Download - Aps bomba d'água

UNIVERSIDADE PAULISTA

LUCIANO CAIRES - RA: B84EIC3 - TURMA: EM6Q17NICOLAS HONÓRIO C. DE OLIVEIRA - RA: B726II2 - TURMA: EM6Q17

RAFAEL LOPES - RA: B80IEG0 - TURMA: EM6Q17RAFAEL R. DE MOURA - RA: B6673H8 - TURMA: EM6Q17

WAGNER FRANÇA RIBAS - RA: B7872J2 - TURMA: EM6Q17

REDUÇÃO DE TENSÃOBomba d’água

SOROCABA2015





Trabalho de Atividades Práticas

Supervisionadas em Engenharia

Mecânica apresentado à Universidade

Paulista – UNIP.

Orientador: Prof. Matheus

SOROCABA2015





Trabalho de Atividades Práticas

Supervisionadas em Engenharia

Mecânica apresentado à Universidade

Paulista – UNIP.

BANCA EXAMINADORA

Prof. Tamera

Universidade Paulista – UNIP

RESUMO

Um circuito elétrico consiste num conjunto de componentes elétricos ou

eletrônicos através dos quais pode circular corrente elétrica. Em todos os circuitos

elétricos têm de existir: um gerador que funcione como fonte de energia; um ou mais

receptores que transferem e transformam a energia elétrica que chega até eles; fios

condutores de ligação que são o elo entre os vários constituintes do circuito e um ou

mais interruptores. De modo geral existem basicamente três tipos de circuitos

elétricos, são eles: em série, paralelo e misto. Circuito em série, em que a corrente

percorre os diferentes componentes de forma sequencial. Circuito em paralelo, em

que a corrente se subdivide em dois ou mais ramos. E o circuito misto, que contém

uma combinação arbitrária de vários destes blocos básicos (em série e paralelo)

onde com a combinação de ambos é possível obter a redução de circuito. O método

mais comum para a redução da tensão elétrica (U) é a aplicação de resistores num

circuito em série. No caso do protótipo, o circuito utilizado foi seriado, onde reduziu-

se a tensão de 12V para 9V, conforme especificação do motor da bomba d'água,

com o objetivo de demonstrar a eficiência do motor em função da tensão aplicada e

da necessidade de seguir as especificações de voltagem deste. Montou-se também

outro circuito reduzindo a tensão de 12V para 6V, onde foi notória a vazão inferior e

aquecimento do motor com a tensão inadequada.

Palavras-chave: circuito; tensão; bomba d’água.

ABSTRACT

An electrical circuit is a set of electrical or electronic components through

which electrical current can flow. In all electrical circuits must exist: a generator that

functions as an energy source; one or more receptors that transfer and transform the

electrical energy that reaches them; bonding wires that are the link between the

various circuit components and one or more switches. Generally there are basically

three types of electrical circuits, they are: in series, parallel and mixed. Circuit in

series, wherein the current flows through the various components sequentially.

Circuit in parallel, in which the current is divided into two or more branches. And the

mixed circuit, which contains an arbitrary combination of several of these basic

blocks (serial and parallel) which with the combination of both is possible to obtain

the circuit reduction. The most common method for reducing the electric voltage (U)

is the application of resistors in series circuit. In the case of the prototype, the series

circuit was used, which reduced the voltage of 12V to 9V, according to the motor

specification of the water pump, with the aim of demonstrating the motor efficiency

according to the applied voltage and the need to follow the voltage specification. It

also set up another circuit reducing the 12V voltage to 6V, which was notorious for

lower flow and engine heating with improper tension.

Keywords: circuit; voltage; water pump.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 - Gráfico CC e CA.............................................................................12

Figura 2 - Representação de resistores em um circuito..................................14

Figura 3 - Um resistor, submetido a uma D.D.P. (U).......................................15

Figura 4 - Associação em série de resistores, com terminais abertos............17

Figura 5 - Associação em série de resistores.................................................18

Figura 6 - Associação em paralelo de resistores, com terminais abertos.......18

Figura 7 - Associação em paralelo de resistores............................................19

Figura 8 - Associação mista de resistores ligados a uma fonte de tensão... . .19

Figura 9 - Destaque de associação em paralelo num circuito misto...............21

Figura 10 - Método utilizado para redução do circuito....................................22

Figura 11 - Componentes do capacitor...........................................................23

Figura 12 - Simbologia capacitor.....................................................................24

Figura 13 - Capacitores eletrolíticos................................................................25

Figura 14 - Valores e cores de capacitores padrões.......................................26

Figura 15 - Simbologia indutor........................................................................28

Figura 16 – Transformadores..........................................................................29

Figura 17 - Material germânico.......................................................................30

Figura 18 - Material silício...............................................................................30

Figura 19 - Ligação covalente.........................................................................31

Figura 20 - Junção material PN – Diodo.........................................................33

Figura 21 - Barreira de potencial (W)..............................................................34

Figura 22 - Simbologia barreira de potencial..................................................34

Figura 23 - Polarização Direta na Junção PN.................................................34

Figura 24 - Polarização inversa na Junção PN...............................................35

Figura 25 - Ponte retificadora de onda completa............................................36

Figura 26 - Tensões na saída do transformador CA.......................................36

Figura 27 - Forma de onda da tensão na carga..............................................38

Figura 28 - Ondulação ou ripple......................................................................38

Figura 29 – Photoboard convencional.............................................................41

Figura 30 - Parte interna da photoboard.........................................................42

Figura 31 - Circuito de redução 12V para 9V..................................................45

Figura 32 – Circuito de redução 12V para 6V.................................................45

Figura 33 - Adaptação de um rotor a partir de uma bomba............................47

Figura 34 - Adaptação de tampa com furo de centro para o rotor..................47

Figura 35 - Fechamento do rotor com tampa..................................................48

Figura 36 - Fixação bucha de união no eixo do motor....................................48

Figura 37 - União do rotor ao motor................................................................48

Figura 38 – Bomba de água completa............................................................49

Figura 39 - Montagem da redução de circuito na photoboard.........................49

Figura 40 – Montagem da fonte de tensão.....................................................49

Figura 41 – Protótipo em funcionamento........................................................50

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO....................................................................................................102 TENSÃO ELÉTRICA..........................................................................................113 CORRENTE ELÉTRICA.....................................................................................12

