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Gerência de Eletrônica Fontes de Alimentação Primárias 0 Onda distorcida Fundamental Terceira harmônica t Autores: Prof. Valdir Noll Prof. Marco V. M. Villaça

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Fontes de alimentação

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  • Gerncia de Eletrnica

    Fontes de

    Alimentao Primrias

    0

    Onda distorcida

    Fundamental

    Terceira harmnica

    t

    Autores:

    Prof. Valdir Noll Prof. Marco V. M. Villaa

  • proibida a reproduo parcial ou total desta apostila, quer por meios eletrnicos ou mecnicos, sem o prvio consentimento dos autores.

  • CAPTULO I Baterias

    1.1 Introduo

    As baterias so acumuladores de energia eltrica, e portanto, tem a funo de acumular no seu interior a energia cedida a eles, para uso posterior. No se pode confundir acumuladores com geradores, uma vez que as baterias no geram energia eltrica, mas simplesmente a acumulam.

    Em todas as baterias, o processo de acumulo de energia eltrica implica na transformao da energia. A partir da energia eltrica, essa transformada, na bateria, por uma ao eletroqumica, em energia qumica, acumulada sob esta forma. Ao ser solicitado uma corrente da bateria, a energia novamente se transforma de qumica para eltrica, descarregando-se. necessrio, portanto, a recarga da bateria, uma vez que ela apenas um acumulador de energia. No diagrama abaixo vemos este processo:

    EnergiaEltrica

    EnergiaQumica

    EnergiaEltrica

    A primeira bateria foi construda por Alessandro Volta, em torno de 1800, na Universidade da Pvia, Itlia. Ele era professor de Filosofia Natural. Este equipamento, depois conhecido como pilha voltaica, era composta de uma srie de discos de zinco e prata, aos pares, separadas uma das outras

  • por um papel impregnado como uma mistura de sais. A corrente circulava quando o disco superior de prata era conectado ao disco inferior de zinco por meio de um fio de cobre. Em 1836, o qumico ingls John Daniel desenvolveu o que hoje conhecemos como clulas voltaicas.

    Uma clula voltaica composta de dois elementos qumicos diferentes, de diferente capacidade de atrair os eltrons, que so imersos num eletrlito e conectado um com o outro atravs de um circuito externo. Ocorre uma reao qumica conhecida como oxidao - reduo durante a carga - descarga da bateria.

    As baterias so divididas em dois grandes grupos: As primrias e as secundrias. Dentro desses grupos ocorrem subdivises.

    1.1.1 Baterias Primrias

    So aquelas construdas de tal maneira que somente podem fornecer uma nica vez uma corrente contnua ou intermitente. Exemplos de baterias primrias incluem baterias usadas em flashs, em brinquedos, rdios, gravadores de mo. Incluem as baterias cidas, Alcalinas e a mercrio. Este tipo de bateria usualmente chamado de pilha, ainda que existam pilhas recarregveis, consideradas como baterias secundrias.

    1.1.2 Baterias Secundrias

    So construdas de tal maneira que podem ser descarregas e recarregadas at quase seu estado original, sendo o processo de carga o inverso do processo de descarga. Este processo , portanto, reversvel. A mais usada so as baterias chumbo-cidas ( em automveis, luz de emergncia, no-breaks, etc...) que possuem placas de chumbo e de dixido de chumbo, imersas num eletrlito a base de cido sulfrico. Este tipo de bateria usualmente chamado de acumulador.

    H uma grande variedade de tipos de baterias, variando no tipo de eletrlito e na composio das placas positiva e negativa. Para cada aplicao existe um tipo ideal de bateria, e h uma busca no meio cientfico para encontrar a bateria ideal (sem perdas, baixa manuteno, grande capacidade de corrente e alto tempo de descarga constante).

    Inicialmente, nos captulos 2 a 4, vamos analisar as baterias do tipo Chumbo-cidas (automotivas). A partir do captulo 5, analisaremos as pilhas, tanto as recarregveis quanto as no-recarregveis.

    2 Acumuladores de Chumbo-cido

    2.1 Introduo

  • Este captulo visa tornar familiar este componente fundamental em sistemas que visam ter energia de reserva para emergncias. So apresentadas as suas caractersticas eletroqumicas tanto no processo de carga quanto na descarga e so definidos alguns conceitos importantes sobre a bateria. O comportamento da bateria durante um procedimento normal de carga e descarga mostrado. Analisaremos no captulo 3 os diferentes mtodos de carga desta bateria, que a mais conhecida bateria usada em automveis.

    2.2 Estudo da clula eletroqumica de Pb/PbO2

    Nesta seo os elementos principais de uma bateria e seu comportamento eletroqumico so evidenciados.

    2.3 Definio de Acumulador

    um dispositivo destinado a transformar energia qumica potencial em energia eltrica. Consiste essencialmente de dois eletrodos de substncias diferentes imersos em um eletrlito, o qual reage com um dos eletrodos mais fortemente do que com o outro [7]. Ligando-se o acumulador a uma fonte de corrente contnua, a ao qumica se inverte e os elementos ativos (Chumbo (Pb) e Dixido de Chumbo (PbO2)) se regeneram, carregando o acumulador.

    O acumulador composto dos seguintes elementos:

    - Grade positiva fabricada de liga de Chumbo com Antimnio (5%-12%), ou com clcio, normalmente do tipo "empastada" com xido de Chumbo, inventada por Faure e Brush [3];

    - Grade Negativa de liga de Chumbo com Antimnio, empastada com Chumbo.

    - Separadores, que so dispositivos colocados para isolar a placa positiva da placa negativa, normalmente fabricadas em placas microporosas de PVC ou borracha; podem ser envelopadas ou no.

    - Eletrlito, composto de cido sulfrico dissolvido em gua destilada.

    Para se obter uma grande capacidade, uma grande superfcie deve ficar exposta ao eletrlito, e como isso difcil, coloca-se vrias placas em paralelo, para formar um grupo ou um vaso, os quais interligados formam um borne positivo ou negativo. A placa positiva deve ficar sempre entre duas negativas.

    2.4 Reaes Qumicas Envolvidas

  • As duas principais reaes qumicas envolvidas no processo ocorrem nas duas placas: a positiva e a negativa. Antes da descarga, a placa negativa de chumbo e a positiva de dixido de chumbo.

    Placa Positiva: PbO2+SO4--+ 4H+ + 2e- PbSO4 + 2H2O

    Placa Negativa: Pb + SO4-- PbSO4 + 2e-

    Reao Global: PbO2 + Pb + 2H2SO4 2PbSO4 + 2h2O

    O processo fica mais bem entendido pela anlise das figuras abaixo.

    Durante a descarga, o nion cido que est livre na soluo se combina com o Chumbo da placa negativa, formando Sulfato de Chumbo e liberando dois eltrons, o qual ir, via resistncia de carga ligada entre os plos da bateria, para a placa positiva. O mesmo nion cido transforma, junto com os dois eltrons, o xido de chumbo em sulfato de chumbo mais gua. A gua vai diluir a concentrao de cido sulfrico e conseqentemente a tenso da bateria diminuir. Ao ligar-se uma fonte de eltrons placa negativa, a reao qumica se reverter e regenerar o xido de chumbo na placa positiva e o chumbo na placa negativa, liberando o cido sulfrico para o meio, e com isso aumentando sua concentrao e conseqentemente a tenso da bateria. Diz-se ento que a tenso diretamente proporcional a concentrao de cido sulfrico.

    O processo de regenerao da carga no ocorre em 100%, devido a diversos fatores (construtivos, qumicos, etc...).A perda da Capacidade de uma bateria ocorre pelo processo de autodescarga da placa positiva, sendo um dos fatores importantes a serem considerados no controle da recarga, e se d conforme a seguinte reao qumica:

    PbO2 + 2H Pb++ + H2O + 1/2 O2

    d

    d c

    c d

    c

  • Verifica-se que o on hidrognio ataca o xido de chumbo, transformando-o em um on chumbo, formando gua e liberando oxignio. H uma diluio do cido sulfrico e conseqentemente perda do nvel de tenso. A velocidade desta reao depende grandemente da temperatura.

    2.5 Sulfatao

    o processo de endurecimento do Sulfato de Chumbo (PbSO4) de maneira tal que o mesmo no se transforma em PbO2 durante a recarga, o que diminui sua capacidade de energia.

    2.6 Resistncia Interna

    A resistncia interna de uma bateria uma grandeza difcil de ser medida, sendo afetada fortemente por fatores construtivos, temperatura, profundidade de descarga, estado de carga, etc... A ordem de grandeza da resistncia interna est entre 2.0 a 5.0 mW para uma clula de 50 A.h, e varivel no tempo em funo da quantidade de energia cedida carga [3].

    O modelo ideal de uma resistncia, indutncia e de uma capacitncia ligadas em srie. A impedncia pode ser medida indiretamente pela leitura da corrente e da tenso, sendo esta usada, muitas vezes, como parmetro indicativo do estado de carga de uma bateria.

