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Eletrônica e Instrumentação Industrial

Coordenação do Programa Formare Beth Callia

Coordenação Pedagógica Zita Porto Pimentel

Coordenação da Área Técnica – UTFPR Alfredo Vrubel

Elaboração GIPE Projetos Educativos Ltda.Av. Imperial, 407 / Ipanema91760-400 – Porto Alegre, [email protected]

Coordenação Geral Ana Mariza Ribeiro Filipouski eDiana Maria Marchi

Produção Gráfica Marta Castilhos

Autoria deste caderno Luís Ricardo Pedra Pierobon

Apoio MEC – Ministério da EducaçãoFNDE – Fundo Nacional de Desenvolvimento da EducaçãoPROEP – Programa de Expansão da Educação Profissional

Iniciativa Realização

Fundação IOCHPEAl. Tietê, 618, casa 3, Cep 01417-020, São Paulo, SP

www.formare.org.br

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)(William Okubo, CRB-8/6331, SP, Brasil)

PIEROBON, Luís Ricardo Pedra

Eletrônica e instrumentação industrial / Luís RicardoPedra Pierobon ; Projeto Formare. - São Paulo : FundaçãoIochpe, 2006.

152p. (Cadernos Formare, 48)

Inclui: Exercícios; Glossário; Bibliografia.ISBN 85-98169-48-X

1. Ensino Profissional 2. Eletrônica industrial 3. Circuitos integrados 4. Instrumentação industrial I. Projeto Formare II. Título III. Série

CDD-371.426

Eletrônica e Instrumentação Industrial 33

Formare: uma escola para a vida

Ensinar e aprender não podem dar-se fora da procura,

fora da boniteza e da alegria.

A alegria não chega apenas com o encontro do achado,

mas faz parte do processo de busca.

Paulo Freire

Hoje a educação é concebida em uma perspectiva ampla de desen-

volvimento humano e não apenas como uma das condições básicas para o

crescimento econômico.

O propósito de uma escola é muito mais o desenvolvimento de competências

pessoais para o planejamento e realização de um projeto de vida do que ape-

nas o ensino de conteúdos disciplinares.

Os conteúdos devem ser considerados na perspectiva de meios e instrumentos

para conquistas individuais e coletivas nas áreas profissional, social e cultural.

A formação de jovens não pode ser pensada apenas como uma atividade inte-

lectual. É um processo global e complexo, onde conhecer, refletir, agir e intervir

na realidade encontram-se associados.

Ensina-se pelos desafios lançados, pelas experiências proporcionadas, pelos pro-

blemas sugeridos, pela ação desencadeada, pela aposta na capacidade de

aprendizagem de cada um, sem deixar de lado os interesses dos jovens, suas

concepções, sua cultura e seu desejo de aprender.

Aprende-se a partir de uma busca individual, mas também pela participação em

ações coletivas, vivenciando sentimentos, manifestando opiniões diante dos

fatos, escolhendo procedimentos, definindo metas.

O que se propõe, então, não é apenas um arranjo de conteúdos em um elenco de

disciplinas, mas a construção de uma prática pedagógica centrada na formação.

Nesta mudança de perspectiva, os conteúdos deixam de ser um fim em si mes-

mos e passam a ser instrumentos de formação.

Essas considerações dão à atividade de aprender um sentido novo, onde as

necessidades de aprendizagem despertam o interesse de resolver questões

desafiadoras. Por isso uma prática pedagógica deve gerar situações de aprendi-

zagem ao mesmo tempo reais, diversificadas e provocativas. Deve possibilitar,

portanto, que os jovens, ao dar opiniões, participar de debates e tomar deci-

sões, construam sua individualidade e se assumam como sujeitos que absorvem

e produzem cultura.

Segundo Jarbas Barato, a história tem mostrado que a atividade humana produz

um saber "das coisas do mundo", que garantiu a sobrevivência do ser humano

sobre a face da Terra e, portanto, deve ser reconhecido e valorizado como a

"sabedoria do fazer".

44 Eletrônica e Instrumentação Industrial

O conhecimento proveniente de uma atividade como o trabalho, por exemplo,

nem sempre pode ser traduzido em palavras. Em geral, peritos têm dificuldade

em descrever com clareza e precisão sua técnica. É preciso vê-los trabalhar para

"aprender com eles".

O pensar e o fazer são dois lados de uma mesma moeda, dois pólos de uma

mesma esfera. Possuem características próprias, sem pré-requisitos ou escala de

valores que os coloquem em patamares diferentes.

Teoria e prática são modos de classificar os saberes insuficientes para explicar

a natureza de todo o conhecimento humano. O saber proveniente do fazer possui

uma construção diferente de outras formas que se valem de conceitos, princí-

pios e teorias, nem sempre está atrelado a um arcabouço teórico.

Quando se reconhece a técnica como conhecimento, considera-se também a

atividade produtiva como geradora de um saber específico e valoriza-se a expe-

riência do trabalhador como base para a construção do conhecimento naquela

área. Técnicas são conhecimentos processuais, uma dimensão de saber cuja na-

tureza se define como seqüência de operações orientadas para uma finalidade.

O saber é inerente ao fazer, não uma decorrência dele.

Tradicionalmente, os cursos de educação profissional eram rigidamente organi-

zados em momentos prévios de "teoria" seguidos de momentos de "prática".

O padrão rígido “explicação (teoria) antes da execução (prática)” era mantido

como algo natural e inquestionável. Profissões que exigem muito uso das mãos

eram vistas como atividades mecânicas, desprovidas de análise e planejamento.

Autores estão mostrando que o aprender fazendo gera trabalhadores compe-

tentes e a troca de experiências integra comunidades de prática nas quais o

saber "distribuído por todos" eleva o padrão da execução. Por isso, o esforço

para o registro, organização e criação de uma rede de apoio, uma teia comu-

nicativa de "relato de práticas" é fundamental.

Dessa forma, o uso do paradigma da aprendizagem corporativa faz sentido e

é muito mais produtivo. A idéia da formação profissional no interior do espaço

de trabalho é, portanto, uma proposição muito mais adequada, inovadora e

ousada do que a seqüência que propõe primeiro a teoria na sala de aula,

depois a prática.

Atualmente, as empresas têm investido na educação continuada de seus funcio-

nários, na expectativa de que este esforço contribua para melhorar os negócios.

A formação de quadros passou a ser, nesses últimos anos, atividade central nas or-

ganizações que buscam o conhecimento para impulsionar seu desenvolvimento.

No entanto, raramente se percebe que um dos conhecimentos mais importantes

é aquele que está sendo construído pelos seus funcionários no exercício

cotidiano de suas funções, é aquele que está concentrado na própria empresa.

A empresa contrata especialistas, adquire tecnologias, desenvolve práticas de

gestão, inaugura centros de informação, organiza banco de dados, incentiva


inovações. Vai acumulando, aos poucos, conhecimento e experiências que, se

forem apoiadas com recursos pedagógicos, darão à empresa a condição de exce-

lência como "espaço de ensino e aprendizagem".

Criando condições para identificar, registrar, organizar e difundir esse conheci-

mento, a organização poderá contribuir para o aprimoramento da formação

profissional.

Convenciona-se que a escola é o lugar onde se ensina e a empresa é onde se

produz bens, produtos e serviços. Deste ponto de vista, o conhecimento seria

construído na escola, e caberia à empresa o aprimoramento de competências

destinadas à produção. Esta é uma visão acanhada e restritiva de formação

profissional que não reconhece e não explora o potencial educativo de uma

organização.

Neste cenário, a Fundação IOCHPE, em parceria com a UTFPR – Universidade

Tecnológica Federal do Paraná, desenvolve a proposta pedagógica Formare,

que apresenta uma estrutura curricular composta de conteúdos integrados: um

conjunto de disciplinas de formação geral (Higiene, Saúde e Segurança; Comu-

nicação e Relacionamento; Fundamentação Numérica; Organização Industrial

e Comercial; Informática e Atividades de Integração) e um conjunto de disci-

plinas de formação específica.

O curso Formare pretende ser uma escola que oferece ao jovem uma prepa-

ração para a vida, propõe-se a desenvolver não só competências técnicas, mas

também habilidades que lhes possibilitem estabelecer relações harmoniosas e

produtivas com todas as pessoas, que os tornem capazes de construir seus so-

nhos e metas, além de buscar as condições para realizá-los no âmbito profissio-

nal, social e familiar.

A proposta curricular tem a intenção de fortalecer, além das competências téc-

nicas, outras habilidades:

1) Comunicabilidade – capacidade de expressão (oral e escrita) de

conceitos, idéias e emoções de forma clara, coerente e adequada ao

contexto;

2) Trabalho em equipe – capacidade de levar o seu grupo a atingir

os objetivos propostos;

3) Solução de problemas – capacidade de analisar situações, rela-

cionar informações e resolver problemas;

4) Visão de futuro – capacidade de planejar, prever possibilidades e

alternativas;

5) Cidadania – capacidade de defender direitos de interesse coletivo.

Cada competência é composta por um conjunto de habilidades que serão

desenvolvidas durante o ano letivo, por meio de todas as disciplinas do curso.


Para finalizar, ao integrar o ser, o pensar e o fazer, os cursos Formare ajudam

os jovens a desenvolver competências para um bom desempenho profissional

e, acima de tudo, a dar sentido à sua própria vida. Dessa forma, esperam

contribuir para que eles tenham melhores condições para assumir uma postura

ética, colaborativa e empreendedora em ambientes instáveis como os de hoje,

sujeitos a constantes transformações.

Equipe FORMARE


Sobre o caderno

Você, educador voluntário, sabe que boa parte da performance dos jovens

no mundo do trabalho dependerá das aprendizagens adquiridas no espaço

de formação do Curso em desenvolvimento em sua empresa no âmbito do

Projeto Formare.

Por isso, os conhecimentos a serem construídos foram organizados em eta-

pas, investindo na transformação dos jovens estudantes em futuros traba-

lhadores qualificados para o desempenho profissional.

Antes de esse material estar em suas mãos, houve a definição de uma pro-

posta pedagógica, que traçou um perfil de trabalhador a formar, depois o

delineamento de um plano de curso, que construiu uma grade curricular,

destacou conteúdos e competências que precisam ser desenvolvidos para

viabilizar o alcance dos objetivos estabelecidos e então foram desenhados

planos de ensino, com vistas a assegurar a eficácia da formação desejada.