3.1 Corrente continua (CC).................................................................................12

3.2 Corrente alternada (CA)................................................................................13

4 CIRCUITO ELETRICO........................................................................................144.1 Resistores.....................................................................................................14

4.2 Primeira Lei de Ohm.....................................................................................15

5 ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES......................................................................175.1 Associação em série.....................................................................................17

5.2 Associação em paralelo................................................................................18

5.3 Associação mista..........................................................................................19

6 RESITÊNCIA EQUIVALENTE............................................................................206.1 Resistência equivalente em associação em série.........................................20

6.2 Resistência equivalente em associação em paralelo....................................20

6.3 Resistência equivalente em associação mista..............................................21

7 CAPACITORES..................................................................................................237.1 Capacitância.................................................................................................23

7.2 Capacitores eletrolíticos................................................................................24

7.3 Código de cores para capacitores................................................................25

8 ASSOCIAÇÃO DE CAPACITORES...................................................................278.1 Associação série...........................................................................................27

8.2 Associação paralelo......................................................................................27

9 INDUTORES.......................................................................................................2810 TRANSFORMADORES......................................................................................29

10.1 Transformadores de forca.............................................................................29

11 SEMICONDUTORES..........................................................................................30

11.1 Estrutura química dos semicondutores.........................................................30

11.2 Dopagem.......................................................................................................31

11.3 Cristal “N”......................................................................................................31

11.4 Cristal “P”......................................................................................................32

12 DIODO SEMICONDUTOR..................................................................................3312.1 Estrutura básica............................................................................................33

12.2 Comportamento dos cristais após a junção..................................................33

12.3 Aplicação de tensão sobre o diodo...............................................................34

12.3.1 Polarização direta...................................................................................34

12.3.2 Polarização inversa................................................................................35

13 RETIFICAÇÃO DE ONDA COMPLETA EM PONTE.........................................3613.1 Tensão de saída...........................................................................................37

13.2 Filtros nas fontes de alimentação.................................................................37

13.2.1 O capacitor como elemento de filtro.......................................................37

13.2.2 Tensão de ondulação.............................................................................38

13.2.3 Determinação do capacitor de filtro........................................................39

14 PHOTOBOARD..................................................................................................4115 FUNCIONAMENTO PROTÓTIPO......................................................................43

15.1 Funcionamento da fonte caseira 12VC.........................................................43

15.1.1 Funcionamento a passo.........................................................................44

15.2 Funcionamento do circuito (redução de tensão)...........................................44

16 INTERFERÊNCIA DA TENSÃO NA VAZÃO.....................................................4617 CONSTRUÇÃO PROTÓTIPO............................................................................47

17.1 Materiais........................................................................................................50

18 IMPACTO AMBIENTAL......................................................................................5119 CONSIDERAÇÕES FINAIS................................................................................53REFERÊNCIAS.........................................................................................................54APÊNDICE A.............................................................................................................55APÊNDICE B.............................................................................................................57

APÊNDICE C.............................................................................................................58

11

1 INTRODUÇÃO

Atualmente a busca por eficiência energética aliada ao menor consumo de

energia, tem aumentado gradativamente, devido à necessidade da redução de

custos e impactos ambientais. Com isso envolve-se nesse trabalho o conceito de

redução de tensão e eficiência, através de uma fonte caseira que transforma a

tensão de 220V (CA) da rede elétrica em 12V (CC), uma bomba d’água construída a

partir de um motor de vídeo cassete, e a redução de tensão através de resistores em

série em um circuito simples, onde a eficiência da bomba d’água em função da

tensão aplicada será de forma positiva ou negativa.

Portanto, será exposta a vazão da bomba, o seu funcionamento,

apresentando o princípio teórico baseado na redução de tensão com a associação

de resistores em série, e o efeito Joule.

12

2 TENSÃO ELÉTRICA

É a força que impulsiona os elétrons num circuito fechado, também é

chamada de ddp (diferença de potencial).

A unidade é o Volt, com o símbolo V, podendo ainda ser representada por “E”

ou “U”.

Múltiplos: KV (10-3), MV (10-6)

Submúltiplos: μV (10-6), mV (10-3)

Diz-se que a tensão é CC quando permanece constante no tempo, não

mudando de valor com o decorrer do tempo.

13

3 CORRENTE ELÉTRICA

É o movimento dos elétrons num circuito fechado. A unidade é o Ampère (A),

com o símbolo I.

Múltiplos: KA (103)

Submúltiplos: μA (10-6), mA (10-3)

A corrente elétrica depende da tensão elétrica, isto é, para termos uma

corrente elétrica é necessário existir primeiro uma tensão elétrica.

Existem basicamente dois tipos de corrente elétrica:

Corrente continua;

Corrente alternada.

Figura 1 - Gráfico CC e CA.

Fonte: Google imagens, 2015.

3.1 Corrente continua (CC)

A corrente será denominada CC, quando circular em um único sentido.

Antes de ter uma comprovação técnica do verdadeiro sentido da corrente

elétrica, foi decidido que a corrente elétrica sairia do polo positivo em direção ao polo

negativo. Anos mais tarde com o avanço nas pesquisas foi descoberto que a

corrente elétrica sairia do polo negativo em direção ao polo positivo. O problema é

que os equipamentos eletrônicos já tinham adotado aquela metodologia de analise,

então se decidiu que existiria o sentido convencional e o sentido real de circulação

da corrente elétrica.

Convencional: Vai do polo positivo (+) da fonte, para o polo negativo (-)

da fonte (também chamado sentido eletrônico);

14

Real: Vai do polo negativo (-) da fonte, para o polo positivo (+) da fonte.

3.2 Corrente alternada (CA)

Uma das principais características da corrente alternada é que ela tem seu

sentido de circulação variando constantemente.

Dependendo da forma como é gerada a corrente, esta é invertida

periodicamente, ou seja, ora é positiva e ora é negativa, fazendo com que os

elétrons executem um movimento de vai-e-vem.

Este tipo de corrente é o que encontramos quando medimos a corrente

encontrada na rede elétrica residencial, ou seja, a corrente medida nas tomadas de

nossa casa.

