Esquemas Eletrônicos

Existem dois tipos de transdutores. Os Transdutores ativos e os transdutores passivos.
Se o transdutor gerar uma tensão que é relacionada com a quantidade de energia entrando num sistema, diz-se que é um Transdutor ativo. Um exemplo de um transdutor ativo é uma fotocélula que gera uma tensão que é diretamente relacionada com a quantidade de luz que incide sobre ela.

Para entender como funcionam transdutores ativos, será útil rever os 6 métodos básicos de gerar uma tensão. Estes estão ilustrados na Figura 1. O método indicado na Figura 2 a é por atrito; este método é usado para gerar eletricidade estática. Esfregando uma vareta de vidro com um pano de seda, faz com que tanto o pano como a vareta tornem-se eletrizados. Um outro exemplo de geração de eletricidade estática consiste em passar um pente através dos seus cabelos. Em dia seco, tanto o pente como os cabelos tornar-se-ão eletricamente carregados. Você pode ouvir as faíscas pulando entre o pente e os cabelos. Este método de gerar uma tensão não é usado com muita freqüência em transdutores ativos.

Um outro método de gerar uma tensão é por ação química. Isto está indicado na Figura 1b. Toda vez que dois tipos diferentes de metais são mergulhados em ácido ou solução de álcali, é gerada uma tensão entre eles. Isto, em princípio, é usado na fabricação de baterias e pilhas. Como o método de atrito, você irá ver que este método de gerar tensão não é usado freqüentemente na fabricação de transdutores.

Figura 1

No terceiro método, indicado na Figura 1 c, usa-se força ou pressão. Certos materiais, corno os cristais de quartzo ou sais de Rocheile e o tilanato de bário, irão gerar uma tensão sobre a superfície quando estiverem sob pressão ou sob a ação de uma força. Isto é chamado método piez.oelérrico de gerar tensão. O valor da tensão gerada depende da intensidade da força da pressão e também do tipo de material usado. As tensões geradas geralmente são muito pequenas. A Figura 1 b mostra o princípio da lei de Faraday; esta lei rege que, quando existe um movimento entre um campo magnético e um condutor, é gerada uma tensão. Um ímã permanente é deslocado para dentro e para fora de uma bobina, no desenho. Assim, é gerada uma tensão sobre os terminais da bobina. A intensidade da tensão depende do número das espiras de fio da bobina, da força do ímã e da velocidade de deslocamento do ímã.

A Figura 1 e mostra uma fotocélula energizada pela luz de uma lanterna. A fotocélula produz urna tensão de saída que depende da intensidade da luz incidente. A tensão depende também do tipo de material usado na fabricação de fotocélula.

A Figura 1 f mostra o método de gerar uma tensão pelo efeito Seebeck. Toda vez que a junçào de dois materiais diferentes for aquecida, é gerada uma tensão. O valor da tensão depende da quantidade de calor e também dos tipos de metais usados. A junção dos metais é chamada termopar.

Um dos métodos para gerar eletricidade nas Figuras 1 c, 1 d, 1 e, e 1 f é geralmente usado em transdutores atisos.

No transdutor passivo, a energia sentida pelo sensor produz alterações em resistência, capacitância ou indutância. Os transdutores passivos também devem ser ligados dentro do circuito que possua uma fonte de energia elétrica.

Resumo

1. O significado científico da palavra trabalho é a força exercida sobre uma certa distância. Matematicamente,                                                                                                                                                 trabalho força x distância.
2. Energia é definida corno a capacidade de realizar trabalho.
3. Um transdutor é um dispositivo que permite que a energia de um sistema controle a energia de um outro sistema.
4. A realização de medições de uma posição remota é chamada telemetria.
5. Os termos transdutor e sensor são intercambiáveis.
6. O transdutor ativo produz urna tensão de saída que está diretamente relacionada com a energia sentida.
7. Existem 6 métodos básicos de gerar uma tensão. Quatro destes métodos são usados na fabricação de transdutores ativos.
8. Um transdutor passivo produz urna alteração na resistência, capacitância ou indutância diretamente relacionada com a energia que está sendo medida.

No estudo dos transdutores é importante conhecer o significado científico das palavras trabalho e energia. O trabalho é definido como o uso de uma força para movimentar um objeto, através de uma certa distância.

Matematicamente, trabalho = força x distância. Por exemplo, se 1 kg de força for usado para puxar um trenó a uma distância de 1 metro, o trabalho realizado será de 1 kgtn. Se você for um funcionário de escritório e gastar 8 horas por dia em sua mesa, pode sentir que está trabalhando. Porém, no sentido científico, não há realmente trabalho realizado porque você não está usando uma força para movimentar objetos através de uma certa distância. Por outro lado, se você empurrar unia caixa com uma força de 20 kg a uma distância de 15 metros, realizou um trabalho de 300 kgm (20 x 15 300).