    2.7 Modelo matemtico

    Uma bateria tem uma modelagem matemtica difcil e complexa, se for procurado colocar nas variveis todas as suas dependncias. Assim, durante a carga, temos o seguinte equacionamento simblico:

    Vbat = Eo(t,d,s,..) + I.Rin (t,d,s,c,i,tv,..)

    Onde:

    Eo - Tenso interna da bateria;

    t - temperatura;

    d - densidade do eletrlito;

    s - grau de sulfatao existente;

    I - Corrente de recarga;

  • Rin - Resistncia interna da bateria;

    c - Estado de carga;

    i - corrente;

    tv - tempo de vida.

    A simplificao muitas vezes aceita e implica em tornar as variveis independentes dos fatores descritos acima. Assim:

    Na recarga > Vbat = Eo + I.Rin

    Na descarga > Vbat = Eo - I.Rin

    O modelo simplificado composto por uma fonte cc com uma resistncia srie, a qual a resistncia interna da fonte.

    2.8 Tenso de um Acumulador

    A fora eletromotriz Eo gerada pela ao qumica tem a principal caracterstica de aumentar com o aumento da concentrao do eletrlito, porm no de maneira linear e limitada por questes construtivas. Logo, tendo em vista o funcionamento da bateria descrito anteriormente, a tenso aumenta com a carga e diminui com a descarga.

    Como se forma cido nos poros da matria ativa durante a carga e gua durante a descarga, e como requer tempo para que a gua e o cido se diluam, deduz-se que a concentrao do cido que est em contato real com a substncia ativa consideravelmente maior durante a carga que a concentrao mdia do cido, enquanto que durante a descarga consideravelmente menor do que a mdia. Por conseqncia, a tenso interna maior durante a carga que durante a descarga, ainda que para um mesmo grau de carga.

    A tenso da bateria deve ser monitorada durante a carga/descarga como indicativo do fim da carga/descarga. Assim h pelo menos quatro (4) estados caracterizados ao monitorar a tenso:

    ESTADO DESCARREGADO Vbat2.70 V/e

  • O estado de flutuao tambm conhecido como estado normal, o de equalizao como de recarga, e o de sobretenso como de sobrecarga.

    Alguns manuais diferenciam estado de recarga de estado de equalizao [3], definindo para isso mais um nvel intermedirio de tenso colocado entre a flutuao e a equalizao.

    Quanto ao Estado de Flutuao, usualmente mantido entre 2.15 a 2.20 volts/elemento para bateria chumbo/cida, com uma variao permitida de 1% [3].

    A tenso de flutuao necessria para compensar o processo de autodescarga da bateria, e deve ser cuidadosamente escolhida, pois uma tenso excessivamente alta faz com que aumente a corrente de flutuao, diminuindo sua vida til e com possibilidades de ocorrer uma sobrecarga e at a danificao completa da bateria. J uma tenso de flutuao muito baixa reduz a capacidade da bateria, pois perde a sua carga pelo processo de autodescarga.

    importante notar que a temperatura afeta a viscosidade do eletrlito e, portanto, tambm afeta a tenso. Torna-se necessrio monitorar a temperatura interna da bateria, sendo que a tenso diminuda entre quatro a cinco milivolts a cada grau centgrado no aumento da temperatura [3,7].

    A tenso no acumulador, quando medido vazio, no se constitui numa indicao precisa do seu estado de carga, pois este depende em grande escala do regime de descarga. Neste caso, a medida da densidade do eletrlito uma medida confivel [7].

    A tenso medida durante a carga e a descarga uma medida confivel do seu estado de carga, sendo que estas grandezas so diretamente proporcionais entre si.

    2.9 Corrente no Acumulador

    Uma bateria pode ser carregada com qualquer regime de carga (usualmente menor do que sua capacidade) desde que no produza um desprendimento excessivo de gases e no superaquea os acumuladores [2]. Isto permite uma grande flexibilidade na escolha da corrente de recarga, respeitando-se certos limites mximos e mnimos, pois a prtica tem demonstrado que um regime de carga rpido prejudica sensivelmente a vida til da bateria.

    Define-se vrias correntes de acordo com o estado de carga da bateria, com o tipo de placa usada, e com a capacidade em A.h. nominais da bateria.

    Corrente de Equalizao ou de Recarga:

    a corrente destinada a retornar 90% da capacidade da bateria e usualmente escolhida como 10% da capacidade nominal (corrente mxima retirada em uma hora de descarga).

    Corrente de Flutuao:

  • Corrente necessria para compensar a reao de autodescarga da placa positiva mais as perdas de potncia por fuga de corrente entre plos e entre plo e terra. da ordem de 1% da capacidade nominal.

    Corrente de reteno:

    Corrente destinada a dar uma pequena sobrecarga na bateria com o objetivo de "nivelar" as tenses das diversas clulas eletroqumicas.

    2.10 Densidade

    A densidade da soluo (eletrlito) definida como a concentrao de cido sulfrico na gua. Quanto maior for esta concentrao, maior capacidade em Ah possvel retirar da bateria, porm isto limitado por questes construtivas. A densidade normal de uma bateria varia entre 1150 - 1280 pontos e sofre uma variao com a temperatura, de acordo com a seguinte equao [3]:

    D = D25 - 0.0007(T - 25)

    onde:

    D25 = Densidade a temperatura de 25O C;

    T = Temperatura atual;

    D = densidade corrigida.

    2.11 Temperatura

    Uma mudana na temperatura modifica a viscosidade do eletrlito, afetando a intensidade da difuso do cido atravs dos poros da placa, diminuindo a capacidade da bateria quando h uma diminuio da temperatura (aumenta a viscosidade), e aumentando a capacidade para temperaturas acima de 25 graus centgrados.

    importante observar que a temperatura mxima permitida numa bateria de quarenta e cinco graus centgrados, e deve ser observado com rigor, para no diminuir a vida til deste componente [3,7].

    A temperatura influencia decisivamente na tenso que a bateria apresenta em seus terminais, conforme o exposto anteriormente.

  • 2.12 Capacidade de uma Bateria

    A capacidade de uma bateria definida em Ampres-hora, num ensaio em que retirada uma determinada corrente fixa no tempo, a uma determinada temperatura constante, at que a bateria atinja uma determinada tenso mnima permitida. A multiplicao das grandezas corrente e tempo igual capacidade da bateria.

    A capacidade dependente de diversos parmetros interligados, tais como:

    - profundidade de descarga;

    - tenses de incio de descarga;

    - temperatura;

    - projeto do elemento;

    - nmero e dimenses das placas;

    - densidade do eletrlito;

    - idade da clula eletroqumica;

    - outros.

    Em funo dessas diversas caractersticas, a capacidade de uma bateria algo previsvel, mas no exato, o que torna difcil saber com preciso a quantidade de carga remanescente numa bateria, sendo que h uma certa variao, ainda que pequena, de uma bateria para outra, de um mesmo fabricante.

    2.13 Caracterstica de Carga e Descarga

    A figura seguinte representa o comportamento tpico da tenso e da corrente durante a carga de uma bateria:

  • Observa-se que o regime de corrente de carga diminui automaticamente se a carga da bateria se fizer com uma fonte de tenso constante, observando-se que esta tenso deve ser ligeiramente superior ao valor nominal da bateria. A tenso interna Eo da bateria se eleva quando a carga progride lentamente. O fim da carga indicado pela constncia das curvas de tenso e densidade do eletrlito.

    A caracterstica da tenso de descarga, para regime de corrente de descarga baixa (em 5 horas), mdia (em 1 hora) e profunda (em 20 min.) mostrada na figura a seguir.

    Deve-se observar o afundamento da tenso no incio da descarga, o que prejudicial nos sistemas de controle, visto este afundamento ser funo da corrente retirada da bateria e no indicar necessariamente que a bateria est descarregada.

    2.14 Gaseificao

  • Se for mantida a corrente de carga depois que todo o Sulfato de Chumbo se tenha transformado ou se a corrente de carga for excessiva, verifica-se uma reao qumica adicional, isto , a decomposio da gua em gs hidrognio e gs oxignio conhecida como Eletrlise da gua. Esses gases formam bolhas nas placas, podendo ser suficientemente fortes para desalojar a matria ativa das placas. Isto significa tambm um dispndio de energia, e geralmente se reduz a corrente de recarga no final da carga, com o objetivo de evitar ao mnimo a produo de gases e evitar o superaquecimento do acumulador.

    2.15 Vida til da Bateria

    A vida til depende de diversos fatores, dentre os quais os principais so:

    - do regime de descarga;

    - do processo de carga;

    - da manuteno;

    - da tenso de flutuao;

    - da temperatura.

    Quando a temperatura for acima de 45oC a vida til cai em torno de 30%, dependendo ainda de outros fatores [2].

    Quando uma bateria no consegue fornecer, ao menos, 80% da sua capacidade nominal, quando est com sua carga completa, diz-se que terminou a sua vida til [3].

    2.16 Proteo

    Na proteo contra curto-circuito no sistema recomenda-se o uso de fusveis rpidos (100 ms). A corrente de curto-circuito depende:

    - da resistncia da malha de curto-circuito;

    - do estado de carga da bateria;

    - da temperatura do eletrlito;

    - da tenso nos terminais da bateria.