15

4 CIRCUITO ELETRICO

A palavra circuito nos remete a um caminho fechado onde o fim é também o

começo. O termo circuito elétrico é explicado como sendo um ou mais caminhos

fechados em que se percorre a corrente elétrica, simples assim como parece. Mas é

necessário entender outros elementos presentes em um circuito elétrico.

Todo circuito elétrico funcional é composto por uma fonte de tensão, podendo

ser uma tomada, uma bateria, uma pilha, uma associação de várias pilhas ou

qualquer outra fonte onde haja uma diferença de potencial elétrico. O segundo

elemento de um circuito é uma carga que irá consumir energia elétrica e transforma-

la em energia utilizável para o ser humano, podendo ser uma lâmpada, um resistor,

um motor etc. Por último, condutores elétricos (cabos elétricos) que conduzam esta

corrente elétrica entre a fonte que a produz e a carga que a consome.

Para complementar o circuito, podem ser colocados adicionalmente

componentes de controle e comando das cargas, como por exemplo um interruptor

para ligar e desligar.

4.1 Resistores

Num circuito elétrico, os condutores atravessados por uma corrente elétrica

transformam a energia elétrica em energia térmica (calor) são chamados de

resistores.

Esse fenômeno de transformação é conhecido como Efeito Joule e é

resultado de choques entre os elétrons que constituem a corrente elétrica e os

átomos, o que ocasiona um aquecimento do condutor. Existem alguns

eletrodomésticos que possuem como função básica a transformação de energia

elétrica em energia térmica, tais como: ferro elétrico, chuveiro elétrico, aquecedores,

etc.

Os resistores podem ser representados das seguintes maneiras:

16

Figura 2 - Representação de resistores em um circuito.


O resistor possui uma característica de dificultar a passagem de corrente

elétrica através do condutor. Essa característica é chamada de resistência elétrica.

4.2 Primeira Lei de Ohm

O físico George S. Ohm verificou, experimentalmente, no século XIX, que

alguns condutores possuíam um comportamento similar. Simon realizou inúmeras

experiências com diversos tipos de condutores, aplicando sobre eles várias

intensidades de voltagens, contudo, percebeu que nos metais, principalmente, a

relação entre a corrente elétrica e a diferença de potencial se mantinha sempre

constante. Dessa forma, elaborou uma relação matemática que diz que a voltagem

aplicada nos terminais de um condutor é proporcional à corrente elétrica que o

percorre.

Ao alterar a tensão (Fig. 3) para valores U1, U2, U3, ...,Un, a intensidade de

corrente no condutor também se altera, mas de uma maneira sempre igual.

De tal forma que ao dividirmos as tensões pelas respectivas intensidades de

corrente elétrica, para um mesmo condutor, a divisão será uma constante, esta

constante é a resistência elétrica.

U 1

i1=U2

i2=U3

i3=U n

in=R (1)

17

Figura 3 - Um resistor, submetido a uma D.D.P. (U) e atravessado por uma

corrente elétrica (i).


Os condutores que possuem este comportamento são chamados de

condutores ôhmicos e para eles vale a seguinte relação:

U=R .i (2)

Onde:

U - D.D.P entre os pontos A e B ou tensão elétrica = Volt (V);

i - Intensidade de corrente elétrica = Ampere (A);

R - Resistência elétrica = Ohm (Ω).

É importante destacar que essa lei nem sempre é válida, ou seja, ela não se

aplica a todos os resistores, pois depende do material que constitui o resistor. A

expressão matemática descrita por Simon vale para todos os tipos de condutores,

tanto para aqueles que obedecem quanto para os que não obedecem a lei de Ohm.

Fica claro que o condutor que se submete a esta lei terá sempre o mesmo valor de

resistência, não importando o valor da voltagem. E o condutor que não obedece,

terá valores de resistência diferentes para cada valor de voltagem aplicada sobre

ele.

18

5 ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES

Em face dos resistores serem normalmente os componentes mais

encontrados na maioria dos circuitos eletrônicos, as associações de resistores são

também muito comuns.

A associação de resistores é uma reunião de dois ou mais resistores em um

circuito elétrico e são utilizadas na maioria dos circuitos eletrônicos.

Apesar do ilimitado número de associações diferentes que se pode obter

interligando resistores em um circuito elétrico, todas estas associações podem ser

classificadas segundo três designações básicas:

Associação série;

Associação paralela;

Associação mista.

5.1 Associação em série

Uma associação de resistores é denominada de série quando os resistores

que a compõem estão interligados de forma que exista apenas um caminho para a

circulação da corrente elétrica entre os seus terminais.

Figura 4 - Associação em série de resistores, com terminais abertos.


Conectando-se uma fonte geradora aos terminais da associação em série

apresentada verifica-se que realmente existe apenas um caminho para a circulação


19

Figura 5 - Associação em série de resistores ligados a uma fonte de tensão.


A grande característica desse tipo de associação é o valor constante da

corrente (i) em cada resistor, ou seja, a corrente em R1 é a mesma em R2.

5.2 Associação em paralelo

Uma associação de resistores é denominada de paralela quando os resistores

que a compõem estão interligados de forma que exista mais de um caminho para a

circulação da corrente elétrica entre seus terminais.

Figura 6 - Associação em paralelo de resistores, com terminais abertos.


Conectando-se uma fonte geradora aos terminais das associações paralelas

apresentadas verifica-se que existe sempre mais de um caminho para a circulação


20

Figura 7 - Associação em paralelo de resistores ligados a uma fonte de

tensão.


Diferente da anterior, a principal característica da associação em paralelo é a

constância a tensão (D.D.P.) entre os resistores, ou seja, a tensão em R1 é mesma

em R2 e R3.

5.3 Associação mista

Uma associação de resistores é denominada de mista quando for composta

por grupos de resistores em série e em paralelo.

Figura 8 - Associação mista de resistores ligados a uma fonte de tensão.


21

6 RESITÊNCIA EQUIVALENTE

Quando se associam resistores a resistência elétrica entre os terminais é

diferente das resistências individuais. Por esta razão a resistência de uma

associação de resistores recebe uma denominação específica: Resistência total ou

resistência equivalente.

A resistência equivalente de uma associação depende dos resistores que a

compõem e do tipo de associação feita.

6.1 Resistência equivalente em associação em série

Em uma associação série a mesma corrente elétrica flui através de todos os

resistores, um após o outro. Cada um dos resistores apresenta uma resistência a

circulação da corrente no circuito.