À medida que começar a trabalhar com o Caderno, perceberá que todos os

encontros contêm a pressuposição de que você domina o conteúdo e que

está recebendo sugestões quanto ao modo de fazer para tornar suas aulas

atraentes e produtoras de aprendizagens significativas. O Caderno preten-

de valorizar seu trabalho voluntário, mas não ignora que o conhecimento

será construído a partir das condições do grupo de jovens e de sua dispo-

sição para ensinar. Embora cada aula apresente um roteiro e simplifique a

sua tarefa, é impossível prescindir de algum planejamento prévio. É impor-

tante que as sugestões não sejam vistas como uma camisa de força, mas

como possibilidade, entre inúmeras outras que você e os jovens do curso

poderão descobrir, de favorecer a prática pedagógica.

O Caderno tem a finalidade de oferecer uma direção em sua caminhada de

orientador da construção dos conhecimentos dos jovens, prevendo objeti-

vos, conteúdos e procedimentos das aulas que compõem cada capítulo de

estudo. Ele trata também de assuntos aparentemente miúdos, como a apre-

sentação das tarefas, a duração de cada atividade, os materiais que você

deverá ter à mão ao adotar a atividade sugerida, as imagens e os textos de

apoio que poderá utilizar.

No seu conjunto, propõe um jeito de fazer, mas também poderá apresentar

outras possibilidades e caminhos para dar conta das mesmas questões, com

vistas a encorajá-lo a buscar alternativas melhor adequadas à natureza da

turma.

Como foi pensado a partir do planejamento dos cursos (os objetivos gerais de

formação profissional, as competências a serem desenvolvidas) e dos planos

de ensino disciplinares (a definição do que vai ser ensinado, em que seqüên-

cia e intensidade e os modos de avaliação), o Caderno pretende auxiliá-lo a


realizar um plano de aula coerente com a concepção do Curso, preocupado em

investir na formação de futuros trabalhadores habilitados ao exercício

profissional.

O Caderno considera a divisão em capítulos apresentada no Plano de Ensino e

o tempo de duração da disciplina, bem como a etapa do Curso em que ela está

inserida. Com esta idéia do todo, sugere uma possibilidade de divisão do tem-

po, considerando uma aula de 50 minutos.

Também há avaliações previstas, reunindo capítulos em blocos de conhecimen-

tos e oferecendo oportunidade de síntese do aprendido. É preciso não esque-

cer, no entanto, que a aprendizagem é avaliada durante o processo, através

da observação e do diálogo em sala de aula. A avaliação formal, prevista nos ca-

dernos, permite a descrição quantitativa do desempenho dos jovens e também

do educador na medida em que o "erro", muitas vezes, é indício de falhas ante-

riores que não podem ser ignoradas no processo de ensinar e aprender.

Recomendamos que, ao final de cada aula ministrada, você faça um breve regis-

tro reflexivo, anotando o que funcionou e o que precisou ser reformulado, se

todos os conteúdos foram desenvolvidos satisfatoriamente ou se foi necessário

retomar algum, bem como outras sugestões que possam levar à melhoria da prá-

tica de formação profissional e assegurar o desenvolvimento do trabalho com

aprendizagens significativas para os jovens. Esta também poderá ser uma opor-

tunidade de você rever sua prática como educador voluntário e, simultanea-

mente, colaborar para a permanente qualificação dos Cadernos. É um desafio-

convite que lhe dirigimos, ao mesmo tempo em que o convidamos a ser co-autor

da prática que aí vai sugerida.

Características do caderno

Cada capítulo ou unidade possui algumas partes fundamentais, assim distri-

buídas:

Página de apresentação do capítulo: apresenta uma síntese do assunto

e os objetivos a atingir, destacando o que os jovens devem saber e o que se

espera que saibam fazer depois das aulas. Em síntese, focaliza a relevância do

assunto dentro da área de conhecimento tratada e apresenta a relação dos

saberes, das competências e habilidades que os jovens desenvolverão com o

estudo da unidade.

A seguir, as aulas são apresentadas através de um breve resumo dos conheci-

mentos a serem desenvolvidos em cada aula. Sua intenção é indicar aos educa-

dores o âmbito de aprofundamento da questão, sinalizando conhecimentos

prévios e a contextualização necessária para o tratamento das questões da aula.

No interior de cada aula aparece a seqüência de atividades, marcadas pela

utilização dos ícones que seguem:


Indica, passo a passo, as atividades propostas para o educador. Apresenta as

informações básicas, sugerindo uma forma de desenvolvê-las. Esta seção apre-

senta conceitos relativos ao tema tratado, imagens que têm a finalidade de se

constituírem em suporte para as explicações do educador (por esse motivo

todas elas aparecem em anexo num cd, para facilitar a impressão em lâmina ou

a sua reprodução por recurso multimídia), exemplos das aplicações dos conteú-

dos, textos de apoio que podem ser multiplicados e entregues aos jovens,

sugestões de desenvolvimento do conteúdo e atividades práticas, criadas para

o estabelecimento de relações entre os saberes. No passo a passo, aparecem

oportunidades de análise de dados, observação e descrição de objetos, classifi-

cação, formulação de hipóteses, registro de experiências, produção de relató-

rios e outras práticas que compõem a atitude científica frente ao conhecimento.

Indica a duração prevista para a realização do estudo e das tarefas de cada passo.

É importante que fique claro que esta é uma sugestão ideal, que abstrai quem é

o sujeito ministante da aula e quem são os sujeitos que aprendem, a rigor os que

mais interessam nesse processo.

Quando foi definida, só levou em consideração o que era possível no momen-

to: o conteúdo a ser desenvolvido, tendo em vista o número de aulas e o plano

de ensino da disciplina. No entanto você, juntamente com os jovens que com-

põem a sua turma, têm liberdade para alterar o que foi sugerido, adaptar as

sugestões para o seu contexto, com as necessidades, interesses, conhecimentos

prévios e talentos especiais do seu grupo.

O glossário contém informações e esclarecimentos de conceitos e termos

técnicos. Tem a finalidade de simplificar o trabalho de busca do educador e, ao

mesmo tempo, incentivá-lo a orientar os jovens para a utilização de vocabulá-

rio apropriado referente aos diferentes aspectos da matéria estudada. Aparece

ao lado na página em que é utilizado e é retomado ao final do Caderno, em

ordem alfabética.

Remete para exercícios que objetivam a fixação dos conteúdos desenvolvidos.

Não estão computados no tempo das aulas, e poderão servir como atividade de

reforço extraclasse, como revisão de conteúdos ou mesmo como objeto de

avaliação de conhecimentos.

Notas que apresentam informações suplementares relativas ao assunto que está

sendo apresentado.

Idéias que objetivam motivar e sensibilizar o educador para outras possibilidades

de explorar os conteúdos da unidade. Têm a preocupação de sinalizar que, de

acordo com o grupo de jovens, outros modos de fazer podem ser alternativas

consideradas para o desenvolvimento de um conteúdo.

Traz as idéias-síntese da unidade, que auxiliam na compreensão dos conceitos

tratados, bem como informações novas relacionadas ao que se está estudando.


Em síntese, você educador voluntário precisa considerar que há algumas com-

petências que precisam ser construídas durante o processo de ensino-aprendi-

zagem, tais como:

conhecimento de conceitos e sua utilização;

análise e interpretação de textos, gráficos, figuras e diagramas;

transferência e aplicação de conhecimentos;

articulação estrutura-função;

interpretação de uma atividade experimental.

Em vista disso, o conteúdo dos adernos pretende favorecer:

conhecimento de propriedades e de relações entre conceitos;

aplicação do conhecimento dos conceitos e das relações entre eles;

produção e demonstração de raciocínios demonstrativos;

análise de gráficos;

resolução de problemas;

identificação de dados e de evidências relativas a uma atividade experimen-

tal;

conhecimento de propriedades e relações entre conceitos em uma situação

nova.

Como você já deve ter concluído, o Caderno é uma espécie de obra aberta,

pois está sempre em condições de absorver sugestões, outros modos de fazer,

articulando os educadores voluntários do Projeto Formare em uma rede que

consolida a tecnologia educativa que o Projeto constitui. Desejamos que você

possa utilizá-lo da melhor forma possível e que tenha a oportunidade de refle-

tir criticamente sobre eles, registrando sua colaboração e interagindo com os

jovens de seu grupo a fim de investirmos todos em uma educação mais efetiva

e na formação de profissionais mais competentes e atualizados para os desa-

fios do mundo contemporâneo.

GIPE – Gestão e Inovação em Projetos Educativos


Este caderno procura apresentar conceitos da eletrônica industrial de forma clara e

objetiva, recorrendo a analogias para facilitar a compreensão.

Ao contrário de outros ramos da eletrônica, que estão inseridos corriqueiramente na

vida diária, a eletrônica industrial se encerra no interior das fábricas, com equipa-

mentos de automação extremamente miniaturizados convivendo com grandes

máquinas elétricas, que fazem parte desse universo barulhento e produtivo. Ao longo

do aprendizado, o jovem descortinará um novo horizonte e, a cada momento,

novidades surgirão. Cada nova descoberta representará um passo no caminho que

deverá seguir até desbravar totalmente este universo.

Elaborado com o intuito de servir de base para o educador favorecer estudo em sala

de aula, o caderno se apóia no cotidiano de ambientes industriais com intensa aplica-

ção da eletrônica. Nos diferentes capítulos, conceitos simplificados têm preferência

sobre explicações mais complexas. Em vista disso, fórmulas foram reduzidas e infor-

mações matemáticas foram incorporadas ao texto. Uma vez que muitas das infor-

mações aqui veiculadas constituem absoluta novidade aos jovens, sugerimos que o

educador, sempre que possível, tranforme a empresa em uma espécie de laboratório

onde, por meio da observação e da conversa com operadores experientes, os jovens

se familiarizarão com as novas aprendizagens.