    2.17 Rendimento da Bateria

  • Define-se trs maneiras de se quantificar o rendimento de uma bateria: em tenso, em capacidade e em energia.

    RvVmed desc

    Vmed c a= ( )

    ( arg )

    Onde:

    Rv - Rendimento em Tenso

    Vmed (desc) = Tenso Mdia Durante a Descarga;

    Vmed (carga) = Tenso Mdia Durante a Carga.

    RcA h desc

    A h c a= -

    -( )( arg )

    Onde:

    Rc = Rend. em Capacidade

    A-h(desc) = A.h cedidos na descarga

    A-h(carga) = A.h cedidos na carga

    Re( )( arg )

    = --

    W h desc

    W h c a

    Onde:

    Re = Rend. em Energia

    W-h (desc) = Watts-hora cedidos na descarga

    W-h(carga) = Watts-hora absorvidos na carga

    2.18 Concluso

    A capacidade de ceder carga de uma bateria fortemente afetada pela variao da temperatura, pela corrente de recarga e pela profundidade de descarga, entre outros fatores. Um sistema de controle que visa obter uma maior vida til deve procurar controlar, pelo menos, a corrente de recarga, a tenso durante a carga e descarga, a temperatura do sistema, e a reao de auto-descarga da bateria (atravs do estado de flutuao).

    A dificuldade de se equacionar o comportamento da bateria deve-se ao fato de se haver pouca informao disponvel a respeito da modelagem da bateria e pouca informaes dos fabricantes de bateria neste sentido.

    3 MTODOS DE CARGA DE ACUMULADORES

  • 3.1 Introduo

    Os mtodos de carga usados para completar ou manter a carga tem um efeito significativo no desempenho das clulas eletroqumicas. Construir um carregador timo se torna uma tarefa no-trivial, o qual deve assegurar que a bateria sofra um carregamento adequado, requerendo sensores de corrente, de tenso e de temperatura, uma seqncia lgica de carga e a correo em funo da temperatura da tenso medida.

    Capacidade e tempo de vida til so os parmetros crticos da bateria, e que so fortemente afetados pelo mtodo de carga. Durante a carga, deve-se evitar usar correntes de recarga muito pequenas, para que no ocorra o processo de desidratao e corroso das placas, bem como se deve evitar correntes de recarga muito elevadas, as quais danificam as placas.

    Uma vez que a bateria est plenamente carregada, a melhor maneira de manter a carga aplicar uma tenso constante na bateria. O circuito deve impor esse nvel correto de tenso, devendo ser grande o suficiente para compensar a autodescarga, e no muito grande a tal ponto de produzir uma degradao por sobrecarga. Com a tenso de flutuao adequada, a expectativa de vida da bateria de 6 a 10 anos [5]. Um erro de 5% na tenso de flutuao de carga pode diminuir em 50% a vida til [5].

    3.2 Mtodo de Carga com Duplo Nvel de Tenso

    Este mtodo [5] consiste basicamente de trs estgios, ilustrados na figura a seguir

    ESTGIO UM: A corrente imposta a um valor mximo at que a tenso sobre a bateria alcance uma tenso limiar de sobrecarga V12;

    ESTGIO DOIS: aplicada uma tenso constante Voc, 5% maior que a tenso limiar de sobrecarga, com o objetivo de dar uma sobrecarga bateria. A corrente tende a cair at atingir uma corrente de reteno mnima Imin.

    ESTGIO TRS: No final do estgio dois, a bateria alcanou perto de 100% de sua capacidade. Neste estgio, mantida uma tenso de flutuao fixa (VF), at que seja drenado da bateria alguma corrente.

  • 3.3 Mtodo a Dois Nveis de Corrente e um Nvel de Tenso

    Quando grandes cadeias de clulas so carregadas, um duplo passo de corrente de carga tem certa vantagem sobre o sistema de duplo nvel de tenso [5]. Se uma carga de flutuao mantida constante para grandes cadeias de clulas, no se consegue prever atravs da observao da tenso, se algumas clulas no esto se descarregando mais do que outras. Uma elevao da tenso em baixa corrente mantm completa e igual carga em todas as clulas.

    O diagrama mostrado na figura abaixo, o qual tem dois estados:

    ESTADO UM: mantida uma corrente constante tipicamente em torno de 10% da corrente nominal at atingir uma determinada tenso sobre a bateria, tenso esta ligeiramente superior a nominal, mas sem dar sobrecarga.

    ESTADO DOIS: mantida uma tenso constante at a corrente atingir o valor da corrente de reteno (prximo a 5% da corrente nominal). Quando a corrente atinge este valor, ela mantida constante e a tenso volta a crescer at que ela se estabilize. Aplica-se, ento, uma tenso constante de flutuao (VF) at a tenso cair a limites inferiores a V12, quando, ento, volta ao estado de recarga, impondo corrente.

  • 3.4 Mtodo a Dois Nveis de Corrente

    Neste Mtodo [3], impem-se dois nveis de corrente sem impor nenhum nvel de tenso. No primeiro nvel dada uma corrente para retornar 90% da capacidade da bateria e no segundo nvel imposta uma corrente para compensar a reao de autodescarga da placa positiva.

    Este mtodo tem a desvantagem de poder impor uma corrente de reteno muito baixa ou muito alta, produzindo, respectivamente, perda de capacidade ou sobrecarga na bateria, a no ser que se monitore a tenso da bateria e ajuste-se o valor de I mnimo.

    A figura abaixo mostra o diagrama esquemtico deste processo de carga.

    3.5 Mtodo de Carga a um Nvel de Corrente

    Este um mtodo de carga profunda [3] e usado quando se deseja carregar urgentemente uma bateria. Necessita monitorar somente a tenso final de recarga da bateria. Aps carregada, o sistema de carga deixa de remeter corrente bateria, e no se preocupa com o processo de auto-descarga. Destaca-se aqui o fato de que a tenso final de recarga funo da corrente de recarga usada. O mtodo mostrado na figura a seguir.

  • 3.6 Mtodo a Um Nvel de Corrente e um Nvel de Tenso

    Este mtodo consiste de dois estados, mostrados na figura abaixo. Num estado a corrente mantida constante at que a tenso atinja o nvel especificado de tenso de equalizao (aproximadamente 2.4 volts). Noutro estado, a corrente atingiu a corrente mnima de reteno e o sistema impem agora uma tenso de flutuao.

    3.7 Mtodo com Tenso Constante

    Este mtodo o mais utilizado em carregadores de baterias no-estacionrias, pois impem uma tenso fixa, permitindo que a corrente decresa medida que a tenso da bateria alcance nvel superior. Tem a principal vantagem de que a corrente se adapta ao nvel de tenso da bateria. Quando a tenso da bateria variar pouco no tempo, a bateria estar carregada.

    Tem como principais desvantagens no impedir excessos de corrente de recarga e no manter a tenso de flutuao para impedir a descarga pelo processo de autodescarga.

    As curvas caractersticas so mostradas nas duas figuras seguintes.

  • 3.8 Mtodo de Equalizao com Corrente Pulsante

    um mtodo de carga [9] onde a corrente interrompida pela operao de um rel sensor de tenso ou um temporizador que pode ser usado para o controle automtico de carga de baterias, os quais so regularmente ajustados para manter a bateria em boas condies.

    A recarga da bateria descarregada procede normalmente at que a bateria atinja a tenso final de recarga, e o processo de carga interrompido. Quando a tenso da bateria cair para a tenso de flutuao, a recarga automaticamente acionada. A tenso da bateria cresce em poucos minutos at atingir novamente a tenso final de recarga e novamente interrompido o ciclo. Esta operao visa manter a carga da bateria.

    O principal problema deste mtodo a dependncia da tenso final de recarga com a temperatura, a capacidade do banco de baterias e a vida til. Com isso, pode ocorrer que a bateria ainda no tenha alcanado a tenso final de recarga e j esteja sendo danificada por sobrecarga.

    Pode-se optar por uma razo fixa de liga/desliga em torno de 60:1, sendo este mtodo possvel com o uso de um temporizador.

    OBSERVAO: Todos os mtodos anteriormente descritos tm seus valores de tenso dependentes em funo da variao da temperatura.

  • 4 TESTES EM BATERIAS DE CHUMBO-CIDAS

    4.1 Introduo

    Este tem pretende abordar aspectos prticos para verificao de defeitos e quando necessrio recarregar uma bateria. Vamos usar a tenso como parmetros de anlise.

    4.2 Procedimento de Teste

    1 - Conecte um equipamento capaz de simular a descarga da bateria, emulando a partida de um veculo. Se no tiver este tipo de equipamento, use um resistor de fio para alta corrente;

    2 - Antes de aplicar a descarga, leia a tenso da bateria ( a vazio). Ela deve estar acima de 12,3 V. Se no estiver, recarregue a bateria antes de continuar o teste;

    3 - Se a tenso estiver acima de 12,5 Volts, ento execute o teste

    4 - Aguarde 60 minutos com a bateria em estado de repouso e totalmente desconectada de qualquer circuito;

    5 - Descarregue a bateria com uma corrente de 200 A por 15 segundos

    6 - Monitore a tenso da bateria durante a descarga. Se ao final dos 15 segundos a tenso da bateria alcanou uma tenso igual ou superior a 9 V, ento a bateria est boa e deve ir para a recarga.

