementos de controle. O relé

Construção e operação do relé

O relé é um componente elétrico que funciona como um interruptor. É composto por uma bobina eletromagnética que, ao ser excitada, cria um campo magnético que fecha os contatos do interruptor .

O relé consiste em dois circuitos, um é o circuito de controle ou excitação entre os terminais 86 e 85 com uma corrente de miliamperes, e outro circuito de potência entre os terminais 30 e 87 que é projetado para um fluxo de corrente entre 20 a 40 A normalmente.

Peças e disposição dos terminais do relé

Símbolo e numeração dos terminais do relé

Relés são usados em circuitos de alto consumo, os interruptores funcionam apenas com a corrente de controle ou excitação e conectam o circuito de potência ou consumo diretamente à bateria por meio de um fusível de proteção. Dessa forma, a alta corrente da seção de potência é impedida de passar pelo interruptor, o que previne sua deterioração prematura, que ocorre como consequência de arcos elétricos gerados durante a operação. Como o consumo do circuito de controle ou excitação é muito baixo (da ordem de miliamperes), o interruptor dificilmente se desgasta. No carro, esses elementos são usados na maioria dos sistemas elétricos do veículo, como motor de partida, luzes, ABS, velas de incandescência, injeção, etc.

Operação do relé

O circuito de potência é controlado pela ação eletromagnética do circuito de controle , composto pela bobina enrolada em torno de um núcleo magnético (eletroímã). Quando a chave de controle é fechada, o circuito de controle ( Im ) é conectado entre os terminais 86 e 85 excitando a bobina do eletroímã , seu campo magnético então fecha os contatos do relé entre os terminais 30 e 87 , através dos quais se estabelece o circuito de potência ou consumo ( Ic ), que alimenta a carga ou cargas. A imagem a seguir representa o estado de repouso e operação de um circuito controlado por um relé.

Circuito em repouso

Circuito em operação

Existem muitos tipos de relés que podem variar dependendo do número de terminais, dos sistemas de autoproteção que possuem, etc. Veremos cada um deles na seção a seguir.

Elementos de controle. O relé

Tipos de relés

De acordo com sua função, os relés podem ser:

Relé único

Este é o tipo de relé sobre o qual falamos na seção anterior. Este relé possui 4 terminais convencionais (30, 85, 86 e 87) onde, em repouso, a chave interna entre 30 e 87 está aberta.

O símbolo e a aparência do relé podem ser vistos na imagem a seguir.

Relé único com um único terminal de entrada

Basicamente, esta é uma versão simplificada do relé anterior, da qual foi removido o terminal 86 (que é usado para energizar a bobina). A bobina é energizada através do terminal 30, que alimenta tanto o circuito de excitação quanto o de potência.

Relé simples com saída dupla

É o mesmo que um relé simples, mas tem dois terminais de saída (87) e (87a), o que é muito útil quando o relé alimenta duas cargas, caso em que nenhuma conexão externa é necessária.

Relé convencional com fusível de proteção externo

Este relé possui um fusível na linha de alimentação (entre os terminais 30 e 87) que é muito útil na realização de novas instalações.

Relé com resistor em paralelo

Ao estudar o circuito de um relé simples com uma saída, vimos que ao fechar o circuito de controle, um campo magnético é criado na bobina que fecha os contatos do relé, mas também suas linhas de força atravessam todas as espiras da bobina.

Quando o circuito de controle é desligado e a corrente na bobina deixa de existir, o campo magnético também desaparece, o que causa uma forte variação de fluxo na própria bobina. Isso gera uma força eletromotriz autoinduzida na bobina, que é diretamente proporcional à intensidade do campo e inversamente proporcional ao tempo de variação do fluxo magnético, além de se opor à fonte que a produziu, consequentemente tendo a mesma direção da corrente que foi desligada.

Essa força eletromotriz induzida pode atingir altos valores de tensão e é a causa de distúrbios em outros circuitos e da deterioração dos componentes eletrônicos do carro. Para superar essas desvantagens, um resistor é instalado em paralelo com a bobina do relé, de modo que a força eletromotriz induzida seja fechada através do resistor na própria bobina do relé e não afete outros componentes eletrônicos do carro.

Relé convencional múltiplo

Dois relés são encaixados no mesmo invólucro, economizando espaço. Este tipo de relé permite controlar diversas funções simultaneamente.

Relé de comutação

Este tipo de relé é igual ao relé convencional, com a única diferença de que incorpora um terminal ( 87b ) na posição de repouso do circuito de potência. O terminal 87 foi renomeado como 87a para diferenciá-lo claramente do novo terminal, 87b. Veja a imagem a seguir.

Este tipo de configuração permite diferentes aplicações:

1. Se o terminal 87b não for utilizado, ele se comporta como um relé convencional

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3. Se apenas o terminal 87b for usado, a funcionalidade do relé convencional será invertida, ou seja, o circuito de potência será desligado quando o circuito de excitação for alimentado com energia.

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5. Função de comutação. Neste caso, cada um dos 87 terminais alimentará um circuito que comutará com o outro terminal. As imagens a seguir mostram as funções de comutação com o relé em repouso e em operação.