Introdução


Sumário

1 Diodo e TransistorPrimeira Aula

Condutores e isolantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Semicondutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Segunda AulaDiodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Terceira AulaTransistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2 Circuitos IntegradosPrimeira Aula

Circuitos integrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Segunda Aula

Circuitos integrados comerciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Terceira Aula

Testes de verificação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46Quarta Aula

Avaliação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3 Motor Elétrico, Conversor de Freqüência e Servo-acionamentoPrimeira Aula

Tipos de motores e formas de acionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53Motores síncronos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Segunda AulaMotores universais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56Motores de indução ou assíncronos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Terceira AulaPartes e componentes dos motores: procedimento para ligação e verificação . . . 59

Quarta AulaProcedimento para ligação e rotinas de verificação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

Quinta AulaConversor de freqüência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67Motores de corrente contínua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69Motor de passo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

Sexta AulaVisita à fábrica com foco em identificação de motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4 Dispositivos de Comando, Proteção e ChaveamentoPrimeira Aula

Procedimentos e normas de segurança . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75Segunda Aula

Análises e testes em máquinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77Terceira Aula

Dispositivos de comando: tipos e características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79Quarta Aula

Dispositivos de proteção: tipos e características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82Quinta Aula

Dispositivos de chaveamento: tipos e características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

Sexta AulaRelatório de manutenção preventiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88Inspeção de circuitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Sétima AulaAvaliação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

5 Sensores e Medidas de ProcessoPrimeira Aula

Sensores e transdutores: tipos e cracterísticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93Segunda Aula

Células fotovoltaicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98Sensoriamento ótico de velocidade de rotação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99Termopares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99Sensor piezelétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100Tacogerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

Terceira AulaSensores de fim de curso magnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103Sensores de fim de curso mecânico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103Sensores capacitativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104Sensores de ultra-som . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104Sensores de posição com potenciômetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104Sensores LVDT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105Extensômetro resistivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

Quarta AulaSensores de vazão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

Quinta AulaMedição de posição, força, torque e temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109Sistemas de aquisição e transmissão de sinais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

Sexta AulaRevisão das aprendizagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

6 Circuitos de Controle de ProcessoPrimeira Aula

Tipos de circuitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117Simbologia e nomenclatura da instrumentação industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

Segunda AulaDispositivos de controle: tipos e características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

Terceira AulaDispositivos de medição: aquisição e tratamento de sinais . . . . . . . . . . . . . . . . . 125Visita à fábrica com foco em sistemas de medição e aquisição de dados . . . . . . 128

Quarta AulaAtuadores: tipos, características e aplicações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

Quinta AulaDispositivos de segurança . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132Visita à fábrica com foco em dispositivos de segurança . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

Sexta AulaAnálise e execução de relatórios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

Sétima AulaAvaliação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

Exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137Gabarito dos exercícios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143Glossário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149



1 Diodo e Transistor

Neste capítulo, são apresentados conceitos fundamentais de eletrônica, freqüente-

mente apenas disponíves em livros especializados e com grau de dificuldade superior

ao compatível com a formação de um estudante de nível médio. Em vista disso, além

de sugerir alguns modos de fazer que tornem os conceitos mais claros, houve a

preocupação de oferecer um material que possa servir de fonte de estudo aos jovens.

Muitos dos conceitos aqui tratados foram introduzidos nas disciplinas Eletricidade e

Medidas Elétricas e Desenho Técnico e Eletromecânico.

Dar a conhecer conceitos básicos relativos à eletrônica;

Favorecer a compreensão de fenômenos complexos por meio de experimentações

concretas e analogias com questões da vida cotidiana;

Possibilitar a realização de experimentos simples que utilizem as aprendizagens cons-

truídas.

Objetivos


As substâncias se comportam diferentemente à passa-gem da corrente elétrica. Alguns materiais permitempassagem e são chamados de condutores; outros impe-dem-na e são chamados de isolantes.

Para compreender o que ocor-re em um condutor ou em umisolante, é necessário que elessejam estudados em nível atô-mico.

Nesta primeira aula, serão estudados os conduto-

res, isolantes e semicondutores, a partir de uma

visão atômica, com modelos, analogias e experi-

mentos simples para uma melhor compreensão

dos conceitos fundamentais. Serão propostos exercí-

cios teóricos e práticos, que possibilitarão avaliar

as aprendizagens construídas.

Primeira Aula

Fig. 1 – Modelo atômico de Bohr.1

Condutores e isolantes

Educador, esta aula supõe que os jovens este-jam em um espaço físico que possibilite o manuseiodos materiais que ilustrarão sua explanação.Se isso não for possível, recomenda-se que você re-produza as figuras apresentadas em lâminas, pois aprojeção facilitará a sua exposição.

Elétron

Núcleo

Órbita

Passo 1 / Aula teórica

5min

AnalogiasRelação ou semelhança entre coisas oufatos.

1 Niels Henrick Bohr (1885-1962) – Físco dinamarquês. Com base emsíntese do modelo planetário de Rutherford e na teoria quânticade Planck, concebe uma teoria atômica que dá conta, com no-tável exatidão do espectro atômico do hidrogênio (trata-se dochamad,o “átomo de Bohr”). Idealiza também o modelo chama-do “da gota líquida”, para explicar as desintegrações nucleares.

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Condutores metálicos possuem os elétrons da últimacamada livres, isto é, eles podem facilmente transitarde um átomo para outros. Esta é uma característica dotipo de ligação cristalina, própria dos metais.

Os isolantes são materiais cujos elétrons da última ca-mada se encontram firmemente ligados aos seus áto-mos de origem, o que torna muito difícil o "pulo" deelétrons de um átomo para outro. Sob condições extre-mas, os isolantes podem se comportar como condu-tores, geralmente quando são expostos a diferenças depotencial muito grandes.

Este modelo atômico simples mostra que os elétrons gi-ram em torno de um núcleo, em órbitas que se encontrammais próximas ou afastadas dele, representando umadistribuição em camadas dos elétrons.

Diferença de potencial O mesmo que tensão elétrica, voltagemou força eletromotriz. Conceito estuda-do na disciplina no Manual de Eletrici-dade e Medidas Elétricas. ÍonsDenominação genérica das partículasatômicas ou grupos de átomos dotadosde carga elétrica não-nula. Abrange oscátions, de carga positiva, e os ânions,de carga negativa.

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ães

Fig. 2 – Modelo de redecristalina metálica envolta

em uma nuvem eletrônica.

rede cristalina

nuvem eletrônica

Existem condutores que não são metálicos e tambémcondutores em que os principais elementos de condu-ção não são os elétrons propriamente ditos, mas os íons,caso das soluções eletrolíticas e dos gases ionizados.

Educador, é importante salientar para os jovens que, em nível atômico ou molecu-

lar, sempre se trabalha com modelos hipotéticos, pois não é possível, por limitações

físicas, efetivamente ver o fenômeno. Um modelo nada mais é do que um esquema,

uma representação abstrata.

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Fig. 3 – À esquerda, aparecem soluções eletrolíticas onde os elementos de condução são os íons.À direita, vê-se uma lâmpada em que um gás é percorrido por corrente elétrica e os importadoreslivres são íons positivos e elétrons.

solução aquosade cloreto de sódio

solução aquosade ácido clorídrico



Educador, será necessário providenciar, com antece-dência, materiais para a realização dos experimentos.Se for possível, realize a atividade em grupos. Casonão disponha de material suficiente, destaque jovenspara a demonstração de cada experimento e atribuaaos demais a responsabilidade de observar e descre-ver o que ocorre.

1 Com o uso de uma pilha e uma lâmpada de lanternade 1,5 V, monte o circuito de teste descrito na figura 4.Utilizando-o entre as extremidades A e B, teste diversosmateriais para ver se são condutores ou isolantes.Registre os resultados obtidos para posterior relato aogrande grupo.

Resultado esperado: Que a lâmpada acenda quan-do o material for condutor e se mantenha apagadaquando o material for isolante.

2 Utilizando o circuito do experimento 1, um recipientecom água e umas três colheres de sal, proceda con-forme a indicação:

1º Introduza as extremidades A e B na água e verifique oque acontece. Registre o achado em uma folha síntese.

2º Acrescente, aos poucos,sal na água. Registre oachado em uma folhasíntese.

3º Compare os seus achadosdurante o processo deadição de sal com o re-gistro inicial e infira umaexplicação para o expe-rimento. Registre-a na folha síntese.

Resultado esperado: Somente com a água, a lâm-pada não deve acender; porém, à medida que o sal foradicionado à água, ela vai acendendo cada vez commaior intensidade.

lâmpada

ponto de teste

pilha

A

B

Passo 2 / Atividade prática

15min

Sempre existe, na água potável, algum ácido ou sal dissolvido, por isso o perigo de

choque elétrico é maior na presença de água.

Fig. 4


Inicie o tratamento deste conteúdo propondo aos jo-vens que reflitam a propósito do “modelo de gara-gem”, apresentado pelo físico Shockley a respeito dafísica quântica no texto de apoio, sem fazer, a prin-cípio, referência aos termos e conceitos específicos.

Se possível, repita a experimentação concretamente,com carrinhos de brinquedo, ou com reprodução/recor-tes a serem arranjados em diferentes andares de umagaragem. Nesse caso, providencie cópias para que osgrupos recortem os carros/a garagem.

Conduza-os a repetirem cada etapa do experimento,inferindo e registrando as conclusões quanto à facili-dade de movimentação entre dois andares.

Passo 3 / Experimento

10min

Educador, visando facilitar a reprodução desse con-teúdo para os jovens, o texto de referência destaaula encontra-se em anexo.

Semicondutores


10min

Na seqüência, introduza o conteúdo “Semicondutores”,estabelecendo a relação entre o que experimentaram eo conteúdo específico.

Reproduza em lâminas as figuras 5 a 11 do texto com-plementar anexo. À medida que for expondo, recorraàs anotações dos jovens.

9

Apresente alguns semicondutores aos jovens, de prefe-rência diodos de sinal ou retificadores, a serem testadoscom o circuito do experimento 1. Peça que verifiquem apassagem da corrente nos sentidos direto e inverso e re-gistrem o seus achados, procurando explicar o que ocorre.

Resultado esperado: que no sentido direto acendaa lâmpada e no inverso não, graças à passagem da cor-rente elétrica.

1 a 8


20min


Semicondutores

Os semicondutores são materiais que, a temperaturas próximas do zero absoluto, se comportamda mesma maneira que os isolantes, isto é, têm seus elétrons na última camada, ou elétrons de va-lência, firmemente ligados a seus átomos de origem. Devido à estrutura cristalina desses materiais,suas camadas de valência se encontram preenchidas. No entanto, quando a temperatura começaa subir, alguns elétrons "pulam" para a camada seguinte, ficando livres. O material, então, passaa conduzir a eletricidade, através de dois tipos de portadores, os elétrons livres e as lacunas.

Fig. 5 – Estrutura cristalina do silício (semicondutor). As esferas grandes são ascarcaças atômicas, as esferaspequenas representam oselétrons de valência.