    7 - caso a tenso seja menor que 9,0 Volts, ento recarregue a bateria com 25 A por 15 minutos e repita o teste de descarga. Se nesta segunda tentativa a bateria possuir uma tenso menor que 9,0 Volts, ento ela est defeituosa e deve ser substituda. Caso tenha alcanado uma tenso igual ou superior a 9,0 Volts, ento ela est boa e deve ser recarregada.

    4.3 Recarga

    A recarga de uma bateria deve ter uma densidade do eletrlito igual a 1250 g/l e a temperatura de recarga no deve ultrapassar a 50o C (vlidas para baterias Heliar Free). A partir da garantia desses dois itens passamos, ento, aos mtodos de recarga mais utilizados.

    Recarga com tenso constante

  • Este o tipo de recarga mais comum, encontrado em casas que fazem manuteno em baterias, porm deve-se limitar a corrente em 25 A (para baterias de at 63 A-h) e a tenso de sada do carregador deve ser de 14,4 V. O tempo de recarga deve obedecer seguinte tabela, sob pena de sobrecarregar a bateria:

    Tenso em vazio (Volts) Tempo de recarga (horas)

    12,20 a 12,00 06 a 12

    11,99 a 11,80 10 a 16

    11,79 a 11,50 16 a 20

    11,49 a 11,00 20 a 24

    menor que 11 24 a 30

    Carga com corrente constante

    Estabelece-se uma corrente de recarga de 10% do valor da capacidade em A-h. Assim, uma bateria de 54 A-h deve ser recarregado com 5,4 A de acordo com a seguinte tabela (o tempo mximo admitido de recarga neste modo de 30 horas).

    Tenso em vazio (Volts) Tempo de recarga (horas)

    12,20 a 12,00 4,5

    11,99 a 11,80 7,0

    11,79 a 11,50 9,0

    11,49 a 11,00 11,00

    Menor que 11 15,00

    4.4 Eletrlito

    A densidade do eletrlito deve estar entre 1120 g/l at 1250 g/l. Se a densidade exceder a 1250 g/l, ento se deve diluir a concentrao de cido. Se for o contrrio, deve-se aumentar a concentrao de cido na gua. Durante a recarga, a concentrao aumenta naturalmente, ocorrendo o

  • inverso durante a descarga. Deve-se usar somente gua destilada para a diluio do cido ou completar o nvel de eletrlito na bateria. Quando esta ltima operao feita, somente se adiciona gua e jamais gua com cido, pois ocorre uma natural evaporao da gua e tambm uma emisso de O2, o que tambm diminui a quantidade de gua. J o cido jamais evapora ou consumido, exceto pela impregnao exagerada nas placas.

    5 Pilhas ou Baterias Primrias

    So baterias geralmente no-recarregveis que so largamente utilizadas em equipamentos portteis, tais como: relgios, calculadoras, mquinas fotogrficas, brinquedos, rdios, controle remoto, transmissores, etc... Possuem uma vida til limitada e necessitam ser constantemente trocadas por novas. As pilhas mais comuns so as de carvo ativado, mas apresentam um desempenho pouco satisfatrio. Hoje em dia existe uma grande quantidade de pilhas no mercado, com caractersticas e aplicaes extremamente variadas, confundindo o usurio final.

    Nos prximos captulos (6 a 10), vamos abordar os diversos tipos de pilhas, suas caractersticas e principais aplicaes, procurando, na medida do possvel, comparar um tipo com o outro.

    6 Tipos de Pilhas Existem diversos tipos de pilhas, diferenciando-se pelo componente qumico que compem o nodo (placa negativa). O eletrlito e o ctodo (placa positiva) so diferentes, distinguindo-se diversos tipos de pilhas dentro de uma mesma famlia. Os principais componentes qumicos so: Nquel, Prata, Zinco, Ltio, Mangans e Carbono. As principais pilhas conhecidas so:

    a)NiCad Nquel Cdmio

    b)NiMH Nquel - Metal Hidryde ( Hidreto de Nquel)

    c)Li/SOCl2 Ltio - Thionyl Chloride

    d) Li/MnO2 Ltio - xido de Mangans

    e) Li/CF Ltio - Cabono/Flor

    f) SiO2 xido de Prata

    g) Zi-Air Zinco - Ar

    h) Zi/C Zinco e carbono

    i) Zi/Cl2 Cloreto de Zinco

    j) Zi/Mn Zinco Mangans

    Existem diversos tipos de invlucro (forma, peso, materiais) e conectores (forma e material envolvido), sendo tambm esta uma diferena entre pilhas.

  • Devemos escolher a pilha que mais se adequar funo que necessitamos, mas sem esquecer outras caractersticas que se tornam importantes, tais como: se ou no recarrregvel, se txica ou no, se pode vazar o eletrlito, tempo mdio de vida, se explosiva, se tem baixa taxa de corrente de fuga entre plos, etc.

    As pilhas apresentam formatos diferentes: pilhas tipo boto, tamanho A, AA, AAA (pilhas pequenas), pilhas palito, mdia (C) e grande (D), pilhas para celular, etc.... Devemos estar atentos a estas nomenclaturas usadas no comrcio, e quando devo usar um tipo ou outro. Em geral estes nomes servem para pilhas diferentes uma das outras, mas pode ocorrer que num determinado local se use nomes diferentes para a mesma coisa.

    Algumas designaes se tornaram importantes quanto ao cdigo usado:

    LR ou A (LR44 = A76) Alcalinas

    SR (SR41) xido de prata

    PR (PR41) Zinco-ar

    7 Baterias de Ltio Aqui vamos abordar a pilha a base de Carbono (Li/CF), mas os conceitos so vlidos para as baterias Li/SOCl2 e Li/MnO2. So compostas de Ltio como componente ativo (libera eltrons durante a descarga), e apresentam excelentes vantagens eltricas, tendo tenso praticamente constante durante a descarga, alta densidade de energia (miniaturizao - baixo volume e peso), o eletrlito no-txico, tem baixa corrente de fuga (pode ser armazenada por at 10 anos em prateleira), tolerante vibraes mecnicas. aplicado em memrias de computador, em instrumentos portteis de medio, em CLPs, equipamentos de comunicao, calculadoras, relgios de pulso, etc. Quanto a construo, temos na figura abaixo o desenho esquemtico deste tipo de pilha.

    7.1 Seleo

    Alguns parmetros devem ser observados ao se selecionar uma bateria de Ltio. Alguns projetistas entendem que o tempo de vida til da bateria deve ser semelhante ao tempo de vida de diodos e resistores. Assim, usa-se este tipo de pilha quando se quer longa vida til. O projetista de

  • equipamentos eletrnicos precisa estimar o tempo de vida til da bateria para poder prever em quanto tempo uma bateria deve ser trocada. Este conceito fundamental para no acontecer que um produto, por melhor que seja, caia em descrdito porque necessita trocar a pilha constantemente.

    As baterias precisam fornecer uma energia adequada, para uma determinada carga, compensando a autodescarga e as variaes trmicas do meio ambiente, alm de terem uma alta taxa de confiabilidade na conexo com o circuito ao qual ele alimenta. Isto requer um conhecimento bastante claro a respeito da carga, do meio ambiente onde ele ser usado, bem como a bateria responde s variaes bruscas de carga e temperatura. Para isso importante que a bateria seja considerada desde o incio do projeto. Isto permitira a otimizao da vida estimada da bateria atravs da seleo tima dos componentes usados no equipamento eletrnico. A prpria a seleo da bateria minimizar o circuito e o layout mecnico no processo de fabricao. Os seguintes itens devem ser observados na escolha otimizada de uma bateria:

    Tenso mxima e mnima admissveis

    Corrente drenada em regime permanente

    Corrente drenada em regime pulsado e em que freqncia

    Tipo de encapsulamento e tipo de contato

    Umidade do ar, temperaturas mximas e mnimas, vibrao mecnica e presso atmosfrica.

    Capacidade em mA-h

    7.2 Capacidade (mA-h)

    a capacidade de fornecer uma corrente de x mA durante um determinado tempo, at que atinja uma tenso mnima admissvel (cut-off) . O produto da corrente pelo tempo (em horas) nos d a capacidade. Por exemplo, se retirarmos uma corrente de 10 mA por 1 hora, a capacidade da pilha de 10 mA-h. O processo inverso tambm pode ser feito. Se, por exemplo, queremos drenar uma corrente de 1 mA da pilha anterior, quanto tempo ela fornecer esta corrente ? a resposta 10 horas. Assim, podemos prever quando uma determinada pilha deve ser trocada, desde que conhea a taxa de utilizao do equipamento.

    7.3 Vida Estimada

    O projetista deve considerar dois itens quando se refere a vida estimada da pilha: o consumo do componente eletroqumico ativo e o desgaste trmico. difcil prever a vida estimada da bateria na maioria dos casos, a no ser em funo somente da capacidade da bateria em mA-h. Para prever com mais exatido, algumas empresas distribuem programas que realizam esta tarefa.