E interessante notar que o volt usado em medições elétricas é definido como a quantia de trabalho usada para movimentar uma carga positiva do terminal negativo de uma fonte de tensão para o terminal positivo da mesma fonte. Desta forma o volt, como muitas outras unidades de medição em eletricidade e magnetismo, é baseado em leis básicas da ciência.

O termo energia também tem um significado básico quando usado em ciência. Por definição a energia é a capacidade de realizar trabalho. Nesta definição, o termo trabalho significa força x distância. Existem seis formas básicas conhecidas de energia: energia mecânica, energia térmica (calor), energia luminosa, energia química, energia nuclear e energia elétrica. A energia, em qualquer uma destas formas, é capaz de realizar trabalho, isto é, é capaz de movimentar um objeto através de unia certa distância.

Na eletrônica, preocupamo-nos com a medição e o uso da energia. Lm transdutor e um dispositivo que permite a energia de um sistema controlar a energia de um outro sistema. Para simplificar isto, você pode pensar num transdutor como um dispositivo que converte a energia de uma forma para outra.
Dois exemplos simples de transdutores estão indicados na Figura 1. O microfone é o exemplo de transdutor; ele converte energia sonora (uma forma de energia mecânica) em impulsos elétricos. Um alto-falante é um transdutor que converte impulsos elétricos em energia sonora.

Figura 1

Os transdutores são usados em circuitos eletrônicos para duas finalidades mui-. to importantes: para a medição e como sensores em circuito de controle.

Vamos, por exemplo, supor que desejamos medir a temperatura de algum ponto distante. Uma maneira de fazê-lo é a de converter a energia térmica em impulsos elétricos. Os impulsos elétricos podem ser enviados através de um fio condutor e, em seguida, podem ser convertidos em leitura de um medidor.

Fazer medições a pontos remotos, como a medição acima descrita, é chamado telemetria. Neste exemplo, um transdutor é necessário para converter a energia térmica em impulsos elétricos.

Os transdutores também são usados como sensores. De fato, os termos transdutor e sensor são usados significando a mesma coisa. Vamos supor que desejamos controlar a temperatura de uma sala com um sistema elétrico que irá ligar o aquecedor quando a temperatura da sala estiver fria demais e desligá-la quando a sala estiver suficientemente aquecida. Para fazer isto, você precisa de algum tipo de sensor ou transdutor que irá transformar a temperatura da sala num sinal elétrico para controlar o aquecedor.

Na Figura 2, a bobina do relé N está em série com um interruptor S. A letra N identifica este relé particular. Pode haver até 30 ou 40 relés no sistema e cada bobina de relé será identificada por uma letra diferente ou combinação diferente de letras. Os contatos para cada relé são identificados pela mesma letra, assim cada contato marcado com N é operado pela bobina marcada com N. Quando o interruptor for fechado, a corrente flui através da bobina do relé e energiza a mesma. Existem dois contatos com esta bobina; ambos são marcados N. O contato em série com a lâmpada L1 é normalmente aberto; o outro é normalmente fechado e está em série com a lâmpada L note que os dois contatos de relés juntos formam um contato de forma C. conforme indicado na Figura 1.

Figura 1

A Figura 2 mostra um circuito simples de relé, Os símbolos industriais são usados na Figura 2a e os símbolos ANSI são usados na Figura 2b. Ambos os circuitos são iguais. A única diferença está no tipo dos símbolos usados. Um relé de corrente alternada trabalha de forma semelhante; porém, os relés são construídos de uma forma um pouco diferente. O material do núcleo e da armadura dos relés de corrente alternada é laminado para reduzir o problema de perdas por correntes parasitas. Também o material é escolhido para perdas mínimas por histerese.

Figura 2

Quando a chave S está desligada L2 está em posição ligada e L1 não. Fechando o interruptor S irá L1 em posição LIGA e L em posição DESLIGA. Na Figura 3, o relé está indicado na condição desenergizada. Você deve sempre saber que os relés estão nessa condição quando indicados em desenhos esquemáticos. Note que o circuito para L é completo, porém o circuito para L1 está aberto. Quando o relé for energizado, o circuito para L1 será completado e esta lâmpada será ligada. Ao mesmo tempo, o circuito para L será aberto e esta lâmpada será desligada. A Figura 3 é um simples circuito de relé para partida e parada de um motor de corrente continua. A Figura 3a mostra os símbolos industriais para o circuito de controle do motor. A Figura 3 b mostra o mesmo circuito usando símbolos ANSI. A bobina do relé, neste caso, está marcada com A. Existem dois interruptores de contato momentâneo manual no circuito; um está marcado LIGA e está normalmente aberto, o outro está marcado DESLIGA, normalmente fechado. Ambos são operados por molas e voltam para as posições indicadas quando liberados.