Lacunas são os espaços deixados pelos elétrons que ascenderam de camada. No modelo mentala ser elaborado para representar este fenômeno, a corrente é fruto do movimento dessesespaços na rede cristalina.

Para compreender estes modelos que provêm da física quântica, é importante lançar mão deanalogias, como o modelo da garagem do físico Shockley1. Nele, os elétrons de valência fixossão representados por carros estacionados no andar de baixo de uma garagem, e os elétronslivres da banda de condução são os carros no andar imediatamente superior. A banda devalência de um semicondutor ou isolante à temperatura muito baixa é representada por umandar inferior totalmente ocupado por automóveis, e um andar superior vazio que corres-ponde à banda de condução. No andar de baixo, não há nenhum movimento porque estálotado; no andar de cima, também não há movimento pela ausência de automóveis.

Fig. 6 – A estrutura do silícioà baixa temperatura em umarepresentação é bidimensional.

Núcleo de um átomo de um

semicondutor, representando os

elétrons internos (carcaça atômica)

Elétron de valência

Fig. 7 – Modelo da garagempara isolantes e semicondutoresa temperaturas muito baixas.

Andar de cima

Andar de baixo

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1 William Bradford Schockley (1910-1989) – Físico nascido em Londres em 1910. Discípulo de John Slater, um dospioneiros da Mecânica Quântica. Torna-se doutor em Física em 1936, pelo Instituto Tecnológico deMassachussets, logo após iniciar suas pesquisas sobre a Física do Estado.

Elétrons de valência – São os elétrons da última camada, os que podem participar de reações químicas.Carcaças atômicas – É o que sobra do átomo quando se remove a sua última camada de elétrons, é a partedo átomo que não participa das reações químicas. Física quântica – Conjunto de princípios físicos que descrevem o comportamento das partículas subatômicas,por meio de interpretações que contrariam os postulados da mecânica clássica. Silício – Elemento químico amplamente utilizado em sua forma cristalina por suas propriedades semicondutoras.


Alfr

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Quando um carro é elevado ao andar de cima, através de um aumento de temperatura, torna-se possível o movimento de carros em cima e embaixo.

Até agora, só foi analisada a condutividade intrínseca do semicondutor, devida à excitação tér-mica, mas há também uma condutividade provocada pela introdução de substâncias estranhas narede cristalina do semicondutor. O acréscimo proposital de impurezas denomina-se dopagem.Para a dopagem dos cristais de silício e germânio, são especialmente adequados os elementosquímicos dos grupos III e V da tabela periódica.

Em vista disso, são acrescidos conceitos relativos aos elementos doadores ou aceitadores. Osdoadores são do grupo V e os aceitadores são do grupo III.

Quando se dopa um cristal semicondutor com fósforo, por exemplo, que é do grupo V, oselétrons de valência, que no fósforo são cinco, participam como antes da ligação dupla com osátomos de silício vizinhos. Porém, para essa ligação, só são necessários quatro elétrons, logosobra um. Nesse caso, porém, não se origina lacuna alguma, porque não falta elétron nas liga-ções de valência com os átomos de silício. Somente o número de elétrons livres se eleva. Comoos elétrons são os responsáveis pela condutividade, diz-se que o silício assim dopado é do tipo N.

Quando é introduzido um elemento do grupo III, como o alumínio, por exemplo, que possuiapenas três elétrons na camada externa, uma ligação de valência fica necessariamenteincompleta. Faltam elétrons numa ligação dupla ou, em outras palavras, origina-se uma lacuna.

Fig. 8 – Estrutura cristalina do silícioao sofrer o desprendimento de umelétron para a banda de conduçãodevido à variação de temperatura.

Fig. 9 – Modelo da garagem paraum semicondutor que sofreu

elevação de temperatura.

Andar de cima

Andar de baixo

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Fig. 10 – Introdução de um átomo de fósforo na rede cristalina do silício

e no modelo da garagem.

movimento de elétrons através do material

tipo N

impurezas

Condutividade intrínseca – Termo técnico para a capacidade natural de o cristal conduzir eletricidade.Germânio – Elemento químico amplamente utilizado em sua forma cristalina por suas propriedades semicondutoras.Tabela periódica – Tabela em que os elementos químicos são organizados em linhas, que correspondem aosperíodos, e colunas, que formam os grupos.

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Uma ligação dupla incompleta, provocada por um átomo de apenas três elétrons de valência,só pode ser completada por um elétron de uma ligação vizinha se esse elétron receberenergia. Portanto, a falha da ligação dupla (lacuna) estará sempre mudando de lugar no cristalsilício. Pode-se, então, raciocinar da mesma forma que no caso do elétron excedente. A lacunaestá fracamente ligada ao átomo de alumínio, tornando-se livre, isto é, podendo se moverlivremente na estrutura do silício. Convém salientar que a lacuna representa a falta de umelétron, portanto, na rede cristalina, existirá um excesso de cargas positivas, e é possível com-parar o movimento da lacuna como o movimento de uma carga positiva. Sendo assim, estetipo de dopagem origina um semicondutor do tipo P.

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Fun

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Fig . 11 – Introdução de umátomo de alumínio na redede silício, representado comoausência de elétron ou pre-sença de lacuna e o modeloda garagem.

Da junção física de semicondutores do tipo P e do tipo N, surgem os diferentes tipos de compo-nentes semicondutores. Eles são a base da eletrônica contemporânea. Convém, portanto, obser-var o que ocorre exatamente no ponto de junção.

Um semicondutor é construído com duas metades de tipos diferentes, uma N e a outra P. Se,de um lado, existe a mesma quantidade de elétrons livres que de lacunas do outro lado,imediatamente o semicondutor, como um todo, ficará neutro, pois os elétrons livres e aslacunas inverterão suas posições em torno do limite PN. Esta região, chamada de zona de car-ga espacial, região de transição, região de barreira de potencial ou região de cargas desco-bertas, possui um potencial próprio da ordem de 0,6V para o silício e 0,2V para o germânio.

Fig .12 – À esquerda, junção com polarização direta. À direita, junção com polarização inversa.

lacunas carregadas positivamente

tipo P

impurezas

Zona de carga espacial

+++++++

---------------------

Região P Região N+ ---

Zona de carga espacial

Região P Região N+

---

---

---

------

------

---

---

---

---

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

A junção terá uma propriedade elétrica bastante interessante: permitirá a passagem

da corrente elétrica em um sentido e a bloqueará no sentido oposto. Convém salientar

que é necessária uma fonte de tensão de potencial maior do que o potencial da zona

de carga espacial para que exista a passagem de corrente no sentido direto.


Evolução da eletrônica a partir dos semicondutores

Os semicondutores representam um avanço na área de eletrônica. Antes deles, existiam asválvulas eletrônicas, que eram dispositivos com vida útil bastante reduzida.

Os semicondutores são dispositivos em estado sólido, isto é, não têm peças móveis nem fila-mentos que devam ser aquecidos. São bastante resistentes a impactos, funcionam relati-vamente bem nas diversas temperaturas possíveis na terra, são muito pequenos, despendempouca matéria-prima em sua fabricação e, quando são produzidos em larga escala, têm umcusto bastante reduzido.

Os semicondutores representaram uma verdadeira revolução da eletrônica, pois os equipa-mentos, que eram pesados, caros e sensíveis, passaram a ser leves e robustos. Graças a eles,foram criados desde rádios portáteis até controles eletrônicos na aviação. O desenvolvimentodo projeto espacial, tanto russo quanto americano, alicerçou-se nessa nova tecnologia. Suaprodução de maneira intensiva acelerou a modernização, trazendo conseqüências impor-tantes, seja em equipamentos de uso doméstico, na educação, na indústria, na informação, nasartes, na medicina, na engenharia, nos esportes.

Nos dias de hoje, é impensável a existência de circuitos eletrônicos não baseados em semicon-dutores. Estes, inclusive, podem ser utilizados para a geração de energia a partir de luz solare também servem como elemento de refrigeração, permitindo a construção de refrigeradoresem estado sólido.

Válvulas eletrônicas – Dispositivo que consiste em dois ou mais eletrodos, mantido em ambiente fechado, totalou parcialmente evacuado, isto é, sem ar (gases). Entre estes eletrodos, circulam correntes elétricas con-troláveis pela excitação externa de um ou mais de um deles.

Fig .13 – Válvulas eletrônicas.

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Nesta aula serão abordados os diodos: conceitos

fundamentais, função nos circuitos, tipos e iden-

tificação, símbolo gráfico, polarização e curva

característica.

Segunda Aula


50min

10 a 13

Diodos

Educador, prepare lâminas com a representaçãodas figuras do texto anexo, com vistas a tornar suaexposição mais clara. Antes de iniciá-la, sugira aosjovens que anotem: O que são? Para que servem? O queos diferencia? Ao final, você poderá oferecer as pági-nas relativas a esta aula reproduzidas em xerox, demodo a serem confrontadas com as anotações pes-soais e constituírem fonte de consulta para osexercícios.

Como já foi visto, a polarização direta permite que o diodo conduza facilmente, ofe-

recendo uma resistência baixa. No caso de uma polarização inversa, o diodo oferece

uma alta resistência à passagem da corrente elétrica.

Diodos

Os diodos são compostos por uma únicajunção PN, devidamente acondicionada emum invólucro resinoso, vítreo ou metálico.São chamados de diodos por possuírem doisterminais ou eletrodos. Podem ser de váriostipos: diodo Retificador, diodo Zener, diodoemissor de luz (led), diodo de contato deponta (diodo sinal), entre outros.

No caso da polarização direta, variando-se a tensão aplicada ao diodo e medindo-se, aomesmo tempo, em um voltímetro e em um amperímetro conectados (conforme o item (a) dafigura 15) no circuito, é possível verificar a tensão nele aplicada e a corrente que circula, bemcomo levantar experimentalmente a curva que traduz a corrente i em função da tensão v,como mostra o item (b) da figura 15. Esta é a curva característica do diodo.

Fig. 15 – À esquerda, junção com polarização direta. À direita, junção com polarização inversa .

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Fig. 16 – À esquerda,circuito para levantar acurva característica de

um diodo; à direita,curva característica de

um diodo de silício (polarização direta).

a b

Esta curva é típica do diodo junção. Ela varia de um tipo para outro nos seus valores de tensãoe corrente, mas sua forma básica se mantém sempre a mesma.