    Os fabricantes distribuem curvas de corrente drenada versus tempo de vida estimado. Na figura abaixo temos a reproduo de uma destas curvas, que servem como exemplo.

  • 7.4 Autodescarga

    Todas as pilhas apresentam maior ou menor perda de energia por fuga de corrente entre os plos, ou por fuga de energia qumica no eletrlito, que se traduzem em forma de calor (geralmente). Portanto, todas as pilhas apresentam um tempo mximo em que elas podem ficar armazenas ou sem utilizao em algum equipamento. No corpo das pilhas vem os seguintes dizeres: melhor usar at Jan/98. Devemos ter o cuidado de nunca comprarmos pilhas com muito tempo de prateleira, o que diminui a sua vida til.

    As pilhas de Ltio apresentam menor perda de energia por auto-descarga, conforme mostra o grfico abaixo, comparativamente s pilhas alcalinas. Dentro do grupo das pilhas de Ltio h variaes quanto a isso, conforme se observa no grfico: as pilhas de Li-CF so melhores dos que as de Li/MnO2 que por sua vez melhor do que a de LI/SOCl2.

    7.5 Resistncia Interna

    Todas as pilhas apresentam uma resistncia interna varivel com a quantidade de energia descarregada. As boas pilhas apresentam tenso constante durante todo o perodo de descarga, mantendo a resistncia interna tambm constante, e somente no final da energia armazenada a tenso cai abruptamente e a resistncia interna sobe abruptamente. Isto visto na curva da pilha BR 1225 ( Ray-o-vac - 85 mA-h, 85W de resistncia interna mdia - 2,5 V).

  • 7.6 Caractersticas de carga

    As pilhas primrias no foram feitas para serem recarregadas, mas existe uma corrente de fuga reversa no diodo de proteo contra inverso de polaridade colocada nos circuitos eletrnicos. Essa corrente de carga na pilha admitida dentro de valores mximos, tipicamente 3% da capacidade em mA-h. Assim, uma pilha de 50 mA-h pode ser recarregada, no mximo, 3 %, o que significa 1,50 mA-h. Dividindo-se este valor pelo tempo estimado de uso do aparelho, temos a mxima corrente de carga da pilha. Seguindo o exemplo, se o nmero de horas de uso estimado for 2800 horas, ento a mxima corrente de recarga pode ser de 0,53 mA no mximo.

    Cell Size Rated Capacity 3% of Capacity

    BR1225 50 mAh 1.50 mAh BR1632 130 mAh 3.90 mAh BR2016 70 mAh 2.10 mAh BR2032 195 mAh 5.85 mAh BR2325 180 mAh 5.40 mAh BR2335 300 mAh 9.00 mAh

    7.7 Eletrlito

    O eletrlito tem a funo de ser um agente qumico que permite a transformao do nodo em outro componente qumico, liberando eltrons, que sero usados num determinado circuito. Geralmente o eletrlito consumido total ou parcialmente nesta tarefa. Nas pilhas, temos eletrlitos corrosivos e no corrosivos. Os mais comuns so os eletrlitos cidos e os alcalinos, que so corrosivos e txicos, geralmente em forma lquida ou pastosa. H tambm os eletrlitos a base de solventes orgnicos slidos no txicos, e, portanto, de melhor aceitao ambiental, porm mais caros. Algumas pilhas de ltio possuem o eletrlito a base de solventes orgnicos, sendo ento preferveis s pilhas alcalinas mais comuns no mercado.

  • 8 Alcalinas

    As pilhas chamadas alcalinas apresentam como base qumica, para a formao do nodo, o zinco. Trataremos aqui as pilhas de Zi/Mn (mais popular) e as Zi/Cl2. As pilhas de Zi/C esto dando lugar as pilhas de Zi/Cl2, que so seus substitutos naturais.

    8.1 Alcalinas de Zi/Mn

    Este tipo de bateria permite obter uma longa vida til com uma corrente elevada. Em certas aplicaes possui o tempo de vida duas vezes maior do que a de Cloreto de Zinco, devido a pureza do material utilizado e da forma de construo especial. O ctodo a parte externa e o nodo a parte interna da bateria. O ctodo composto de dixido de mangans e grafite, que so misturados e adquirem a forma de grnulos. Estes grnulos so compactados dentro de um invlucro hermtico. Ento estes tabletes so inseridos dentro de uma capa de ao formando a placa positiva. Em seguida inserido um separador de papel que encharcado com o eletrlito promovendo a troca de ons quando a bateria est em uso. Agora inserida a poro negativa (o nodo), que feito de zinco e outros materiais em forma de polvilho, formando uma espcie de gel. Com o nodo e o ctodo no lugar, soldamos a parte superior para fechar a bateria. Ento, construdo um sistema selador, com quatro elementos principais, que so inseridos por baixo da pilha: prego de chumbo, junta de plstico, arruela de ao e uma tampa de metal. Na figura abaixo vemos uma bateria em corte com seus elementos principais.

    8.2 As baterias de Cloreto de Zinco (Zi/Cl2 )

    So baterias para aplicaes gerais que resultaram de um avano tecnolgico da bateria de zinco-carbono. A construo similar a anterior, diferenciando pelo tipo e pureza dos ingredientes usados, o que lhe confere uma vida til duas vezes maior do que a bateria de Zinco-Carbono. Nessas baterias, o ctodo est em posio invertida em relao as de Zi/Mn, estando na parte interna, j o

  • nodo est na parte externa da pilha. A mistura de dixido de mangans (ingrediente ativo), carbono preto (para conduo eltrica e absoro do eletrlito), cloreto de Zinco (ajuda na reao qumica) e gua. O nodo de zinco puro em forma de caneca, servindo como nodo e como um sustentador dos elementos internos. Um tubo de papel inserido entre o nodo e o ctodo evitando o contato eltrico. Na figura abaixo vemos uma bateria em corte com seus elementos principais.

    8.3 Caractersticas Tcnicas e Recomendaes de Uso

    Na tabela a seguir demonstramos as caractersticas e as aplicaes das pilhas.

    Zi/Mn Zi/Cl2 Zi/C

    Base qumica Mangans Cloro Carbono

    Aplicaes

    CD Players, Rdios, Calculadoras, Fita Cassete, Flash, Brinquedos, Cmeras de vdeo

    Detector de fumaa, Rdios, Relgios, Brinquedos, Flash

    Rdios, Brinquedos, Flash

    Tenso nominal 1,5 Volts 1,5 Volts 1,5 Volts

    Corrente contnua mxima

    Alta Mdia Baixa

    Mxima corrente pulsada

    Alta Mdia Baixa

    Capacidade de reter a energia

    > 97% aps 12 meses e > 85% aps 5 anos

    > 93% aps 12 meses e > 85% aps 5 anos

    > 90% aps 12 meses e > 85% aps 5 anos

    Armazenamento

  • A seguir apresentamos a curva de descarga destas baterias em termos de horas e a tenso, para uma descarga contnua de energia.

    Apresentamos as caratersticas tcnicas de duas baterias alcalinas, uma de 1,5 V e outra de 9 V, como exemplo de dados que devemos buscar conhecer.

    1,5 V - Alcalina - D Size Alkaline Battery

    Rayovac No.: 813 Nominal Voltage: 1.5 volts System: Primary Alkaline ANSI/NEDA No.: 13A (D) IEC No.: LR20 Approximate Volume: 3.4 cu. in. (55.7 cu. cm.) Approximate Weight: 5.0 oz. (144 gm.) Terminals: Flashlight Shell: Plastic Environmental: Meets Environmental Protection Agency (EPA) requirements for landfill disposal. No mercury added formulation.

  • Rayovac #813 Alkaline Battery

    Estimated Average Service at

    70 F (Hours) Cutoff Voltage

    Application & Duty Cycle

    Load

    (ohms)

    Current

    (mA at 1.2V)

    1.2V 1.1V 1.0V 0.9V

    Approx. mAh

    Capacity to 0.9V

    Radio (4 hrs/Day) 39 31 330 370 450 530 17,100

    Cassette (1 hr/Day) 3.9 308 18.8 30.3 35.8 39.4 12,000

    Flashlight (4 min / hr - 8 Hrs/Day)

    2.2 545 8.0 14.0 19.0 22.3 11,600

    Toy/Game (1 Hr/Day) 2.2 545 5.3 12.7 17.2 20.3 10,400

    Flashlight (Continuous) 2.2 545 3.8 10.1 15.6 19.3 9,700

    Por exemplo, se esta bateria for usada para acionar uma carga de 39 ohms (um rdio, 4 horas/dia), ento o tempo de vida estimado de 450 horas, o que equivalente a 112,5 dias ou 3,75 meses.

    9 Volt - Alcalina

    Rayovac No.: A1604 Nominal Voltage: 9 volts System: Primary Alkaline ANSI/NEDA No.: 1604A (9v) IEC No.: 6LR61 Approximate Volume: 1.2 cu. in. (19.7 cu. cm.) Approximate Weight: 1.6 oz. (45.4 gm.) Terminals: Snap Shell: Steel

  • Environmental: Meets Environmental Protection Agency (EPA) requirements for landfill disposal. No mercury added formulation.