Figura 3

Para dar partida no motor, aperta-se o botão LIGA: isto completa o circuito através da chave DESLIGA e através da bobina do relé A. O relé está energizado e ambos os contatos marcados A fecham-se. Os contatos do relé em paralelo com o interruptor LIGA, agora fechado, permitem um fluxo de corrente dentro do circuito marcado a e b através do contato A (perto de a), através da chave DESLIGA e através da bobina de relé A. Diz-se agora que a bobina do relé está eletricamente travada. Mesmo que a chave DESLIGA abra, a corrente não pára de fluir, através da bobina do relé. A razão é que existe caminho de a e b que é o seguinte: através do contato de travamento, através da chave DESLIGA e através da bobina do relé.

Outra coisa acontece quando o relé é energizado. O contato A que está em série
com o motor é fechado; isto faz o motor funcionar.

O relé térmico normalmente fechado, marcado com X, está localizado na carcaça do motor. Se o motor ficar superaquecido, o relé X irá abrir e o circuito do motor
estará aberto.

Para parar o motor, aperta-se o botão DESLIGA; isto abre o circuito da bobina e
desenergiza o relé. Uma vez que ambos os jogos de contato marcados /4 tornem-se
abertos, a bobina e os circuitos do motor são abertos.

Resumo

1. O relé é uma chave operada eletricamente.
2. O rele permite o uso de uma chave pequena para controlar circuitos, com altas tensões ou altas correntes.
3. O relé é dividido em duas seções, a seção da bobina e a seção dos contatos.
4. As configurações de contatos de relés ao identificadas como formas. Por exemplo, forma A, forma B e assim por diante.
5. Alguns relés podem ser travados eletricarnente.

O contato de forma C possui um jogo de contatos fechado e outro normalmente aberto. Energizando a bobina irá transferir as conexões de um circuito para outro.
O relé de batente ilustrado na Figura 1 possui contatos de forma C.

Figura 1

O contato de forma D às vezes é chamado transferência de continuidade. É projetado de tal forma que, quando o relé for energizado, o contato normalmente aberto irá fechar-se antes que os contatos normalmente fechados abram. Os contatos de forma F são de fechamento em seqüência no tempo. Conseqüência: existem dois contatos normalmente abertos. O relé foi projetado de forma que, quando a bobina for energizada, um jogo de contatos completa o circuito antes do Outro jogo.

O circuito de contato por relé pode ser desenhado de duas formas. Exemplos são indicados na Figura 1. Os símbolos ANSI são um pouco mais fáceis de serem lídos, porém são muito mais difíceis de desenhar em esquemas grandes. Por esta razão, os símbolos industriais tornaram-se mais populares.

Os fabricantes de relés identificam os diferentes arranjos de contatos que se chamam empilhamentos como sendo formas tais como: A, B, C etc. Símbolos das formas mais populares são indicados na Figura 1. A forma A é o relé unipolar simples. O símbolo ANSI mostra os contatos abertos ou em sua posição normal desenergizada. A seta no símbolo ANSI indica a direção em que a armadura e o contato móvel irão quando a bobina for energizada; em outras palavras, se a bobina for energizada, a armadura irá empurrar o contato móvel para fazer a ligação.

Figura 1

A maneira de desenhar a forma A não é tão fácil para entender, porém você deve aprender a identificar símbolos corno sendo um relé de contato normalmente aberto. E muito importante distinguir esta forma A industrial entre o símbolo de contato (forma industrial) e o símbolo para um capacitor. O símbolo para um capacitor possui uma das duas linhas curvadas. Veja símbolos para capacitores no Anexo B.
Os contatos no relé da forma B são normalmente fechados. Energizando a bobina, neste caso, irá abrir o circuito.