Ao longo de todo o circuito, a resistência total é a soma das resistências

parciais. Matematicamente, a resistência total ou equivalente da associação série é

dada por:

Req=R1+R2+R3+…+Rn (3)

Onde R1, R2, R3,....... Rn são os valores ôhmicos dos resistores associados

em série.

6.2 Resistência equivalente em associação em paralelo

Na associação paralela existe mais de um “caminho” para circulação da

corrente elétrica.

Dispondo de dois “caminhos” para circular a corrente flui com maior facilidade

do que se houvesse apenas um caminho.

A partir desta maior facilidade ao circular em um maior número de caminhos

do que em um único, verifica-se que a oposição a passagem da corrente em dois

(ou mais) resistores em paralelo é menor do que em apenas um.

22

Portanto, O valor da resistência equivalente de uma associação de resistores

em paralelo é sempre menor que o resistor de menor valor. Associando-se, por

exemplo, um resistor de 120Ω em paralelo com um resistor de 100Ω a resistência

equivalente da associação será, obrigatoriamente menor que 100Ω.

A resistência equivalente de uma associação paralela de resistores é dada

pela equação:

Req= 11R1

+ 1R2

+…+ 1Rn

(4)

Onde R1, R2, ......., Rn são os valores ôhmicos dos resistores associados.

6.3 Resistência equivalente em associação mista

Para determinar a resistência equivalente de uma associação mista utiliza-se

o recurso de dividir a associação em pequenas partes que possam ser calculadas

como associações série ou paralelas.

Figura 9 - Destaque de associação em paralelo num circuito misto.


Para realizar corretamente a divisão da associação mista utilizam-se novos

formados no circuito.

23

Figura 10 - Método utilizado para redução do circuito.


Como os resistores R1 e R2 estão em paralelo, encontra-se uma resistência

equivalente, dando origem a um resistor equivalente Rp.

Portanto, a representação de um circuito em série surgiu, que pode ser

reduzido através da resistência equivalente em resistores em série, chegando-se a

uma nova resistência equivalente Rq.

24

7 CAPACITORES

O capacitor é um componente capaz de armazenar cargas elétricas, sendo

largamente empregado nos circuitos eletrônicos.

É composto basicamente de duas placas de material condutor, denominadas

de armaduras, isoladas eletricamente entre si por um material isolante chamado

dielétrico.

Figura 11 - Componentes do capacitor.

Fonte: Apostila SENAI Eletrônica, 2012.

Quando um capacitor é conectado a uma fonte de tensão, o campo elétrico

fará com que os elétrons da armadura que estiver ligada ao positivo da fonte de

alimentação, seja por esta atraídos e consequentemente os elétrons presentes na

armadura que estiver ligada ao negativo da mesma fonte de alimentação sejam por

ela repelidos.

Quando a tensão de um capacitor atingir 99,3% da tensão da fonte a que ele

esteja submetido, diz-se que o capacitor está carregado, nesta situação mesmo que

se desconecte o capacitor da fonte de tensão ele permanecerá com uma tensão em

seus terminais de valor praticamente igual ao da fonte de tensão que o carregou.

7.1 Capacitância

É a grandeza que exprime a quantidade de cargas elétricas que um capacitor

pode armazenar. Seu valor depende de alguns fatores:

Área da armadura: quanto maior a área das armaduras, maior a

capacitância;

25

Espessura do dielétrico: Quanto mais fino o dielétrico, mais próximas

estarão as armaduras. O campo elétrico gerado entre as armaduras

será maior e consequentemente a capacitância será maior;

Natureza do dielétrico: quanto maior a capacidade de isolação do

dielétrico, maior a capacitância do capacitor;

Unidade de medida: a unidade de medida da capacitância é o Farad

representado pela letra F, entretanto a unidade Farad é muito grande,

o que leva ao uso de submúltiplos;

Tensão de trabalho: é a máxima tensão (em volts) que o capacitor

pode suportar entre suas armaduras sem danificá-lo. A aplicação de

uma tensão no capacitor superior à sua tensão de trabalho máxima,

pode provocar o rompimento do dielétrico fazendo com que o capacitor

entre em curto, perdendo suas características.

7.2 Capacitores eletrolíticos

São capacitores fixos cujo processo de fabricação permite a obtenção de

altos valores de capacitância com pequeno volume.

O fator que diferencia os capacitores eletrolíticos dos demais capacitores fixos

é o dielétrico. Nos capacitores fixos comuns o dielétrico é de papel, mica, cerâmica

ou ar.

O dielétrico dos capacitores eletrolíticos é um preparo químico chamado de

eletrólito que oxida pela aplicação de tensão elétrica.

Esses capacitores apresentam polaridade, que deverá ser observada, a não

observância dessa polaridade implica na total destruição do componente.

Sendo assim estes capacitores não podem ser aplicados em circuitos

alimentados por tensão C.A.

Figura 12 - Simbologia capacitor.


26

Figura 13 - Capacitores eletrolíticos.


7.3 Código de cores para capacitores

Para capacitores de poliéster, o valor da capacitância vem impresso no corpo

do componente em forma de anéis coloridos.

A interpretação do código de cores para capacitores é feita de maneira

análoga ao código de cores para resistores.

Para estes capacitores o valor da capacitância é dado em picofarads.

Seguem alguns exemplos:

Amarelo, violeta, laranja, branco, azul.

4 7 000 + / -10% 630V

47000pF = 47nF

Laranja, branco, amarelo, branco, vermelho.

3 9 0000 + / - 10% 250V

390000pF = 390nF = 0.39μF

27

Figura 14 - Valores e cores de capacitores padrões.


28

8 ASSOCIAÇÃO DE CAPACITORES

Os circuitos série, paralelo e série-paralelo constituídos de capacitores

possuem as mesmas formas que os circuitos constituídos de resistores.

8.1 Associação série

A fórmula matemática que exprime a capacitância equivalente (Ceq) é:

1Ceq

+ 1C1

+ 1C2

+…+ 1Cn

(5)

Onde C1, C2, ......., Cn são os valores de capacitância dos capacitores

associados.

8.2 Associação paralelo

A fórmula matemática que exprime a Ceq num circuito paralelo é dada por:

C eq=C1+C2+…+Cn (6)

Onde C1, C2, ......., Cn são os valores de capacitância dos capacitores

associados.