A retomada da mesma experiência com a polarização inversa apresentará curvas cujos valoresnegativos da corrente e da tensão indicam a polarização inversa, isto é, uma tensão maior noterminal N do que no terminal P, e uma corrente circulando no sentido inverso do primeirocaso. A intensidade dessa corrente é inicialmente muito baixa, por isso utiliza-se um microam-perímetro para a medição das correntes. A curva característica levantada estará traçada noterceiro quadrante. O aspecto da curva é mais ou menos o mesmo para todos os tipos dediodo, mas os valores para cada diodo variam.

Fig. 14 – Invólucros típicos de diodos comerciais.

Gia

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Fig

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Terceiro quadrante – A terceira das quatro partes centradas em que se pode dividir igualmente um círculo.

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voltímetro

amperímetro

150

100

50

0

0 0,5 1 1,5 2 1,5

I (mA)

V (mV)

Nas curvas abaixo, observa-se que, inicialmente, a corrente inversa é praticamente nula, mas,a partir de um dado valor de tensão, se intensifica abruptamente. Este valor, marcado comoVZ, é chamado de tensão Zener ou tensão de ruptura, pois é onde se inicia o efeito chamadoavalanche, que destrói os outros tipos de diodo, do qual trataremos adiante.

A reunião das curvas de polarização direta e polarização inversa resultam na curva carac-terística completa de um diodo, como na figura a seguir.

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Fig. 18 – Curvas características de umdiodo de germânio (àesquerda) e um diodo de silício (à direita).

Fig. 19 – Curva característicacompleta de um diodo de silício.A grandeza tensão elétrica estárepresentada em volts à esquerdae em milivolts à direita.

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Fig. 17 – Circuito paralevantar a curva característicade um diodo (polarizaçãoinversa).

Diodo retificador

O diodo retificador é um dispositivo semicon-

dutor que possui uma única junção PN, porém

é construído para suportar uma razoável cor-

rente direta e resistir a uma considerável

tensão reversa.

Fig. 20 – Símbolo de um diodo retificador.

Voltímetro

Microamperímetro

P N

v

i

Catodo (região N)

Anodo (região P)



O diodo retificador é utilizado para retificar a tensão alternada, isto é, torná-la contínua, oque faz com que a tensão alternada fique somente com semiciclos positivos.

Um circuito retificador elementar é constituído de um transformador, um diodo retificador eum resistor de carga, como mostra a figura 20.

Os níveis de tensão na entrada do circuito, sobre o diodo e sobre a carga, ao longo do tempo,são representados de forma diferente. Observa-se que, enquanto a carga recebe todo opotencial, praticamente nada é aplicado sobre o diodo e vice-versa.

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Fig. 21 – Circuito retificadorde meia onda.

Fig. 22 – Tensão nos diversos pontos do circuito.

Comprimento de onda – À distância entre pontos de mesma fase em pulsos sucessivos de uma ondadenomina-se comprimento de onda.

Diodo Zener

Quando uma junção PN é exposta a uma diferença de potencial muito grande de maneira inversa,a barreira de potencial, que impede a condução de corrente elétrica, se rompe num fenômenochamado avalanche.

O diodo Zener é constituído de tal forma que opera sem problemas por avalanche,

com níveis de tensão inversa definidos pelo fabricante.

Tensão na entrada do circuito

Tensão sobre o resistor de carga do circuito

Tensão sobre o diodo retificador

Catodo (região N)

Anodo (região P)

Fig. 23 – Símbolos do Diodo Zener.


Uma característica importante do Diodo Zener é que a tensão inversa, aplicada sobre seusterminais, se mantém constante no valor Zener, possibilitando a sua aplicabilidade na regu-lação de níveis de tensão.

A curva característica de um diodo Zener é semelhante à curva genérica do diodo. Este normal-mente opera com tensão inversa nas proximidades da tensão Zener, que o fabricante definecom tolerâncias de fabricação que podem ser de 10%, 5%, 1%, ou ainda menores, depen-dendo do tipo de aplicação e da tecnologia empregada na sua fabricação.

No circuito a seguir, o diodo Zener é utilizado como proteção de sobrecarga, especialmentenos casos em que é difícil dimensionar o fusível para que seja interrompido o circuito no casode uma sobrecarga e, ao mesmo tempo, não se rompa quando operado continuamente novalor máximo de corrente. O fusível está afastado do ponto de fusão, quando o circuito operano valor máximo de corrente (conceitos já estudados na disciplina Eletricidade e MedidasElétricas) e foi colocado em paralelo com a carga um diodo Zener, com tensão um poucosuperior à tensão máxima permitida para carga. Havendo um surto de voltagem, essa tensãoé ultrapassada, atinge a tensão Zener e o diodo Zener oferece uma resistência muito menorque a carga. A corrente aumenta muito e funde o fusível, que abre o circuito.

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Fig. 24 – Alguns tiposdiversos de diodos Zener.

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Fig. 25 – Diodo Zener em proteção de circuitos.

Surto (de tensão) – Aumento do nível de tensão que pode provocar danos a uma carga.

FusívelResistência

de proteção

Diodo

Zener

Carga


Diodo de contato de ponta (diodo sinal)

O diodo sinal é um semicondutor que não se baseia no princípio da formação de uma junçãoPN, mas na utilização de um contato de material condutor (ouro ou platina, sobre uma fatiade material semicondutor, como germânio ou silício). Este contato tem propriedades de umretificador. É como se, no ponto de contato, houvesse a formação de uma pequeníssimajunção PN, embora o mecanismo real do fenômeno ainda não esteja bem esclarecido. O diodode contato de ponta é mais antigo que o diodo de junção, mas foi suplantado pelo último,devido às suas qualidades superiores, como maior capacidade de corrente, maior tensãoinversa, maior reprodutibilidade, maior robustez.

Diodo emissor de luz (LED)

A luz emitida por um diodo pode ser verde, amarela, vermelha ou azul, dependendo da cons-trução. Existem também LED's de luz infravermelha e laser. Os LED's são protegidos com umaresistência em série que limita a corrente que circula sobre ele.As fontes de luz de estado sólido (LED's) apresentam algumas vantagens quando comparadascom lâmpadas incandescentes:

a) são resistentes às vibrações;b) não apresentam corrente de "surge" (pico de corrente quando a lâmpada é ligada na

primeira vez, por apresentar o filamento frio);c) têm alta eficiência e baixo consumo de corrente;d) possuem baixa dissipação de potência, podendo ser usadas em atmosfera explosiva;e) têm vida mais longa.

O diodo sinal possui um melhor desempenho nas altas freqüências, razão pela qual

ainda é usado largamente.

O símbolo deste diodo é o mesmo do diodo retificador, e a sua curva característica

também é bastante parecida.

Fig. 26 – Vista em corte de um diodo sinal.

O LED (light emissor diode) é um diodo que emite luz quando polarizado direta-

mente, ou seja, quando o anodo está positivo em relação ao catodo.

Anodo – Eletrodo positivo terminal pelo qual a corrente de uma fonte de energia elétrica entra num eletrólito,tubo de gás ou válvula termo-iônica, e ao qual se dirigem os íons negativos ou ânions.Catodo – Denominação do pólo negativo de uma pilha ou gerador. Eletrodo de onde partem elétrons ou íonsnegativos, ou para onde se dirigem os íons positivos.Luz infravermelha – Região do espectro eletromagnético de comprimento de onda maior que a da luzvermelha. Descoberta em 1800, pelo astrônomo inglês William Herschel.Laser – Qualquer aparelho que produza radiação eletromagnética monocromática e coerente nas regiões visível,infravermelha ou ultravioleta.

Fig. 27 – Vista ampliadade um led e seu

respectivo símbolo.Invólucro mais comum

Símbolo do LED


Educador, este conteúdo pode ser explicado porvocê, com o apoio de ilustrações, ou os jovens podemmanusear diferentes transistores, enquanto você osapresenta detalhadamente. Em qualquer dos casos,solicite que anotem as características básicas de cadatransistor e, se desejar, reproduza em xerox as pági-nas relativas a esta aula a fim de que possam arquivaras informações recebidas.

Nesta aula, serão abordados os transistores: con-

ceitos fundamentais, tipos e identificação, sím-

bolo gráfico, polarização e curva característica.

Terceira Aula


25min

Transistores

Transistores

Os transistores também são aplicações diretas da tecnologia dos semicondutores, utilizandoas junções PN, sempre aos pares.

Ao inserir-se um semicondutor do tipo P entre dois semicondutores do tipo N, como se fosseum sanduíche, obtém-se um transistor do tipo NPN. O cristal do meio precisa ter uma espes-sura muito pequena, da ordem de 1 milésimo de cm. Ele é chamado base e os outros doissão o emissor e o coletor.

Na figura 29, pela forma como se encontra polarizado o transistor, a corrente pode fluir nor-malmente no lado esquerdo, porque o potencial na base é superior ao potencial do emissor.Nessa situação, a junção permite que a maior parte dos elétrons que chegou à base através doemissor prossiga através dela por inércia e penetre no coletor, onde passam a ser atraídos peloeletrodo positivo. Essa migração de elétrons é possível porque a espessura da base é muitopequena. Na figura à direita, é possível observar que a variação da corrente de base provoca umaproporcional variação na corrente, muito maior, entre emissor e coletor.

Na figura a seguir, aparecem as curvas características de um transistor. Nesse diagrama, ascurvas em vermelho referem-se a diferentes intensidades da corrente da base (ib). Fixando umvalor para a diferença de potencial entre o emissor e o coletor (Vce) e escolhendo um valorpara corrente da base (ib), isto é, escolhendo uma das curvas do diagrama, é possível encon-trar-se o valor da corrente do coletor (ic). Por exemplo: se Vce é 1,4 V e ib é igual a 0,2 mA, ic seráaproximadamente igual a 50 mA. Um pequeno aumentoda corrente da base, o que é o mesmo que passar de umacurva para outra acima, provocará um aumento consi-derável da corrente do coletor.

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Fig. 28 – A figura apresenta um

transistor NPN.

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Fig. 29 – Esquema de condução de

um transistor.

Fig. 30 – Curva característicade um transistor NPN.

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coletor

Pjunçãu PNP

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Pbaixofluxo decorrente

emissor

lacunas majoritáriaseletrons majoritários

O transistor se comporta, portanto, como amplificador de corrente. Através de pequeníssimasvariações de corrente na base, é possível controlar o fluxo de corrente entre emissor e coletor,que é muito mais intensa. Quando a corrente de base for muito pequena, a corrente entreemissor e coletor se torna quase igual a zero. O transistor, nessas condições, se comporta comose fosse um interruptor.