O relé de telefone da Figura 1a é usado quando se deseja ligar um grande número de circuitos ao mesmo tempo. O relé com travamento mecânico da Figura 1b liga quando a bobina for energizada e permanece na posição ligada mesmo quando a corrente da bobina for removida. E necessário religar este relé manual- mente para a operação seguinte. A chave múltipla da Figura 1c é usada em aplicações onde um certo número de circuitos com relés deve ser ligado em seqüência. Isto é, um depois do outro. O relé diferencial da Figura 1d pode sentir a diferença entre duas tensies ou a diferença entre duas correntes. Quando a tensão ou a corrente em dois circuitos é a mesma, as correntes da bobina são iguais e fluem em direções opostas. O fluxo magnético das duas bobinas se anula. Sob esta condição, o relé não está energizado, porém, se a corrente de uma das bobinas tornar-se muito maior do que a outra, seu fluxo magnético torna-se suficientemente forte para vencer o fluxo mais fraco e o relé torna-se energizado. Assim, o relé é usado para determinar quando existe uma diferença nos valores da tensão ou da corrente.

Figura 1

O relé térmico da Figura 1e é usado em aplicações quando uma elevação da temperatura deve ser sentida. Vamos, por exemplo, supor que um motor começa a ficar superaquecido. E desejável desligar o motor antes de o mesmo ser destruído. O relé térmico é localizado na carcaça do motor. Quando a temperatura aumentar acima de um certo valor, o relé desliga o motor.

O relé de ponteiro da Figura 1f usa o movimento de um ponteiro. Este ponteiro pode ser ligado a um soltímetro ou amperímetro; enquanto a tensão ou a corrente estiverem dentro dos limites definidos não há contato. Porém, se a tensão ou a corrente elevar-se além ou abaixar aquém do limite, ocorre o contato. Este contato pode ser usado para controlar a operação de uma máquina ou desligar circuitos com sobrecarga.
Para reconhecer o tipo de um relé você deve lembrar-se de que existem duas seções a serem verificadas. Em primeiro lugar existe a bobina do relé. Esta bobina deve ter corrente fluindo quando o relé for energizado. Em segundo lugar, existem os contatos do relé que se abrem ou fecham dependendo se o relé é energizado ou desenergizado. A bobina pode ser energizada com um circuito simples, e em outros circuitos a bobina pode ser energizada pela corrente de trina válvula eletrônica ou transistores.

O relé é uma chave operada eletricamente. A Figura 1 mostra como funciona um relé simples de batente. A Figura 1a mostra que o relé do tipo batente possui uma bobina enrolada sobre um núcleo de aço-doce magnético. Quando a corrente flui na bobina, o núcleo torna-se imantado e atrai a armadura. A armadura desloca os contatos elétricos ligando os contatos. Os contatos são localizados numa placa isolada. Quando a corrente não flui na bobina, uma mola volta à armadura para a posição desenergizada, na Figura 1a. Os símbolos dos contatos do relé são também indicados na Figura 1a. Note que, quando o relé não for energizado, há contato entre A e C e não há contato entre A e B. O relé é energizado fechando o interruptor; isto está indicado na Figura 1b.

Figura 1

A corrente flui na bobina e magnetiza o núcleo. O núcleo magnetizado atrai a armadura, a armadura desloca os contatos e o diagrama mostra que há contato elétrico entre os terminais A e B. Neste momento, não há contato entre os terminais A e C. Os contatos A e C são chamados normalmente fechados porque na posição normal do relé desenergizada eles fazem contato. Os terminais A e B são chamados normalmente abertos, porque quando o relé está na posição desenergizada não existe contato entre eles. Você pode pensar que nada é realizado usando o relé. Você poderia simplesmente ter ligado os terminais A, B e C diretamente ao invés de usar uma chave para controlar um relé. Porém, existem várias vantagens com o sistema de relés. Uma delas é que a corrente da bobina do relé pode ser bastante pequena de modo que uma chave pequena possa ser usada no circuito da bobina. Porém, os contatos do relé podem ser ligados em circuitos de alta corrente ou alta tensão que requerem grandes contatos de ligação. Assim, usando um relé você pode operar uma chave pequena e fechar um circuito de alta potência.

Existe um outro uso importante dos relés. São muitas vezes usados para controle remoto; ademais, o circuito sendo ligado e desligado através dos terminais A, B e C, os mesmos podem estar localizados a uma grande distância de onde você quer fazer a ligação.

O relé do tipo batente da Figura 1 é usado quando uma pequena quantidade de energia na bobina pode ligar e desligar circuitos com altas tensões e correntes.

Em alguns circuitos é desejável passar uma freqüência ou gama de frequências de um ponto para outro e rejeitar todas as outras freqüências. Os transformadores são componentes ideais para esta finalidade, porque o primário e o secundário dos transformadores são indutâncias. Essas indutâncias podem ser sintonizadas com capacitores. A Figura 1 mostra o primário básico. Neste transformador existem 3 freqüências no primário: 1.000 kHz, 2.000 kHz e 3.000 kl-lz. Vamos supor que se deseja passar apenas o sinal de 2.000 kHz para o próximo estágio. Tanto o primário como o secundário do transformador são sintonizados para esta freqüência. Todas as frequências que não sejam de 2.000 kHz são rejeitadas, isto é, não são acopladas dentro do circuito secundário.