29

9 INDUTORES

Como um capacitor, o indutor é um elemento passivo de um circuito capaz de

armazenar energia. Um indutor basicamente é constituído de um condutor e suas

propriedades se devem a ligação entre magnetismo e eletricidade.

Um indutor possuirá energia armazenada, se houver corrente circulante por

ele, nesta condição se verificara em campo magnético não nulo. A quantidade de

energia armazenada depende da quantidade de corrente e da indutância. A

indutância é a grandeza que caracteriza o indutor, depende de características

construtivas.

Figura 15 - Simbologia indutor.


30

10 TRANSFORMADORES

Na eletrônica o transformador tem seu uso bastante frequente. Desde a

redução da tensão da rede de alimentação até na fabricação de inversores

(nobreaks), amplificadores de áudio, etc.

10.1 Transformadores de forca

São transformadores que são usados na alimentação de equipamentos

elétricos e eletrônicos. Tem a função de reduzir a tensão de entrada para tensões

menores.

Figura 16 – Transformadores.


31

11 SEMICONDUTORES

São materiais que podem apresentar características de isolante ou de

condutor, dependendo da forma como se apresenta a sua estrutura química.

11.1 Estrutura química dos semicondutores

Os semicondutores se caracterizam por serem constituídos de átomos que

tem quatro elétrons na camada de valência (tetravalentes).

A figura abaixo mostra a configuração de dois átomos que dão origem a

materiais semicondutores.

Figura 17 - Material germânico.


Figura 18 - Material silício.


Os átomos que possuem quatro elétrons na última camada têm tendência a

se agruparem segundo uma formação cristalina.

32

Neste tipo de ligação cada átomo se combina com quatro outros, fazendo

com que cada elétron pertença simultaneamente a dois átomos.

Este tipo de ligação química é denominado de ligação covalente e é

representada simbolicamente por dois traços que interligam dois núcleos.

Figura 19 - Ligação covalente.


As estruturas cristalinas de elementos tetravalentes são eletricamente

isolantes.

11.2 Dopagem

A dopagem é um processo químico que tem por finalidade introduzir átomos

estranhos a uma substância na sua estrutura cristalina.

11.3 Cristal “N”

Quando o processo de dopagem introduz na estrutura cristalina uma

quantidade de átomos com mais de quatro elétrons na última camada, forma-se uma

nova estrutura cristalina denominada cristal N.

A introdução de átomos de fósforo, por exemplo, que possuí cinco elétrons na

última camada. Dos cinco elétrons externos do fósforo apenas quatro encontram um

par no cristal que possibilite a ligação covalente. O quinto elétron por não encontrar

um par para formar uma ligação, tem a característica de se libertar facilmente do

átomo, passando a vagar livremente dentro da estrutura do cristal, constituindo-se

um portador livre de carga elétrica.

33

11.4 Cristal “P”

A utilização de átomos com menos de quatro elétrons na última camada para

o processo de dopagem dá origem a um tipo de estrutura chamada cristal P.

O átomo de índio, por exemplo, que tem três elétrons na última camada, dá

origem a um cristal P. Quando os átomos de índio são colocados na estrutura do

cristal puro verifica-se a falta de um elétron para a formação de ligações covalentes,

esta falta é denominada de lacuna, sendo representada por uma carga elétrica

positiva na estrutura química.

34

12 DIODO SEMICONDUTOR

O diodo semicondutor é um componente que apresenta a característica de se

comportar como um condutor ou como um isolante elétrico dependendo da forma

como a tensão seja aplicada a seus terminais.

12.1 Estrutura básica

O diodo se constitui na junção de duas pastilhas de material semicondutor:

uma de cristal do tipo P e outra de cristal do tipo N.

Figura 20 - Junção material PN – Diodo.


12.2 Comportamento dos cristais após a junção

Após a junção das pastilhas que formam o diodo ocorre um processo de

“acomodamento” químico entre os cristais.

Na região da junção alguns elétrons livres saem do material N e passam para

o material P, recombinando-se com as lacunas das proximidades. O mesmo ocorre

com algumas lacunas que passam do material P para o material N e se recombinam

com os elétrons livres.

Forma-se na junção uma região onde não existem portadores de carga,

porque estão todos recombinados, neutralizando-se. Esta região é denominada de

região de depleção, e verifica-se que nela existe uma diferença de potencial

proporcionada pelo deslocamento dos portadores de um cristal para o outro. Essa

barreira de potencial é da ordem de 0,7V para diodos de silício e de 0,3V para os

diodos de germânio.

35

Figura 21 - Barreira de potencial (W).


Figura 22 - Simbologia barreira de potencial.


12.3 Aplicação de tensão sobre o diodo

A aplicação da tensão sobre o diodo estabelece a forma como o componente

se comporta eletricamente.

A tensão pode ser aplicada ao diodo de duas formas diferentes, denominadas

tecnicamente de:

Polarização direta;

Polarização inversa.

12.3.1 Polarização direta

A polarização do diodo é considerada direta quando a tensão positiva da fonte

de alimentação é aplicada ao cristal P e a tensão negativa da referida fonte é

aplicada ao cristal N.

Figura 23 - Polarização Direta na Junção PN.


36

O polo positivo da fonte repele as lacunas do cristal P em direção ao polo

negativo, enquanto os elétrons livres do cristal N são repelidos pelo polo negativo

em direção ao positivo da fonte. Se a tensão da bateria externa for maior que a

tensão da barreira de potencial, as forças de atração e repulsão provocadas pela

fonte de tensão externa permitem aos portadores adquirir velocidade suficiente para

atravessar a região onde há ausência de portadores.

Nesta situação o diodo permite a circulação de corrente no circuito e, diz-se

que o diodo está em condução ou saturado.

É importante observar que a seta do símbolo do componente indica o sentido

de circulação (convencional) da corrente elétrica.

12.3.2 Polarização inversa

A polarização inversa de um diodo consiste na aplicação de tensão positiva

no cristal N e negativa no cristal P.

Nesta condição os portadores livres de cada cristal são atraídos pelos

potenciais da bateria para os extremos do diodo. Observa-se que a polarização

inversa provoca um alargamento da região de depleção, porque os portadores são

afastados da junção.