    Rayovac #A1604 Alkaline Battery

    Estimated Average Service at 70 F (Hours)

    Cutoff Voltage Approx.

    mAh Application

    & Duty Cycle

    Load

    (ohms)

    Current (mA at 7.2V)

    7.8V 6.6V 6.0V 5.4V 4.8V 4.2V Capacity to 4.2V

    Low Rate (24 Hrs/Day)

    6000 1.2 210 380 420 510 540 550 650

    Radio (2 Hrs/Day)

    620 11.6 7.3 36.7 40.7 45.1 47.9 51 600

    Toy/Game (1 Hr/Day)

    270 26.7 1.7 14.5 16.8 18.8 20.6 21.6 560

    Cassette (1 Hr/Day)

    180 40 0.7 7.9 10.8 11.9 13.7 14.5 540

    8.3.1 Cuidado Ambiental

    Hoje em dia h uma preocupao ambiental muito grande a respeito do destino dado as baterias, e tem-se cobrado as empresas no sentido de no usar o mercrio ou o cdmio como elementos ativos porque eles causam danos ao ambiente. Por isso usa-se zinco e mangans, que so reconhecidos como elementos seguros. As empresas fabricantes de pilhas apresentam seus materiais a um comit que avalia se so ou no seguros para o meio ambiente. Dados tcnicos qumicos podem ser obtidos junto aos fabricantes.

  • 8.3.2 Manuseio e Transporte

    As baterias so vulnerveis ao transporte e manuseio, pois se houver um curto-circuito acidental, ela se descarregar muito rapidamente, podendo, em alguns casos, explodir. Baterias que possuem os terminais + e - muito prximos so mais susceptveis a estes problemas. Por isso algumas regras so sugeridas:

    1. Sempre armazene as baterias nos seus invlucros originais (geralmente em cartes de papelo, feitos de acordo com padres de segurana internacional)

    2. Depois do uso, se possvel, retorne as baterias aos seus invlucros originais.

    3. Deve se guardar cada bateria individualmente em sacos plsticos fechados.

    4. Nunca coloque vrias baterias sobre uma mesa ou tampa de metal.

    5. Nunca transporte baterias em sacos antiestticos ou papis com superfcies condutivas.

    6. Evite medir as extremidades da baterias com paqumetros ou outros artefatos metlicos.

    9 xido de Prata & Zinco-Ar Este tipo de pilha apresenta um formato conhecido como pilha tipo boto, por apresentarem um formato onde o dimetro maior que a altura. So em geral mais caras do que as alcalinas e possuem caractersticas tcnicas mais apuradas.

    Na figura abaixo, vemos a construo interna e uma curva tpica de descarga. Observe que ela mantm a tenso constante durante quase toda a vida til, perdendo a capacidade quase que instantaneamente. Se compararmos com as alcalinas, ela uma pilha bem melhor tecnicamente, justamente por isso.

  • 9.1 Principais caractersticas e dados tcnicos

    xido de Prata Zinco-Ar

    Base qumica Prata Zinco

    Aplicaes

    Relgios digitais,

    Calculadoras

    Eq. Mdicos portteis

    Telemetria remota

    Eq. de uso contnuo

    Computadores de mo

    Eq. Mdicos portteis

    Eq. para audio

    Eq. de uso contnuo

    Tenso nominal 1,5 Volts 1,4 Volts

    Corrente contnua mxima Alta Mdia

    Temperatura de operao -10oC at 60oC -18oC at 50oC

    Capacidade de reter a energia queda de 5% a cada ano queda de 5% a cada ano

    Densidade de energia baixa maior do que qualquer bateria

    A ttulo de exemplo, apresentamos uma tabela da Ray-O-Vac contendo as caractersiticas de diversas pilhas de xido de prata e Zinco-Ar, bem como um grfico logartmico do tempo estimado ( em horas) de uma bateria de xido de Prata.

  • Silver-Oxide Cell Service Life Estimate

  • Tabela de Especificaes Gerais

    Silver Oxide Cells

    Rayovac

    Model Number

    ANSI/

    NEDA

    IEC Drain Rated Load KW

    Nominal Capacity

    (mAh)

    App. Vol.

    (cm3)

    Maximum DimensionMillimeters dia. x ht.

    Maximum Dimension

    Inches

    dia. x ht.

    App. Weight (grams)

    361 1173SO SR58 high 30 22 .10 7.9x2.1 .311x.083 .44

    396 1163SO SR59 high 45 35 .13 7.9x2.7 .311x.106 .56

    392 1135SO SR41 high 15 35 .17 7.8x3.6 .307x.142 .61

    312G 1179SO SR41 ultra high

    1.5 38 .17 7.8x3.6 .307x.142 .61

    393 1137SO SR48 high 15 90 .26 7.8x5.4 .307x.212 1.04

    13G 1181SO SR48 ultra high

    1.5 85 .26 7.8x5.4 .307x.212 1.04

    370 1188SO SR69 high 45 35 .15 9.5x2.1 .374x.083 .60

    399 1165SO SR57 high 20 53 .19 9.5x2.7 .374x.106 .79

    391 1160SO SR55 high 15 43 .22 11.6x2.1 .457x.083 .83

    389 1138SO SR54 high 15 85 .32 11.6x3.0 .457x.118 1.21

    386 1133SO SR43 high 6.5 120 .44 11.6x4.2 .457x.165 1.56

    357 1131SO SR44 high 6.5 190 .57 11.6x5.35 .457x.211 2.22

    675G 1184SO SR44 ultra high

    .62 190 .57 11.6x5.35 .457x.211 2.22

    317 1185SO NA low 70 11 .04 5.8x1.65 .228x.065 .18

    379 1191SO NA low 70 14 .06 5.8x2.15 .228x.085 .23

    319 1186SO NA low 70 16 .07 5.8x2.7 .228x.106 .26

    321 1174SO SR65 low 70 14 .06 6.8x1.65 .268x.065 .24

    364 1175SO SR60 low 70 19 .08 6.8x2.15 .268x.085 .33

    377 1176SO SR66 low 45 26 .09 6.8x2.6 .268x.102 .40

    315 1187SO SR67 low 70 16 .08 7.9x1.65 .311x.065 .32

    362 1158SO SR68 low 70 22 .10 7.9x2.1 .311x.083 .44

    397 1164SO SR59 low 45 35 .13 7.9x2.7 .311x.106 .56

    329 NA NA low 20 36 .15 7.9x3.1 .311x.122 .60

    384 1134SO SR41 low 15 35 .17 7.8x3.6 .307x.142 .61

    373 1172SO SR68 low 45 24 .12 9.5x1.65 .374x.065 .44

    371 1171SO SR69 low 45 35 .15 9.5x2.1 .374x.083 .61

    395 1162SO SR57 low 20 53 .19 9.5x2.7 .374x.106 .81

    394 1161SO SR45 low 15 64 .26 9.5x3.6 .374x.142 .96

    381 1170SO SR55 low 20 43 .22 11.6x2.1 .457x.083 .80

    390 1159SO SR54 low 15 85 .32 11.6x3.0 .457x.118 1.21

  • 344 1139SO SR42 low 15 105 .38 11.6x3.6 .457x142 1.35

  • Zinc Air Cells

    Rayovac

    Model Number

    ANSI /

    NEDA

    IEC Drain Rated Load KW

    Nominal Capacity

    (mAh)

    App. Vol.

    (cm3)

    Maximum DimensionMillimeters dia. x ht.

    Maximum Dimension

    Inches

    dia. x ht.

    App. Weight (grams)

    10 7005ZD PR70 high 3 70 .08 5.8x3.6 .228x.142 .31

    312 7002ZD PR41 high 1.5 130 .17 7.8x3.6 .307x.142 .53

    113 7000ZD PR48 high 1.5 255 .26 7.8x5.35 .307x.211 .86

    675 7003ZD PR44 high .62 600 .57 11.6x5.35 .457x.211 1.77

    10 Baterias Recarregveis

    Este tipo de bateria tem se tornado comum, e sua aplicao em grande escala em equipamentos que usam bastante energia, como um telefone mvel (celular), filmadoras, telefone sem fio, palmtops, etc... e apresentam benefcios tais como: longa vida, reusveis, mantm a carga at 5 anos sem uso, no tem problemas de efeito memria, e fcil de detectar quando a bateria est descarregada. As baterias recarregveis so as Alcalinas Recarregveis, as de Nquel-Cdmio ou Ni/MH e tambm as de on de Ltio. Neste tem vamos abordar as alcalinas recarregveis, procurando comparar com as de Nquel.

    importante ainda considerar que as baterias tm um ciclo de vida, isto , no podem ser carregadas e descarregadas infinitas vezes. Chega um momento que a bateria no mais alcana um nvel de carga satisfatrio e se torna invivel a sua utilizao.