Tanto o transistor NPN quanto o transistor PNP têm o mesmo princípio de funcionamento eos mesmos processos de construção.

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Fig. 31 – Transistores em uma placa de circuito impresso.

Os transistores emoldurados apresentam dissipadores de calor instalados, enquanto que, noscirculados, esse procedimento não se faz necessário. Os dissipadores de calor servem parareduzir a temperatura do transistor, evitando o colapso térmico.

Os transistores são identificados conforme os símbolos que seguem:

C

B B

C

EEPNPNPN

Fig. 32 – Símbolos do transistor.Estão indicados, abreviadamente,os nomes dos terminais.

Transistores especiaisOs transistores bipolares se baseiam em dois tipos de cargas: lacunas e elétrons, e são utili-zados amplamente em circuitos lineares.

No entanto, existem aplicações nas quais os transistores unipolares, com a sua alta impedânciade entrada, constituem uma alternativa melhor. Este tipo de transistor depende de um só tipode carga, daí o nome unipolar. Há dois tipos básicos: os transistores de efeito de campo de

junção (JFET – Junction field effect transistor) e os transistores de efeito de campo de óxido

metálico (MOSFET).

Resumindo, um transistor pode amplificar ou interromper uma corrente, conforme a

intensidade da corrente fornecida à sua base.

Impedância – É a dificuldade que os dispositivos eletrônicos apresentam para a passagem de correntealternada ou pulsante. Está relacionada à freqüência desta corrente.



Nos transistore unipolares, a condução se dá pela passagem de portadores de carga da fonte(S – Source) para o dreno (D), através do canal entre os elementos da porta (G – Gate). O tran-sistor pode ser um dispositivo com canal n (condução por elétrons) ou com canal p (conduçãopor lacunas). Tudo que for dito sobre o dispositivo com canal n se aplica ao com canal p, comsinais opostos de tensão e corrente.

O FET de óxido de semicondutor e metal , MOSFET, tem uma fonte, uma porta e um dreno. Adiferença básica em relação ao JFET é a porta isolada eletricamente do canal. Por isso, acorrente de porta é extremamente pequena, para qualquer tensão positiva ou negativa.

O substrato, em geral, é conectado à fonte pelo fabricante, Em algumas aplicações, o subs-trato também é usado para controlar a corrente de dreno. Neste caso, o encapsulamento temquatro terminais.

Os elétrons livres podem fluir da fonte para o dreno através do material n. A região p é cha-mada de substrato, e cria um estreitamento para a passagem dos elétrons livres da fonte aodreno.

Fig. 33 – Estrutura e símbolode um transistor de efeito

de campo de junção,ou simplesmente JFET.

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A fina camada de dióxido de silício (SiO2), que é um isolante, impede a passagem de correnteda porta para o material n.

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Fig. 34 – Mostra um MOSFETde modo depleção canal n e

o seu símbolo.

Depleção – Termo técnico para estreitamento ou esvaziamento em canal de passagem de elétrons em transis-tores especiais.

Dreno

Porta Porta

Fonte

Fonte

Dreno

Fonte

Fonte

Dreno

Dreno

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Porta Substrato G

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Tensão ColetorEmissor VCE (Volts)

0,20,40,41,00,60,8

Corrente de Baseib (mA)

0,10,70,150,350,70,3

Corrente do ColetorIC (mA)

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Passo 2 / Exercícios práticos

25min

1 Em grupos, monte o circuito da figura 15 e levante acurva característica do diodo fornecido.Resultado esperado: que no sentido direto acen-da a lâmpada e no inverso não, graças à passagemda corrente elétrica

2 Complete o quadro abaixo, tendo como base a curvacaracterística do transistor mostrado na figura 16:

Resultado esperado (valores aproximados):

Tensão ColetorEmissor VCE (Volts)

0,2

0,4

0,60,8

Corrente de Baseib (mA)

0,70,150,35

0,3

Corrente do ColetorIC (mA)

1080

7090

3 Com o auxílio do educador e em grupos, monte o cir-cuito da figura 21 e, com o uso de osciloscópio, faça aconfirmação visual das formas de ondas previstas nafigura 22. Se o osciloscópio for de duplo traço, poderãoser observadas as tensões sobre a carga e o diodosimultaneamente.Resultado esperado: compare os resultados obser-vados com a figura 22.

Educador, sugere-se, como atividade de revisão e/oureforço, os exercícios 1 a 16. A atividade pode serdesenvolvida em duplas ou individualmente e poderátambém constituir um elemento para a avaliação dasaprendizagens dos jovens.


2 Circuitos Integrados

Este capítulo apresenta conteúdos relativos a circuitos integrados, sua história e as

possibilidades da eletrônica com seu uso, bem como exemplos de aplicação, compo-

nentes e grandezas envolvidas e/ou materiais disponíveis no comércio.

Será necessário retomar alguns conceitos do capítulo anterior, tais como transistores

e diodos, que subsidiarão a formação das competências a serem trabalhadas.

Conhecer circuitos integrados;

Identificar os diferentes tipos de encapsulamento;

Diferenciar circuitos integrados lineares e digitais;

Compreender, em nível geral, o funcionamento dos circuitos integrados.

Objetivos


Circuitos integrados

Proponha aos jovens uma leitura prévia do texto deapoio e o destaque de aspectos que respondam às se-guintes questões:

O que se entende por microeletrônica? Para que serve um circuito integrado? Quais são seus componentes? Que diferencial eles impõem à indústria contempo-

rânea e à vida prática em geral?

Após, realize a apresentação desses conteúdos em umaaula expositiva dialogada.

Nesta aula será estudada, de um ponto de vista

histórico, a microeletrônica e seus componentes.

Primeira Aula

Passo 1 / Aula expositivo-dialogada

30min

17-21

Microeletrônica Designação genérica de processos e téc-nicas de investigação que envolvem cir-cuitos de estado sólido miniaturizados.


Circuitos integrados

O advento da microeletrônica foi um dos mais notáveis avanços tecnológicos no campo daeletrônica, desenvolvido a partir das necessidades do programa espacial americano comrelação a peso, dimensões, potência consumida e confiabilidade. As restrições impostas nestescasos eram impossíveis de serem satisfeitas com circuitos convencionais, que usam compo-nentes discretos. Por isso, na década de 1960, uma nova técnica eletrônica, o circuito integrado(CI), começou a ser utilizado em equipamentos eletrônicos complexos. Embora constitua umaunidade, um circuito integrado in-corpora numerosos componentes,incluindo transistores, resistores,capacitores e indutores e combina-se com outros componentes paraformar um sistema mais complexo.

É produzido mediante a difusão de impurezasem silício monocristalino, que serve como ma-terial semicondutor, ou mediante a soldadurado silício com um raio de fluxo de elétrons.Centenas de circuitos integrados idênticos sãofabricados simultaneamente sobre uma áreade poucos centímetros de diâmetro.

Em seguida, essa peça é dividida em circuitos integrados individuais, denominados chips. Aintegração em maior escala pode produzir um chip de silício com milhões de elementos. Parainterconectá-los com outros circuitos ou componentes, os chips são montados em cápsulas quecontêm condutores elétricos externos. Desta forma, é facilitada sua inserção em placas.

Microeletrônica – Designação genérica de processos e técnicas de investigação que envolvem circuitos deestado sólido miniaturizados.Discretos, componentes – São os componentes eletrônicos encapsulados unitariamente. Por exemplo: um diodo,ou um transistor.

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Fig. 3 – Chip separado e soldado e aparência externa do circuito integrado.

Fig. 2 – Chips antes da separação.

Fig. 1 – Diversoscircuitos integrados.


Durante os últimos anos, a capacidade funcional dos circuitos integrados tem aumentadomuito, e o custo das funções que realizam tem diminuído. Isto vem produzindo mudançasrevolucionárias na fabricação de equipamentos eletrônicos, que ganham em capacidadefuncional e em confiabilidade. Também o tamanho dos equipamentos vem sendo reduzido, ea complexidade física, bem como seu consumo de energia têm diminuido. A tecnologia doscomputadores tem-se beneficiado especialmente de tudo isso. Um computador da década desessenta ocupava o espaço de várias salas e tinha um custo tão alto que só podia ser adquiridopor empresas. Atualmente, computadores centenas de vezes mais poderosos que aqueles sãodo tamanho de um caderno e podem ser adquiridos para uso doméstico.

Fig. 4 – Diagrama de um único chip linear simples.

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2

3


Os circuitos integrados são muito úteis para odesenvolvimento de novos produtos, como cal-culadoras pessoais, relógios digitais e videogames.Sua utilização melhora e baixa o custo de produtosexistentes, como os televisores, os receptores derádio e os equipamentos de som.

Fig. 5 – Este microchip possui milhões de transistores.

Um desenvolvimento natural do circuito integrado foi a produção, na década de 1970, de circui-tos integrados de média, larga e muito larga escala (MSI – Midi Scale Integration, LSI Large Scale

Integration e VLSI – Very Large Scale Integration ), que permitiu a construção de computadorescompactos.

O microprocessador, que começou a ser utilizado em meados da década de 1970, é um refina-mento da LSI. Como resultado da miniaturização, o microprocessador incorpora em um únicochip todos os circuitos necessários para o processamento e, ligado às memórias, entradas e saídas,constitui um microcomputador. Ele desenvolve a mesma potência da unidade de processamen-

to central de um computador muito maior, emum microcomputador alimentado por bateria.

Sem os circuitos integrados, os circuitos indi-viduais e seus componentes ocupariam muitoespaço, o que tornaria impossível serem com-pactos. Nos menores, os elementos do circuitopodem ter o tamanho de apenas umas cen-tenas de átomos. Uma placa de circuitos decomputador típica inclui numerosos circuitosintegrados interconectados entre si.

Fig. 6 – Exemplo de placa com circuitos integrados.

A maioria dos circuitos integrados são pequenas pastilhas de silício, os chips, com áreas tãopequenas como 2 mm2, dentro das quais são fabricados os transistores através de dopagem deimpurezas no semicondutor.