Portanto, conclui-se que a polarização inversa faz com que o diodo impeça a

circulação de corrente no circuito elétrico ao qual ele está inserido. Diz-se que nesta

situação o diodo está cortado ou em bloqueio.

Figura 24 - Polarização inversa na Junção PN.


37

13 RETIFICAÇÃO DE ONDA COMPLETA EM PONTE

Este tipo de retificador entrega a carga uma onda completa sem necessidade

de utilizar um transformador com derivação central.

Figura 25 - Ponte retificadora de onda completa.

Fonte: Arquivo pessoal, 2015.

Este retificador funciona de maneira análoga ao retificador com tomada

central (Center-tape).

No primeiro semiciclo irá aparecer uma tensão sobre a ponte retificadora com

polaridade tal que colocará D1 e D3 em saturação, enquanto D2 e D4 permanecerão

cortados. A corrente circulará pela carga via D1 e D3.

No segundo semiciclo a polaridade da tensão sobre a ponte retificadora

sofrerá uma inversão, colocando D2 e D4 em saturação e, D1 e D3 no corte. Sendo

assim a corrente circulará pela carga através de D2 e D4, no mesmo sentido do

semiciclo anterior.

Figura 26 - Tensões na saída do transformador CA, e na saída da ponte

retificadora CC. Forma de ondas do retificador de onda completa em ponte.


38

13.1 Tensão de saída

A ponte retificadora fornece na saída o mesmo tipo de forma de onda que a

retificação com tomada central. Há, contudo, uma diferença em termos da tensão de

pico sobre a carga, devido ao fato de que na ponte retificadora em cada semiciclo

existem dois diodos em série.

Desta forma o pico de tensão sobre a carga é 1,4V menor que o pico de

tensão na entrada da ponte (para diodos de silício).

A tensão CC média de saída é dada pela equação:

C cc=2.[Em−(2.Vo)]

π(7)

Onde:

C cc = tensão CC média de saída;

Em = tensão CC máxima de saída;

Vo = tensão de entrada;

13.2 Filtros nas fontes de alimentação

As tensões contínuas puras se caracterizam por apresentarem polaridade

definida e valor constante ao longo do tempo.

As tensões fornecidas pelos circuitos retificadores, tanto de meia onda como

onda completa são pulsantes. Embora tenham polaridade definida, não são ideais

para alimentação de circuitos eletrônicos, haja vista que seu valor sofre constante

variação pulsando conforme a tensão senoidal aplicada ao diodo.

O filtro em uma fonte de alimentação tem por finalidade eliminar esses pulsos

e assim tornar a tensão CC de saída mais pura.

13.2.1 O capacitor como elemento de filtro

A capacidade de armazenamento de energia dos capacitores pode ser

utilizada como recurso para realizar o processo da filtragem da tensão de saída de

um retificador.

39

O capacitor é conectado diretamente nos terminais de saída da retificação,

ficando em paralelo com a carga. Quando o diodo estiver conduzindo irá circular

corrente pela carga e também pelo capacitor, carregando-o com tensão igual ao

valor fornecido pela fonte. Quando o diodo estiver cortado o capacitor irá se

descarregar pela carga, fornecendo assim tensão a mesma.

Figura 27 - Forma de onda da tensão na carga.


13.2.2 Tensão de ondulação

O capacitor utilizado como filtro estará sofrendo sucessivos processos de

carga e descarga. Nos períodos de condução do diodo o capacitor sofre carga e sua

tensão aumenta. Nos períodos de corte do diodo o capacitor se descarrega e a sua

tensão diminui.

A forma de onda da tensão de saída não chega a ser uma tensão contínua

pura, apresentando uma variação entre um valor mínimo e um valor máximo

denominada ondulação ou ripple.

Figura 28 - Ondulação ou ripple.


40

A tensão de ondulação na saída de uma fonte também é denominada de

componente CA de saída da fonte. Quanto menor for a componente CA de uma

fonte, melhor será esta fonte.

13.2.3 Determinação do capacitor de filtro

A tensão de saída, de uma retificação com filtro é dada por:

V cc=Em−Vonopp2 (8)

Onde:

Em = tensão CC máxima de saída;

Vonopp = componente CA de saída (ripple).

Pela equação verifica-se que a tensão de saída depende da tensão de

ondulação. A tensão de ripple depende do tipo de retificador, do capacitor de filtro e

da corrente na carga.

Observa-se que o ripple depende de vários fatores que estão relacionados

entre si. Esta dependência torna difícil a formulação de uma equação exata que

determine o valor do capacitor a ser utilizado como filtro para uma tensão

preestabelecida.

Entretanto, devido à grande tolerância de valor dos capacitores eletrolíticos

(até 50%) pode-se formular uma equação simplificada para o seu cálculo.

Esta equação pode ser utilizada para cálculo de capacitores de filtro para até

20% de ondulação de pico a pico sem introduzir um erro significativo.

C=T . ImaxVripple

(9)

Onde:

C = valor do capacitor de filtro em μF;

T = período aproximado de descarga do capacitor;

Imax = corrente máxima na carga em mA;

41

Vripple = tensão pico a pico de ondulação em V.

Além da capacitância do capacitor de filtro deve-se especificar a sua tensão

de isolação. A tensão de isolação deve ser superior ao maior valor de tensão que o

capacitor irá realmente funcionar.

42

14 PHOTOBOARD

Outro equipamento muito importante no laboratório de eletrônica é o

photoboard. É neste equipamento que efetuaremos uma grande quantidade de

circuitos eletrônicos. O seu funcionamento é muito simples. É composto de furações

que estão interligadas eletricamente.

Basta apenas inserir o terminal do componente no furo e pronto, respeitando

é claro o diagrama esquemático. Com esta técnica pode-se testar o circuito e efetuar

as mudanças necessárias sempre que for preciso, porque os componentes não

estão soldados e sim fixados.

Figura 29 – Photoboard convencional.


43

Figura 30 - Parte interna da photoboard.


44

15 FUNCIONAMENTO PROTÓTIPO

O objetivo do protótipo desenvolveu-se em mostrar fisicamente as

consequências de uma redução de tensão, através da utilização de uma fonte

caseira e motorização de 9V (bomba de água).