Interruptor de relé na posição de repouso

Interruptor de relé na posição de operação

Relé convencional com diodo em paralelo

Este tipo de relé substitui o resistor visto na seção anterior por um diodo (D1), que também é conectado em paralelo com a bobina, de modo que a FEM induzida é fechada através deste diodo na própria bobina, o que evita que outros componentes eletrônicos do carro sejam afetados.

Relé convencional com diodo em paralelo e diodo de proteção em série.

O relé convencional com diodo em paralelo estudado anteriormente tem a desvantagem de que, se a bobina for conectada com polaridade invertida, o diodo entra em curto-circuito e é destruído. A imagem a seguir mostra essa situação.

Convencional realmente com diodo em paralelo em curto-circuito

Para evitar isso, este novo relé possui um segundo diodo em série com a bobina de excitação, o que o protege contra conexões equivocadas.

A imagem a seguir mostra como o relé se comporta tanto na situação de conexão correta quanto na incorreta.

Conexão defeituosa

Conexão correta

Circuitos elétricos com relés

Circuito do ventilador de refrigeração do radiador elétrico

Este circuito controla a partida do ventilador elétrico de arrefecimento do radiador com o objetivo de manter a temperatura do motor dentro dos limites pré-definidos pelo fabricante.

Neste caso, o circuito de controle (terminais 86 e 85 do relé ) é controlado pelo interruptor de ignição e pelo interruptor térmico alojado no radiador. Este interruptor térmico é calibrado para fechar (devido ao efeito da temperatura do líquido de arrefecimento do radiador) a uma temperatura específica que normalmente oscila entre 90 e 95 °C. A abertura deste interruptor térmico geralmente ocorre quando o líquido de arrefecimento atinge uma temperatura de 80 a 85 °C.

O circuito de potência (terminais 30 e 87 ) é protegido por meio de um fusível.

Operação

Ao ligar a ignição com o motor frio, o ventilador elétrico não liga, pois o interruptor térmico está aberto.

Após um curto período de funcionamento, o motor atingirá a temperatura de ativação do interruptor térmico e fechará. A bobina do relé será então excitada, fechando o contato entre os terminais 30 e 87, o que dará partida no ventilador elétrico.

O ventilador elétrico para quando a temperatura do líquido de arrefecimento atinge o valor de desligamento térmico ou se o motorista desliga a ignição e abre o contato.

Vários exemplos de interruptores térmicos para o circuito de refrigeração do motor

Circuito de ventilador de aquecimento elétrico

Este circuito controla a operação do ventilador de aquecimento elétrico em três modos de velocidade diferentes.

O driver é responsável por ativar o circuito por meio do interruptor de aquecimento , que controla o circuito de excitação (terminais 86 e 85 ) da bobina do relé. Este circuito possui um fusível para protegê-lo.

O reostato instalado no circuito de potência possui três posições diferentes que proporcionam três velocidades diferentes ao ventilador elétrico.

Operação

Com o reostato na primeira posição (conforme mostra o diagrama da figura), a corrente deverá passar pelos resistores R1 e R2 e consequentemente o valor da corrente fornecida ao ventilador elétrico será baixo e, consequentemente, a velocidade do ventilador também será baixa.

Ao mover o reostato para a posição 2 , a corrente só precisará fluir pelo resistor R2, de modo que a queda de tensão produzida por este reostato será menor. Consequentemente, a corrente que alimentará o circuito de potência será maior do que a fornecida na posição 1 e, portanto, a velocidade do ventilador será maior.

Com o reostato na posição número 3 , a corrente não flui através do resistor R1 ou R2 , então a corrente que flui através do circuito de potência está no máximo e, portanto, a velocidade do ventilador também estará no máximo.

Circuito de farol baixo e farol alto

O circuito mostrado na figura utiliza um relé duplo para controlar os faróis (máximos e baixos).

O circuito é controlado pelo interruptor de ignição e luz de posição e pelo interruptor duplo para as luzes de médios e máximos.

Operação

Se, com os interruptores de ignição e das luzes laterais fechados, o interruptor de duplo curso for colocado na posição 1, a bobina do relé 1 será excitada e, consequentemente, o contato entre os terminais 30 e 87 será fechado. Nessas circunstâncias, os faróis baixos serão acionados.

Se o interruptor de duplo disparo for movido para a posição 2, nesse caso a bobina do relé 2 será excitada, o que fechará seu contato e ligará os faróis altos e, ao mesmo tempo, a luz de advertência associada a este circuito acenderá.

Circuito com velocidade lenta e rápida para ventiladores elétricos de resfriamento

O diagrama mostrado na figura descreve o sistema de acionamento dos ventiladores elétricos de refrigeração do Toyota Auris 140 Hybrid .

Toyota Auris 140 Híbrido

A instalação elétrica possui um relé principal que alimenta outros três relés ( relés das ventoinhas ), responsáveis pelo acionamento das duas ventoinhas elétricas do radiador. A unidade de controle do motor, por sua vez, é responsável por controlar o acionamento desses quatro relés.

Este circuito elétrico permite que os ventiladores de resfriamento do radiador elétrico sejam controlados em dois modos de velocidade diferentes: velocidade lenta e velocidade rápida.

Para que os ventiladores elétricos operem em baixa velocidade, eles são conectados em série . Para operar em velocidade máxima, eles são conectados em paralelo .