Os microprocessadores, que também são circuitos integrados, são também conhecidos comomicrochips ou chips, circuitos eletrônicos complexos formados por componentes extrema-mente pequenos. A tecnologia dos microprocessadores e da fabricação de circuitos integradosestá mudando rapidamente. Atualmente, os microprocessadores mais complexos contêm uns10 milhões de transistores. Prevê-se que, ainda na primeira década do século XXI, os micro-

processadores avançados conterão mais de 50 mi-lhões de transistores, e uns 800 milhões na segundadécada. O microprocessador Pentium 4, lançado emnovembro de 2000, contém 42 milhões de transis-tores, quatro vezes mais que o Pentium 3, com 9,5milhões.

Fig. 7 – Microprocessador Pentium – O microprocessadorPentium, fabricado pela Intel Corporation, pode tornar maislentas ou desligar algumas partes de seus circuitos quando nãosão necessárias, com o que economiza energia.

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Identificando circuitos integrados

Em placas eletrônicas fornecidas, solicite aos jovens queidentifiquem os circuitos integrados e façam uma listacom seus códigos e número de terminais.

Os jovens encontrarão uma grande quantidade detipos de circuitos integrados a partir das figuras vistasaté aqui. Quanto aos códigos, perceberão que há muitomais informação impressa no chip. As informações sereferem a lotes, upgrades e datas de fabricação (porexemplo: normalmente uma referência do tipo 9643,se refere à fabricação na 43ª semana de 1996). Emboranão sejam informações úteis para usuários em geral,elas são importantes para o fabricante rastrear o uso ea durabilidade dos circuitos, tornando possível, porexemplo, determinar problemas em lotes de compo-nentes e tomar providências quanto a sua solução.


20min

Circuitos integrados comerciais

Comercialmente existem vários tipos de circuitos inte-grados, milhares e até mesmo, dezenas de milhares decomponentes diversos. Cada um possui, pelo menos, doistipos de encapsulamento diferentes.

Nesta aula serão estudados os diferentes tipos de

circuitos integrados, de acordo com o seu encap-

sulamento.

Segunda Aula


20min

Fig. 8 – Encapsulamentotípico de CI's digitais: ummesmo chip com trêsencapsulamentos diferentes.

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Educador, a reprodução das figuras dessa parte daaula ou o exame de circuitos integrados dará maisdinamismo a sua exposição.


Cerâmina

16

Plástico

16 20

Os chips mais utilizados são aqueles que apresentammelhor relação custo benefício para a empresa, levan-do em consideração a tecnologia da fábrica que o utili-za. Fábricas de pequeno porte optam por componentespara inserção manual através de orifício; já as empresasde alta tecnologia optam por componentes de monta-gem de superfície. Dependendo das quantidades envol-vidas, os custos podem ser favoráveis para uma ou outratecnologia.

Fig. 9 – Encapsulamentotípico de chips lineares de

potência.

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Basicamente, existem duas famílias de circuitos integra-dos: os circuitos digitais e os circuitos lineares. Cada fa-mília, por sua vez, se divide em outras duas. Os circuitosintegrados digitais podem ser TTL (Transistor Transistor

Logic ou lógica transistor-transistor) ou CMOS (Comple-

mentary Metal Oxide Semiconductor ou semicondutormetal óxido complementar), enquanto que os linearespodem ser simples ou de potência.

Os circuitos digitais utilizam a lógica binária, servempara circuitos de controle ou informática, trabalham ba-sicamente com zero e um, ou seja, com níveis de ener-gia alto e baixo. São ainda agrupados em TTL e CMOS.Os componentes TTL são mais rápidos e trabalham comníveis de energia mais altos, enquanto os CMOS têmcomo principais vantagens o baixo consumo de energiae os níveis de tensão de trabalho mais flexíveis.

Fig.10 – Diagrama esquemático das portas lógicas de um CI 74ls00, e sua tabela verdade.

Mem

ory

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H = Nível lógico ALTOL = Nível lógico BAIXO

Diagrama esquemático Tabela Verdade


Os circuitos integrados lineares são aqueles que subs-tituem um conjunto de componentes discretos em umatarefa específica, como, por exemplo, amplificadoresde áudio, sintonizadores de rádio, relógios, circuitoscompletos de telefonia celular, calculadoras, controla-dores diversos. Sempre que uma tarefa é feita por umcircuito discreto e é uma parte importante e maciça-mente utilizada por outros circuitos, este pode serintegrado, principalmente para baixar custos e minia-turizar equipamentos. Podem ser agrupados em simples(aqueles que trabalham com baixa potência e podemser encapsulados em qualquer padrão) e os de potên-cia, que se caracterizam por dissiparem muito calor eexigirem encapsulamentos que privilegiem a troca decalor, para impedir o superaquecimento do circuitointegrado, o que ocasionaria a sua fusão e destruição.

O encapsulamento mais comum é o DIP (Dual In-Line

Package, pacote duplo em linha), que certamente serásuperado pelo padrão SMD, uma vez que as maiores em-presas de tecnologia mundial têm preferido este padrão.

Discretos, componentes São os componentes eletrônicos encap-sulados unitariamente. Por exemplo: umdiodo, ou um transistor.DIP Dual In-Line Package (pacote duplo emlinha), uma norma para o encapsu-lamento de circuitos integrados.SMD Surface Montain Device – Componentede montagem em superfície. Tipo deencapsulamento de circuitos integrados.PTH Placed Through Hole,. (Componentepreso por furo)componente mais co-mum, possui leads (condutores ou "per-nas") que são introduzidas em orifíciopara posterior soldagem.

22 a 25

Fig. 11 – Chips SMD junto a alguns componentes discretos.

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30min

Educador, providencie antecipadamente os mate-riais para esta atividade e organize, de preferência,duplas ou trios, assegurando que todos os jovensmanusearão os circuitos. Dedique os minutos finaisda aula para uma sistematização em grande grupo.

Forme os grupos, distribua circuitos para serem exami-nados, solicite que observem os circuitos integradosquanto a seus invólucros e:

1 procurem identificar quais deles poderão serlineares e quais poderão ser lineares ou digitais.A seguir, separem os SMD dos PTH;


2 identifiquem, através dos códigos, os CIs que lhesforam entregues na questão anterior, usando omanual do fabricante;

3 observem e anotem as características de um chip

que são possíveis de ser conhecidas através daconsulta ao manual do fabricante;

4 definam as funções aproximadas 1, no circuito, decada chip encontrado, considerando placas de cir-cuito impresso fornecidas e o recurso ao manualdo fabricante.

1 Fala-se em funções aproximadas porque não é possível precisara utilização de um chip sem analisar o circuito como um todo.

Nesta aula serão conhecidos e exercitados os vá-

rios tipos de teste utilizados para a verificação de

circuitos integrados.

Terceira Aula

Educador, uma forma interessante de você apresen-tar este conteúdo aos jovens é organizar um esquemaa partir dos pontos a serem expostos e solicitar queeles o preencham à medida de sua exposição. Copiedesenhos em uma lâmina ou utilize materiais dispo-nibilizados pelo laboratório da fábrica para que todospossam observar atentamente o que for exposto.

Testes de verificação

Ao contrário dos outros semicondutores, como diodos,fotodiodos, transistores, entre outros, os circuitosintegrados não podem ser testados apenas com o usodo multímetro. Em alguns casos, dependendo do CI, elepode até ser danificado se assim for testado.

Os circuitos integrados necessitam de todo um aparato deteste, que costuma ocorrer normalmente dentro do pró-prio circuito de que fazem parte. Algumas vezes são re-tirados e colocados em ambientes de teste, equipamentosde alta tecnologia que executam uma grande quantidadede testes em um espaço de tempo muito pequeno.


20min

MultímetroInstrumento medidor de corrente, ten-são e resistência elétricas.


Fig. 12 – Equipamentopara testes dinâmicos.

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Tais equipamentos são muito caros, por isso só costu-mam ser usados em oficinas que atuam em larga escala.Porém, existem algumas técnicas simples de teste que,embora pouco ortodoxas, podem dar bons resultados.

Procedimentos:

1 Realizar uma inspeção visual da placa eletrônica,procurando por sinais óbvios de dano. Não é raroencontrar circuitos integrados com encapsula-mento rachado, inchado ou nitidamente torrado.

2 Observar, de preferência com o uso de uma lentede aumento, se não existe alguma solda fria nasligações do circuito integrado. Se houver, ressoldar.

3 Não sendo encontrado nada de anormal, a placapode ser alimentada. Procura-se então por algumchip com aquecimento fora do comum e, se hou-ver, ele é substituído.

4 Em situações de problemas intermitentes, é co-mum provocar-se uma variação brusca de tempe-ratura sobre o chip suspeito, aquecendo-o comferro de solda ou esfriando-o com um spray

congelante.5 Com o chip conectado à placa, recorre-se ao mul-

tímetro para verificar a alimentação do mesmo.Se ele estiver em curto, haverá uma forte quedade tensão de alimentação, indicativa de que estádanificado.

OrtodoxasFora dos princípios tradicionais.

Com uso de um osciloscópio, é possível verificar os pinosde entrada e saída de um circuito integrado durante oseu funcionamento, observando assim se o chip “mata”algum sinal, indicando provável mau funcionamento.

Os circuitos integrados podem ser soldados diretamen-te às placas de circuito impresso ou conectados a elapor meio de soquetes, que facilitam a retirada do chip

para eventual substituição.

Fig. 13 – Placa de circuitoimpresso danificada.

Observe que, visualmente,nada pode ser detectado.

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Fig. 14 – Ship

soquetadosendo retirado

com o uso deuma chave de

fenda.

Utilizando as placas e equipamentos fornecidos, identi-ficar possíveis defeitos nas placas. Registrar os defeitosencontrados em um relatório, descrevendo as técnicasutilizadas para sua determinação.

O objetivo dessa atividade é identificar problemas:

26 a 28

Educador, selecione algumas sucatas de placas ele-trônicas no departamento de manutenção da empre-sa e organize os jovens em grupos, propondo-lhes aatividade prática que segue.


30min

Osciloscópio Instrumento que permite detectar e ob-servar oscilações através de um feixe deelétrons num tubo de raios catódicosque registra, numa tela fluorescente ossinais elétricos periódicos que recebe.

Identificando problemas


Propor aos jovens que se dividam em quatro grupos eque formulem, em casa, um conjunto de questões ouatividades abordando os conteúdos dos dois primeiroscapítulos, considerando seus aspectos mais relevantes eum tempo em torno de 20 minutos para a sua resolução.Peça que eles elaborem também o gabarito de correçãoda avaliação.