Em resumo, utilizando-se a fonte caseira, transformou-se a tensão de 220V

(CA) para 12V (CC). Porém, excedeu-se a tensão de alimentação da bomba de

água, que necessita apenas de 9V para adequado funcionamento. Portanto, através

de uma redução de tensão, com associação em série, tornou-se possível a redução

de tensão.

Abaixo, segue detalhadamente a funcionamento de cada etapa do processo.

15.1 Funcionamento da fonte caseira 12VC

1- Entrada do cabo e tomada de alimentação 220V;

2- Terra;

3- Luz vermelha 220V;

4- Fusível 5A;

5- Transformador 220/12V 3A;

6- Ponte retificadora;

7- Filtro capacitivo C 2200 UF 16V;

8- Culler 12V;

45

9- Saída o motor12V (tensão continua).

A seta representa o sentido da corrente elétrica no circuito. Como na saída do

transformador a corrente é alternada (CA), a polaridade sempre estará alternando e,

com isso, também mudará o caminho da corrente elétrica. Lembrando que a

corrente sai do polo negativo para o positivo.

15.1.1 Funcionamento a passo

A corrente CA passa pela lâmpada e depois para o dispositivo de proteção o

fusível.

O transformador transforma a tensão de entrada 220V em 12V.

A tensão de 12V passa pela fonte retificadora, e com isso transforma 12V e

tensão continua.

Uma parte da CC vai para o filtro que tem a função de diminuir os pulsos e

deixar a corrente mais linear possível e a outra parte vai para o culler e também para

saída da fonte que liga o motor (bomba de água).

15.2 Funcionamento do circuito (redução de tensão)

O princípio de funcionamento é baseado na redução de tensão, ou seja, a

tensão inicial passa pelo resistor e assim diminui-se a tensão, fazendo com que a

tensão final seja a tensão correta da carga, próximo a 9V.

Na figura 31, a bomba d’água recebe uma tensão de 9V (após a redução). Na

figura 32, a bomba d’água recebe uma tensão de 6V. O intuito é demonstrar a

interferência na vazão da bomba, através da diferenciação da tensão de

alimentação. Portanto, pode-se afirmar que a tensão de alimentação é diretamente

proporcional a vazão.

Entretanto, com a redução de tensão, o motor perde torque e também

aquece, pois recebe mais corrente do que sua especificação. Então, é muito

importante o dimensionamento correto o circuito, evitando-se possíveis transtornos.

46

Figura 31 - Circuito de redução 12V para 9V.


Figura 32 – Circuito de redução 12V para 6V.


Para o dia de apresentação, exclusivamente, além dos resistores principais

acima, utilizou-se três a mais com cargas ôhmicas variadas, para garantir maior

gama de variações da vazão da bomba durante demonstração, facilitando o

entendimento do interlocutor.

47

16 INTERFERÊNCIA DA TENSÃO NA VAZÃO

A tensão de alimentação determina a rotação do motor e, como

consequência, a vazão resultante na bomba d’água. Lembrando que, além da

eficiência do motor, a vazão depende da secção do tubo utilizado e a velocidade de

saída (proporcional à rotação do motor).

De acordo com testes, obtiveram-se diversas vazões diante das tensões

utilizadas.

Gráfico 1 – Relação entre tensão e vazão da bomba.

4 5 6 7 8 9 10 11 120.00E+00

2.00E-03

4.00E-03

6.00E-03

8.00E-03

1.00E-02

1.20E-02

1.40E-02

1.60E-02

1.80E-02

2.00E-02

[VALOR X]; [VALOR Y]





Tensão (V)

Vazã

o (li

tros

)


48

17 CONSTRUÇÃO PROTÓTIPO

Abaixo segue, resumidamente, a apresentação dos modos de fabricação e

montagem do protótipo:

Figura 33 - Adaptação de um rotor a partir de uma bomba de água de

retrovisor de carro.


Figura 34 - Adaptação de tampa com furo de centro para o rotor.


49

Figura 35 - Fechamento do rotor com tampa.


Figura 36 - Fixação bucha de união no eixo do motor.


Figura 37 - União do rotor ao motor.


50

Figura 38 – Bomba de água completa.


Figura 39 - Montagem da redução de circuito na photoboard.


Figura 40 – Montagem da fonte de tensão.


51

Figura 41 – Protótipo em funcionamento.


17.1 Materiais

Os materiais utilizados para a construção do protótipo foram totalmente

sucatas, partes de equipamentos inadequados para uso por estarem quebrados.

Segue relação de materiais:

Rotor de bomba de retrovisor de carro;

Motor de vídeo cassette 9V;

Tampa de garrafa pet;

Cola a base de silicone;

Conector de fios;

Indutores;

Tubos hidráulicos de Ø6mm;

Fusível 5A;

Transformador 220/12V;

Ponte retificadora;

Filtro capacitivo C 2200 UF 16V;

Culler 12V;

Resistores de 7,5Ω e 15Ω.

52

18 IMPACTO AMBIENTAL

Meio ambiente envolve todas as coisas vivas e não-vivas que ocorrem na

Terra, ou em alguma região dela, que afetam os ecossistemas e a vida dos

humanos. O meio ambiente pode ter diversos conceitos, que são identificados por

seus componentes.

A preservação do meio ambiente depende muito da sensibilização dos

indivíduos de uma sociedade e suas tecnologias.

Nesse aspecto, é necessária uma análise criteriosa quanto ao descarte de

alguns componentes eletrônicos que foram utilizados no desenvolvimento do

protótipo, principalmente da fonte de tensão.

Os lixos eletrônicos quando descartados de modo incorreto podem gerar

sérios riscos ao meio ambiente. Este fator se dá devido ao uso de metais pesados

altamente tóxicos em sua composição. Dentre estes metais, os mais comumente

encontrados são o mercúrio, berílio e chumbo. Soma-se a estes metais outros

diversos componentes químicos. Tais resíduos já representam 5% de todo o lixo

produzido pela humanidade. Este valor não parece tão alarmante, entretanto, ele

representa 50 milhões de toneladas de resíduos desta espécie, jogadas fora

anualmente. O Brasil produz, aproximadamente, 1% deste total, sendo uma quantia

aproximada de 2,5kg por habitante. Vale ressaltar que a indústria de

eletroeletrônicos está em expansão, e que a cada 6 meses, no máximo, grandes

novidades surgem, levando uma enorme parcela da população a trocar seus

aparelhos.