    10.1 Nquel-Cdmio (NiCd) e Hidreto de Nquel (NiMH)

    So baterias de longos ciclos de vida, tipicamente de 1500 vezes, de baixa resistncia interna, e, portanto, adequadas para cargas que exigem correntes altas ( 2 a 5 ampres), tais como: laptops e notebook, cargas que exigem de freqentemente serem descarregas/carregadas. Entretanto, em cargas que no exigem uma descarga acentuada, tais como: palmotps, equipamentos de adio portteis, games e brinquedos, ocorrem um efeito chamado efeito memria, que impede que a bateria seja recarregada completamente, e portanto, vai diminuindo o tempo de uso a cada recarga. No recomendado este tipo de bateria para cargas leves. Ainda, exige-se dessa bateria uma manuteno adequada. Quando se compra um equipamento com este tipo de bateria, deve-se carregar a bateria completamente por um perodo de 24 horas antes de usar, uma vez que este tipo de bateria no permanece carregada muito tempo sem uso (em prateleiras).Este procedimento chamado de priming ou primeira carga e extremamente importante para extender a vida til da bateria. Faa este procedimento 4 a 5 vezes, evitando descarregar completamente a bateria.

    As baterias de NiMH tem menor ciclo de vida, porm em maior capacidade (mA-h) em torno de 30%, e se comporta melhor para baixas taxas de descarga, como em equipamentos de rdio, brinquedos, calculadoras, celulares, onde as de NiCd no so boas. Alm do mais, o Cdmio um

  • metal no recomendado para o meio-ambiente, enquanto que o Hidreto de Nquel no afeta o meio-ambiente, levam menos tempo para recarregar e tem menos freqentemente o efeito memria.

    Na figura baixo, apresentamos uma comparao entre as baterias primrias alcalinas, uma bateriad e NiCad recarregvel e uma bateria alcalina recarregvel. Observe que a bateria alcalina primria leva mais tempo para se descarregar do que a de NiCad, porm a de NiCad descarrega com tenso contanste. Observe tambm que, a medida que o nmero de ciclos aumenta, a bateria alcalina recarregvel vai se descarregando cada vez mais rpido entre uma carga e outra.

    Perfil de descarga comparando baterias Alcalinas Primrias, NiCd e Alcalinas Recarregveis--100mA Descargarga at 1.0V

    10.2 Alcalinas Recarregveis

    So usadas em cargas de baixa solicitao de corrente, ou para cargas intermitentes, tais como: rdios, brinquedos, telefonia mvel, telefones sem fio, que so cargas que no descarregam completamente a bateria a cada uso. No possuem o efeito memria, e a bateria permanece carregada quando no est em uso, so de baixo custo se comparadas com as de NiCd e NiMH, no produzem problemas para o meio-ambiente,e tem tamanhos padres ( AA, AAA, C e D). Apresentamos a seguir uma tabela comparativa entre as baterias recarregveis.

    Alcalinas NiCd NiMH

    Base qumica Zinco, Mangans,Cloro Nquel-Cdmio Hidreto de Nquel Cap. nominal mA-h 1400 750 1100 Variao da Tenso nominal em carga

    0,9 a 1,4 Volts 1,0 a 1,3 Volts 1,0 a 1,3 Volts

    Ciclo de vida 25 200 300 Mxima corrente contnua de sada

    500mA > 5A > 2A

    Pico de corrente de sada 1A > 10A >10A Tempo de carga rpida 2-4 horas 1 Hora 1 Hora

  • Alcalinas NiCd NiMH Taxa de auto-descarga a temp. ambiente

    0,01 % por dia 1% por dia 1% por dia

    Valor Tpico de custo $ 5,00 $ 10,00 - $30,00 $60,00 Dispositivo de Segurana Sim No Desconhecido

    Apresentamos algumas curvas que nos do a idia clara de que o tempo de utilizao de pilhas depende diretamente da corrente de descarga e que a capacidade de recarga das pilhas diminui cada vez que ela recarregada.

    Capacidade Inicial de uma bateria AA Baixa corrente de descarga

    Capacidade Inical de uma bateria AA alta corrente de descarga

  • Capacidade x ciclos de uma bateria AA 100 mA de descarga

    10.3 Queda da Capacidade

    Como j salientamos, a cada sucessiva descarga, a capacidade da bateria se torna menor em relao capacidade do ciclo anterior. A figura seguinte mostra a perda da capacidade como uma funo do nmero de ciclos de descarga-recarga, quando a bateria completamente descarregada antes de sofrer uma nova carga.

    Queda de Capacidade para uma bateria AA Tpica

    10.4 Profundidade de descarga

    Refere-se a quantidade de A-h descarregados por uma determinada carga, para ento a bateria entrar em processo de recarga. Evidentemente, quanto maior a profundidade de descarga, mais rapidamente a bateria chega a condio de cut-off, quando ento ela deve ser retirada do circuito

  • para a recarga. As baterias alcalinas completam praticamente 100% de sua carga quando recarregadas aps uma descarga rpida (100mA - 10 min), provando que nelas no existe o efeito memria.

    10.5 Mtodo de Recarga

    Diferentes baterias requerem diferentes mtodos de recarga para otimizar o nvel de recarga, maximizar o tempo de vida e evitar riscos de exploso. Os mtodos de carga para alcalinas so diferentes das de NiCd. Carregadores com corrente constante no devem ser usados para baterias alcalinas, e o mtodo recomendado o de corrente pulsante, como mostra a figura abaixo. Quando a corrente vai a zero, a tenso da bateria medido, para evitar medir a resistncia interna da bateria. Quando a tenso alcana 1,65 V os pulsos de corrente so inibidos e a bateria est pronta para o uso.

    Carga por Pulsos de corrente / OCV-Sensing

    11 Concluso

    Vimos que necessrio conhecer os diversos tipos de baterias utilizadas, pensando na aplicao a que se destina, tempo de recarga, tempo mdio entre recargas, caractersticas ambientais, etc... com o objetivo de dimensionar otimamente a bateria para uma determinada aplicao. necessrio tambm estar atento aos diversos mtodos de recarga e providenciar um carregador de bateria adequado ao tipo de bateria utilizado. Ao mesmo tempo, percebe-se que no uma tarefa trivial encontrar o ponto timo entre performance, custo e cuidados ambientais, mas necessrio que o tcnico em eletrnica desenvolva esta habilidade ao longo do tempo.

    Creio que este material serve como um ponto de partida para um aprofundamento maior a respeito de acumuladores de energia eltrica. Qualquer contribuio vlida neste sentido.

    12 Bibliografia

  • [1] - Manual Tcnico da Ray-O-Vac

    [2] - Manual Tcnico Saturnia - Exide

    [3] - Manual Tcnico SAB-Nife

    [4] - Smith, G. - Storage Batteries- Pitman Publishing Limited - 3a. Edio. 1980

    [5] - Manual Unitrode - Aplications Note - pg 261

    [6] - Dissertao de mestrado: Sistema de Controle e monitorao de um Banco de Baterias por meio de Microcontrolador - UFSC - Noll, V. - 1993.

    [7] - Gray, A. Eletrotcnica, Princpios e Aplicaes. Ed. LTC , 1978.

  • CAPTULO II A REDE

    1. Introduo

    No passado, a energia recebida da rede eltrica e que consequentemente circulava em uma planta industrial era, geralmente, uma onda senoidal pura, isto energia limpa. Hoje, entretanto, as plantas industriais esto convivendo com o problema da energia suja. O termo energia suja abrange uma variedade de contaminaes das tenses e correntes senoidais como transientes de curto-circuito e distoro harmnica.

    A distoro harmnica est associada com o uso de fontes de alimentao, conversores para controle de velocidade de motores e outros conversores estticos. Entretanto, a distoro harmnica pode ser gerada por qualquer de uma das variedades de dispositivos no-lineares existentes dentro de uma planta ou na sua vizinhana. Como a distoro harmnica causa srios problemas de operao em certas plantas, importante que um tcnico compreenda os fundamentos da distoro harmnica.

    Uma harmnica uma componente de uma onda peridica que tem uma freqncia mltipla da fundamental. A figura a seguir mostra o resultado da combinao da fundamental e da terceira harmnica. O resultado uma distoro harmnica da onda de energia.

  • 0Onda distorcida

    Fundamental

    Terceira harmnica

    t

    2. Definio de Taxa de Distoro Harmnica O nvel de distoro harmnica presente em uma forma de onda chamado taxa de distoro harmnica (THD) e pode ser calculada pela seguinte expresso:

    .V

    V

    TDH2

    1

    2n

    2n

    ==

    onde V1 = componente fundamental

    Vn = componentes harmnicas, n = 2,3,4,...

    Se a THD maior que 5%, deve-se considerar seriamente a reduo do nvel de distoro harmnica.

    A tabela abaixo apresenta as conseqncias negativas das harmnicas em equipamentos.

    TABELA I

    Equipamento Conseqncia

    Capacitores Incrementa perdas e reduz a vida do capacitor

    Motores Reduz a vida til do motor e seu rendimento

    Fusveis Operao indevida

    Transformadores Incrementa as perdas no cobre e no ferro

    Medidores Erro na medida

    Drivers/fontes Perda de operao devido a mltiplas passagens por zero e falha nos circuitos de comutao

  • As harmnicas so geradas por cargas no-lineares. Uma carga no-linear um elemento de um circuito no qual a tenso no proporcional a sua corrente. Atualmente o uso de cargas no-lineares tem incrementado dramaticamente.