Figura 1

Existem variações dos circuitos de transformadores sintonizados. Em algumas aplicações somente o primário ou o secundário são sintonizados. As vezes os capacitores são fixos ao invés de serem variáveis e as indutâncias do primário ou do secundário são variáveis. A indutância geralmente é variada deslocando um núcleo de ferro em pó ou ferrite para dentro ou para fora das espiras do transformador.

Resumo

1. Um transformador irá deixar passar uma tensão alternada do primário para o secundário, porém não irá deixar passar uma tensão contínua.
2. Um transformador de isolamento é usado para proteger operadores e técnicos de um choque elétrico fatal.
3. Um transformador pode ser usado para elevar ou abaixar a tensão. Quando a voltagem é elevada, a corrente do secundário é abaixada. Quando a tensão é abaixada, a corrente do secundário é elevada.
4. Os transformadores são usados para combinar a impedância da carga com a do gerador; isto resulta na transferência máxima de potência.
5. Um transformador pode sei sintonizado de modo a deixar passar apenas uma freqüência ou uma gama de freqüências e rejeitar todas as outras.

Em circuitos de corrente alternada, a oposição ao fluxo de corrente é chamada impedância Z. Em circuitos de corrente contínua a oposição ao fluxo de corrente é chamada resistência. Tanto a impedância como a resistência são medidas em ohms. Uma aplicação importante do transformador é a de combinar a impedância de um gerador ou dispositivo eletrônico com uma determinada carga.

Figura 1

A idéia de combinação de impedâncias é baseada no teorerna de transferência máxima de potência ilustrado na Figura 1. No circuito da Figura 1a uma bateria E com resistência interna R, é ligada a uma carga resistiva variável R1. Conforme a carga resistiva aumenta, a partir de O horns, a quantidade de energia fornecida para a carga resistiva aumenta uni ponto e, em seguida, começa a diminuir; isto está indicado na Figura 1h. A maior potência possível de ser fornecida para a carga sempre ocorre quando a resistência da carga é igual à resistência interna da bateria. Uma bateria é usada neste exemplo, porém pode ser usado também um gerador de corrente alternada.

Para ligar um gerador de corrente alternada a uma carga que possui uma impedância diferente da impedância interna do gerador é necessário um dispositivo de combinação de impedâncias. Os transformadores podem ser usados com esta finalidade. Conforme indicado na Figura 1c, uma impedância interna alta num dor de corrente alternada pode ser usada para fornecer potência máxima a uma carga de baixa impedância, ligando o transformador correto entre os dois. Um transformador poderia ser usado também para combinar uma baixa impedância do gerador a uma alta impedância de carga.

Em Circuitos eletrônicos, o transformador pode ser usado para combinar a impedância de um amplificador a um alto-falante. Isto está indicado na Figura 2. O amplificador é considerado o gerador de potência de áudio e supõe-se fornecer a máxima potência possível ao alto-falante. Quando os dois forem ligados diretamente, conforme indicado na Figura 2a, o alto-falante não recebe a potência máxima. Na Figura 2b o transformador serve para combinar o amplificador e a carga de modo a fornecer a potência máxima. Existem muitas aplicações em eletrônica onde a combinação de impedâncias é realizada através de um transformador.

Figura 2

Existem muitas aplicações em eletrônica onde a combinação de impedâncias é realizada através de um transformador.

Os transformadores são também usados para abaixar a tensão. Se o enrolamento possui a metade das voltas do primário, a tensão do secundário será a metade da tensão do primário. As mesmas equações para tensão e corrente e relação de transformação são aplicadas. Rebaixando a tensão permite elevar a corrente do secundário. Em regra geral, os transformadores abaixadores podem fornecer uma corrente secundária maior, porém abaixam a tensão do secundário. Os símbolos para transformadores elevadores e abaixadores indicados nas Figuras 1 e 2 são típicos. Você nunca deve tentar determinar a relação de transformação de um transformador contando o número de voltas do símbolo. São apenas símbolos.

Figura 1

Figura 2

A relação atual de transformação pode ser fornecida pelo fabricante ou pode ser indicada no diagrama esquemático do equipamento. Lembre-se de que, se as tensões do primário e do secundário forem conhecidas, a relação de transformação também é conhecida, uma vez que a relação de transformação é a mesma que a relação entre as tensões.