Quando o descarte incorreto ocorre, tais materiais são enterrados, sendo

então absorvidos pelos solos com os quais tiveram contato, contaminando,

posteriormente, os lençóis freáticos. Outro método incorreto (e comumente feito) é o

da queimada dos materiais, liberando toxinas extremamente perigosas no ar. Além

destes fatores expostos (que afetam a humanidade de forma direta) ainda se

encontra em risco o trabalhador responsável pelo descarte irregular, visto seu

contato direto com tais fumaças tóxicas ou até mesmo pelo consumo de água

próximo a regiões de descarte (quando enterrados), podendo causar graves danos à

saúde. Assim, o descarte correto é de extrema importância não só para o meio

ambiente, mas também para a saúde humana.

53

Na questão de consumo energético, o protótipo desenvolvido não apresenta

impactos consideráveis ao ambiente devido sua proporção para com o meio, que

possui grandes dimensões. Porém, com o mesmo protótipo em escala real torna-se

possível elaborar hipóteses de sua interferência.

A maioria das casas e indústrias do mundo possuem equipamentos movidos

a motores elétricos. Por isso, a eficiência energética desses equipamentos é de

suma importância e requer estudos, materiais e manutenção de alta qualidade para

que o desperdício de energia seja reduzido ao mínimo. Para se ter uma ideia, na

indústria, os motores elétricos são responsáveis por quase 70% de toda energia

elétrica consumida dentro de seus processos. Portanto, uma grande quantidade de

energia elétrica deve ser produzida diariamente para atender tal necessidade.

A extração de recursos energéticos, seja hidroeletricidade ou petróleo,

carvão, biomassa, tem implicações em mudanças nos padrões de uso do solo,

recursos hídricos, alteração da cobertura vegetal e na composição atmosférica.

As atividades relacionadas com a produção e uso de energia liberam para a

atmosfera, água e solo, diversas substâncias que comprometem a saúde e

sobrevivência não só do homem, mas também da fauna e flora. Alguns desses

efeitos são visíveis e imediatos, outros tem a propriedade de serem cumulativos e de

permanecerem por várias décadas ocasionando problemas.

O avanço em escala comercial de tecnologias avançadas que reduzam a

utilização de energia e emissões ainda é muito tímida, especialmente no Brasil. Para

que seja possível conceber um futuro mais sustentável do ponto de vista energético

é necessário maior participação de fontes renováveis e maior eficiência para

produção e uso de energia. É fundamental maior compromisso e esforço por parte

do setor público e privado, seja em nível local ou internacional.

54

19 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Neste trabalho abordou-se a transformação da tensão da rede elétrica através

de uma fonte caseira, e a redução dessa tensão em um circuito elétrico simples

utilizando resistores dispostos em série. Com isso, reduziu-se a tensão de forma que

pudesse alimentar uma pequena bomba d’água construída a partir de um motor de

um vídeo cassete, com o objetivo de se analisar os efeitos físicos que ocorrem na

vazão da bomba ao intercalarmos as tensões de 9V e 6V.

Portanto, houve melhor rendimento da bomba d’água na tensão correta (9V),

já que essa é a tensão especificada pelo fabricante do motor. Porém, observou-se

aquecimento e menor vazão na tensão inadequada (6V).

A principal dificuldade encontrada foi a manutenção do protótipo. O eixo de

transmissão, por estar em constante rotação, rompeu diversas vezes a cola de

vedação entre o rotor e o eixo externo, ocasionando vazamento. Isso aconteceu

porque a cola utilizada para a vedação não é apropriada para tal, portanto, não

resistiu muito tempo as variações de rotação. Para um futuro experimento, é viável a

alteração do método de vedação que liga o eixo ao rotor como, por exemplo, a

aplicação de retentores.

55

REFERÊNCIAS

SENAI/Departamento Nacional. Associação de resistores, Divisão de Ensino e Treinamento. São Paulo, 2012. 71p.

VAN VALKENBURG, Nooger & Neville. Eletricidade Básica. 12 ed. São

Paulo, Freitas Bastos, 1970. v.2.

REVIMAQ. A evolução na eficiência energética de motores elétricos.

Disponível em: <http://www.revimaq.com/noticia/a-evolucao-na-eficiencia-energetica-

de-motores-eletricos/>. Acesso em: 06 de novembro de 2015.

ORGANIZAÇÃO E-LIXO. O que Coletamos: Descarte de lixo eletrônico.

Disponível em: <http://www.elixo.org.br/reciclagem-lixo-eletronico/>. Acesso em: 06

de novembro de 2015.

56

APÊNDICE A – Cálculos da fonte de tensão 12V.

CÁLCULOS DA FONTEDiodo (modelo MR504)

Corrente nominal 3A

Tensão máxima 400V

Tensão de pico

V 2p=(Vef i .2)1/2

V 2p=(12.2)1 /2=17V

Tensão de pico na cargaV pc=V 2p−(2.V d)

V pc=17−(2.0,7 )=15,6V

Tensão média na cargaV médc=V pc .0,636

V médc=15,6 .0,636=9,92V

Tensão eficaz da carga

V efic=(V pc

2 )1/2

V efic=( 15,62 )1/2

=11,03V

Frequência na cargafc=2. f 1

fc=2.60=120Hz

Tensão de pico inversa nos diodosPiv=V 2p=17V

57

Filtro capacitor

C=T . ImáxV 2p

C=8,33 x 10−3 .400x 10−3

17=0,000196 F ou196microF

58

APÊNDICE B – Cálculos de redução de circuitos para a bomba.

CIRCUITO DE REDUÇÃO 9V

Resistor12V−9V=3V ( tensão aser reduzida)

R=VI

R= 3400 x 10−3

=7,5Ω

Potência resistorP=I .V

P=400 x103 .3=1,2W

P=1,2W .3(fat . segurança)=3,6W

CIRCUITO DE REDUÇÃO 6V

Resistor12V−6V=6V (tensãoaser reduzida)

R=VI

R= 6400x 10−3

=15Ω

Potência resistorP=I .V

P=400 x103 .6=2,4W

P=2,4W .3(fat . segurança)=7,2W

59

APÊNDICE C – Simulação computacional.

Download - Aps bomba d'água

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