    A tabela II apresenta exemplos de cargas lineares e no lineares.

    TABELA II

    Cargas lineares Cargas no lineares

    Alguns motores Acionamentos de motores

    Iluminao incandescente No-breaks

    Aquecimento resistivo Retificadores

    3. Definio de fator de potncia: O fator de potncia de um sistema o quociente entre a potncia ativa P e a potncia aparente S solicitadas pelo sistema.

    FPPS

    =

    Agora, suponha um sistema que solicite da rede uma corrente no senoidal i , dada por:

    i I t I t= + + +1 1 3 33sen( ) sen( )w j w j

    onde:

    jk o ngulo de defasagem (deslocamento) entre a tenso e a componente harmnica k da corrente i; k = 1,3.

    w a freqncia da fundamental.

    A potncia instantnea entregue ao sistema ser:

    ( ) ( ) )t3sen(ItsenV)tsen(ItsenVppp 33m1m31 jwwjww +++=+=

    Como sen sen [cos( ) cos( )]a b a b a b = - - +12

    , resulta

    pV I

    tV I

    t tm m=

    - - + +

    - - +1 13

    3 322

    22 4[cos( ) cos( ) {cos[( ] cos[( ]}j w j w j w j

    Assim, a potncia consumida pelo sistema (potncia mdia) ser:

    PV I

    V Im ef=

    = 1ef 1 1ef 12cos cosj j

    Uma concluso importante da expresso acima : componentes harmnicas no consomem potncia ativa.

  • Substituindo a expresso acima na definio de FP e lembrando que efef IVS = , resulta:

    FPV I

    V II

    I I I

    I

    ef

    ef efnef nef

    =

    =

    +

    =

    +

    1ef 1 1ef 1

    1ef2 2

    2

    1

    2

    2

    1ef21

    cos cos cosj j j

    Assim:

    ( )FP

    THD=

    +

    cosj121

    Observe que se THD = 0, FP = cosjj 1, expresso que define o fator de potncia para cargas puramente senoidais.

    Assim:

    Fator de Potncia unitrio significa:

    Deslocamento entre a tenso senoidal de entrada e a componente fundamental da corrente de entrada igual a zero;

    Ausncia de harmnicas de corrente na entrada.

    Exemplo:

    Calcule o fator de potncia do sistema que apresenta como tenso e corrente na entrada as seguintes formas de onda:

    Vi

    Ii

    Soluo:

    A corrente de entrada pode ser representada pela expresso que segue:

    ( ) ( ) ( ) ( )

    w++

    w+

    w+

    w+w

    p

    =n

    )tnsen(

    7

    )t7sen(

    5

    )t5sen(

    3

    )t3sen()tsen(

    I4)t(Ii K

    e,

  • ( ) ( ) ( ) ( )

    w++w+w+w

    p= n

    )tnsen(

    7

    )t7sen(

    5

    )t5sen(

    3

    )t3sen(I4)n(Ii K

    ++++

    p

    = 22

    ef2

    in

    1

    49

    1

    25

    1

    9

    1

    2

    I4)n(I K

    A Taxa de Distoro Harmnica da corrente de entrada ,

    2

    2

    2

    2

    2

    I4

    n

    1

    49

    1

    25

    1

    9

    1

    2

    I4

    TDH

    p

    ++++

    p

    =K

    Calculando at a nona harmnica:

    1839,081

    1

    49

    1

    25

    1

    9

    1TDH

    22 +++=

    Assim:

    92,01839,01

    1FP

    +=

  • SUMRIO

    CAPTULO I - BATERIAS...........................................................................................................................................................................3

    1.1 INTRODUO...............................................................................................................................................................................3

    1.1.1 BATERIAS PRIMRIAS....................................................................................................................................................................4 1.1.2 BATERIAS SECUNDRIAS..............................................................................................................................................................4

    2 ACUMULADORES DE CHUMBO-CIDO....................................................................................................................................4

    2.1 INTRODUO ..................................................................................................................................................................................4 2.2 ESTUDO DA CLULA ELETROQUMICA DE PB/PBO2 ................................................................................................................5 2.3 DEFINIO DE ACUMULADOR.....................................................................................................................................................5 2.4 REAES QUMICAS ENVOLVIDAS...............................................................................................................................................5 2.5 SULFATAO ..................................................................................................................................................................................7 2.6 RESISTNCIA INTERNA..................................................................................................................................................................7 2.7 MODELO MATEMTICO ...............................................................................................................................................................7 2.8 TENSO DE UM ACUMULADOR ...................................................................................................................................................8 2.9 CORRENTE NO ACUMULADOR.....................................................................................................................................................9 2.10 DENSIDADE....................................................................................................................................................................................10 2.11 TEMPERATURA.............................................................................................................................................................................10 2.12 CAPACIDADE DE UMA BATERIA ...............................................................................................................................................11 2.13 CARACTERSTICA DE CARGA E DESCARGA..............................................................................................................................11 2.14 GASEIFICAO ..............................................................................................................................................................................12 2.15 VIDA TIL DA BATERIA .............................................................................................................................................................13 2.16 PROTEO .....................................................................................................................................................................................13 2.17 RENDIMENTO DA BATERIA........................................................................................................................................................13 2.18 CONCLUSO...................................................................................................................................................................................14

    3 MTODOS DE CARGA DE ACUMULADORES ....................................................................................................................... 14

    3.1 INTRODUO ................................................................................................................................................................................15 3.2 MTODO DE CARGA COM DUPLO NVEL DE TENSO...........................................................................................................15 3.3 MTODO A DOIS NVEIS DE CORRENTE E UM NVEL DE TENSO ......................................................................................16 3.4 MTODO A DOIS NVEIS DE CORRENTE...................................................................................................................................17 3.5 MTODO DE CARGA A UM NVEL DE CORRENTE ..................................................................................................................17 3.6 MTODO A UM NVEL DE CORRENTE E UM NVEL DE TENSO .........................................................................................18 3.7 MTODO COM TENSO CONSTANTE .......................................................................................................................................18 3.8 MTODO DE EQUALIZAO COM CORRENTE PULSANTE....................................................................................................19

    4 TESTES EM BATERIAS DE CHUMBO-CIDAS...................................................................................................................... 20

    4.1 INTRODUO ................................................................................................................................................................................20 4.2 PROCEDIMENTO DE TESTE.........................................................................................................................................................20 4.3 RECARGA........................................................................................................................................................................................20 4.4 ELETRLITO .................................................................................................................................................................................21

    5 PILHAS OU BATERIAS PRIMRIAS ........................................................................................................................................ 22

    6 TIPOS DE PILHAS.......................................................................................................................................................................... 22

    7 BATERIAS DE LTIO ..................................................................................................................................................................... 23

    7.1 SELEO ........................................................................................................................................................................................23

  • 7.2 CAPACIDADE (MA-H) ..................................................................................................................................................................24 7.3 VIDA ESTIMADA ...........................................................................................................................................................................24 7.4 AUTODESCARGA...........................................................................................................................................................................25 7.5 RESISTNCIA INTERNA................................................................................................................................................................25 7.6 CARACTERSTICAS DE CARGA ....................................................................................................................................................26 7.7 ELETRLITO .................................................................................................................................................................................26

    8 ALCALINAS..................................................................................................................................................................................... 27

    8.1 ALCALINAS DE ZI/MN.................................................................................................................................................................27 8.2 AS BATERIAS DE CLORETO DE ZINCO (ZI/CL2 ) .....................................................................................................................27 8.3 CARACTERSTICAS TCNICAS E RECOMENDAES DE USO.................................................................................................28

    8.3.1 Cuidado Ambiental ............................................................................................................................................................... 31 8.3.2 Manuseio e Transporte......................................................................................................................................................... 32

    9 XIDO DE PRATA & ZINCO-AR............................................................................................................................................... 32

    9.1 PRINCIPAIS CARACTERSTICAS E DADOS TCNICOS...............................................................................................................33

    10 BATERIAS RECARREGVEIS .................................................................................................................................................... 37

    10.1 NQUEL-CDMIO (NICD) E HIDRETO DE NQUEL (NIMH)..................................................................................................37 10.2 ALCALINAS RECARREGVEIS.....................................................................................................................................................38 10.3 QUEDA DA CAPACIDADE ............................................................................................................................................................40 10.4 PROFUNDIDADE DE DESCARGA ..................................................................................................................................................40 10.5 MTODO DE RECARGA................................................................................................................................................................41

    11 CONCLUSO................................................................................................................................................................................... 41

    12 BIBLIOGRAFIA............................................................................................................................................................................... 41

    CAPTULO II -A REDE.............................................................................................................................................................................. 43

    1. INTRODUO................................................................................................................................................................................. 43

    2. DEFINIO DE TAXA DE DISTORO HARMNICA........................................................................................................ 44

    3. DEFINIO DE FATOR DE POTNCIA: .................................................................................................................................. 45