Nos 30 minutos iniciais, enquanto os grupos se prepa-ram, o educador percorre cada grupo, observa a quali-dade do material avaliativo e sugere alterações, senecessário.

Em seguida, as provas são trocadas entre os grupos eresolvidas.

Com base nesses instrumentos, o educador poderá atri-buir um conceito relativo tanto ao grupo que formulouas questões quanto ao que deu as respostas, pois ambosindicam a apropriação de competências e habilidadesnecessárias para o exercício profissional com respeito aestes conteúdos.

1 simples, visuais;2 médios através de identificação de componentes

que aquecem;3 mais complexos, com o uso de multímetro e osci-

loscópio.

É importante lembrar que a atividade só terá êxito seas placas forem cuidadosamente selecionadas. Não seespera que os jovens consertem as placas, mas que iden-tifiquem os problemas que elas apresentam. Tambémvale a pena indicar que, atualmente, a manutenção in-dustrial se dá em nível de placa e não de componente,sendo comum a existência de placas backup.

Nesta aula será realizada uma avaliação da apren-

dizagem dos jovens.

Quarta Aula

Passo 1 / Avaliação

50min

Educador, esta atividade prevê que a tarefa sejadistribuída antecipadamente, a fim de que os jovenstenham tempo para desenvolvê-la.

Backup, placas Forma usual de referência às placas dereserva.



3 Motor Elétrico, Conversor de Freqüência e Servo-acionamento

Neste capítulo, serão abordados os motores elétricos de diversos tipos, seus acio-

namentos, partes, vantagens, manutenção, entre outros.

Serão necessárias boas noções de corrente elétrica, tensão elétrica e rotação mecânica.

Conhecer motores elétricos;

Identificar os diferentes tipos de motores elétricos;

Diferenciar os motores elétricos em relação às suas aplicações e formas de acionamento;

Compreender o funcionamento dos motores elétricos e a sua importância.

Objetivos

Nesta aula serão estudados os tipos de motores e

suas formas de acionamento, concluindo com

uma visita à fábrica para identificar os motores

nelas usados.

Primeira Aula


15min


Caso queira ampliar o tempo de visita à fábrica, distribua o texto relativo aos conteúdos que

seguem e solicite que os jovens o preparem extraclasse.

Passo 2 / Visita à fábrica

35minPor meio de uma visita à fábrica, solicite aos jovens queobservem, identifiquem e caracterizem os motores deindução síncronos utilizados, registrando sua utilização,modo de operar e cuidados necessários ao operador.

Solicite também que entrevistem os operadores maisexperientes, procurando observar as mudanças que ocor-reram no processo de produção nos últimos tempos.

Ao retornarem para classe, propicie um breve debate, demodo a oportunizar que todos relatem o que observaram.

A projeção das figuras 2, 3 e 4, auxiliará em muitosua explanação e a compreensão dos jovens.

29-31,33


Tipos de motores e formas de acionamento

Tipos de motores CA

O acionamento de máquinas e equipamentos mecânicos por motores elétricos é um assunto deextraordinária importância econômica. No campo de acionamentos industriais, avalia-se que de70 a 80% da energia elétrica consumida pelo conjunto de todas as indústrias seja transformadaem energia mecânica através de motores elétricos. No diagrama a seguir, podem ser visuali-zadas as diversas aplicações dos motores na indústria.

Fig. 1 – Aplicação dos motores na indústria.

Aplicações em Transformação

Líquidos

Sólidos

Máquinas

Ferramentas

Moinhos

Esmagadores

Desfibradores

Misturadores

Tapetes

Guindastes

Elevadores

Ventiladores

Compressor

Bomba

Transporte de

O motor de corrente alternada é o tipo mais usado na indústria, já que a maioria dos sistemasatuais de distribuição de energia elétrica é de corrente alternada. Comparado com o motor decorrente contínua, o motor de corrente alternada tem como vantagem a sua simplicidade, quese traduz em baixo custo e máxima eficácia com manutenção mínima. Como desvantagem, háa dificuldade em ajustar a velocidade de rotação, que depende de circuitos de controle decusto elevado e grande complexidade.

Dois tipos básicos de motores funcionam com corrente alternada trifásica: os motores síncronose os de indução. No síncrono, a velocidade de giro é constante, e está diretamente relacionadacom a freqüência da rede de alimentação e o número de pólos do motor; no motor de indu-ção, a rotação também depende da carga.

Devido à conexão em corrente alternada, os enrolamentos dos motores estão sujeitos a varia-ções de corrente. Dependendo da maneira como estão distribuídos esses enrolamentos, ocorreum movimento de campos magnéticos, que serve de base de funcionamento para todos ostipos de motores de CA.

Motores síncronos

Os motores síncronos possuem como principais características a velocidade de rotação, defi-nida pela freqüência da rede de alimentação, e a rotação sincronizada de seu rotor, estabe-lecida em relação ao movimento dos campos magnéticos no estator. Isto se deve aos aspectos

Estator – Parte de um motor ou gerador elétrico que não gira durante o funcionamento da máquina e éresponsável pela criação de um campo magnético que influencia o rotor.Tip

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Fig. 2 – À esquerda, os picosde corrente estão em A; nomomento seguinte, à direita,os picos de corrente mudarampara C, e o campo magnéticogirou 30° no sentido horário.

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construtivos deste tipo de motor, à forma como são distribuídos os enrolamentos no estator,e à posição das bobinas do rotor. A figura abaixo representa o movimento do campo mag-nético ao longo do tempo no interior do motor. Nela, não aparece o rotor, somente o estator.

Fig. 3 – Rotação dorotor em relação aoestator devido aomovimento do campomagnético.

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Fig. 4 – Representaesquematicamente um motorsíncrono de rotor imantado.

Histerese – Retardo na resposta de uma unidade do sistema quando existe um acréscimo ou decréscimo novalor do sinal; fenômeno em que duas grandezas físicas mantêm uma relação, de modo que a variação de umadelas depende do fato de a outra crescer ou decrescer relativamente a ela.

Ângulos de deslocamento

Corrente no estator

fluxo

Enrolamentos das fases

Corrente de excitação(campo)

30ºmecânicos 30º

mecânicos

fluxo

Direção da corrente noscondutores

Na figura seguinte, vê-se o mesmo diagrama, já com o rotor instalado.

Os motores síncronos, apresentados nas figuras 2 e 3, funcionam por histerese. Eles também podemfuncionar por relutância, que difere do funcionamento anterior basicamente na geometria dorotor, e por imã permanente.

Os motores síncronos são os menos usados na indústria. São utilizados nos casos em que avelocidade de rotação deve ser constante, independentemente da carga aplicada. O motorsíncrono não dá a partida sozinho. É preciso levar a velocidade do rotor até bem próximo davelocidade de sincronismo para que ele possa operar, o que constitui uma desvantagem.Geralmente o motor síncrono é mais usado como gerador síncrono nas usinas de eletricidade.


Motores universais

O motor universal é um tipo intermediário de motor.Esse motor pode funcionar tanto com alimentação CCcomo AC. Um verdadeiro motor elétrico CC não aceitaalimentação AC (essa inverte o sentido da corrente a ca-da meio ciclo, o que apenas causaria trepidações); domesmo modo, um verdadeiro motor AC não aceita ali-mentação CC (pois ela não oferece as necessárias altera-ções do sentido da corrente para o correto funcio-namento do motor).

Nesta aula os jovens aprenderão o que são moto-

res universais e motores de indução ou assíncro-

nos, bem como suas características.

Segunda Aula


10min

Fig. 5 – Representaesquematicamente omotor AC Universal.

Educador, novamente a reprodução da figura 5, oua possibilidade de examinar um motor in loco favore-cerá a construção de conhecimento e a sua explanação.

Este motor poderá girar corretamente, seja por uso decorrente contínua ou de corrente alternada. A diferençanotável do motor universal é que, se ele for alimentadocom fonte CC, não inverterá o sentido de rotaçãoquando for invertida a polaridade da fonte, como acon-tece com o motor CC, mas continuará a girar sempre nomesmo sentido. Para inverter o sentido de rotação deum motor universal, é preciso alterar as ligações noseletroímãs dos estatores, invertendo seus pólos.

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Motores universais são usados, por exemplo, em batedeiras elétricas, aspiradores de pó etc.

Nesses, o tempo de uso desgasta as escovas de carvão e elas precisam ser substituídas. Para

isso, basta levar um pedacinho da escova velha até uma loja de ferragens, comprar o par de

escovas novas adequadas e repô-las, numa operação bastante simples.

Provoque os jovens a falarem sobre experiências quetiveram a respeito dos motores universais. É importanteque eles vejam como se faz a manutenção mais simples,que é a substituição de escovas do motor. Caso eles nãose mobilizem de imediato para contar as suas experiên-cias, comece contando suas próprias vivências. Pratica-mente todo técnico tem alguma experiência pararelatar com relação a este tipo de motor, muito usadono âmbito doméstico.

Passo 2 / Discussão de vivências

10min

Motores de indução ou assíncronos

Os motores de indução ou assíncronos caracterizam-sepor girar a uma velocidade menor que a dos campos noestator. Diz-se então que existe um escorregamento dorotor em relação aos campos no estator, o que permiteao motor realizar trabalho. Isto se deve às característi-cas construtivas do motor, que são bem mais simplifica-das que as do motor síncrono, razão pela qual o motorde indução é muito mais utilizado.


10min

Fig. 6 – Motor de indução.

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A partir do momento que os enrolamentos localizadosnas fendas do estator são sujeitos a uma corrente alter-nada, gera-se um campo magnético no estator. Conse-qüentemente, surge uma força eletromotriz induzidano rotor, devido ao fluxo magnético variável que o


atravessa. A força eletromotriz (f.e.m) induzida dá ori-gem a uma corrente induzida no rotor, que tende a seopor à causa que lhe deu origem, criando assim ummovimento giratório no rotor.

O princípio de funcionamento do motor de indução (bemcomo o síncrono) baseia-se em duas leis do eletromag-netismo: a Lei de Lenz e a Lei de Faraday 1.

1 Lei de Faraday: Sempre que, através da superfície abraçada porum circuito, tiver lugar uma variação de fluxo, gera-se nesse cir-cuito uma força eletromotriz induzida. Se o circuito é fechado,será percorrido por uma corrente induzida. Lei de Lenz: O sentido da corrente induzida é tal que esta, pelassuas ações magnéticas, tende sempre a se opor à causa que lhedeu origem.

Forme grupos e proponha que executem o seguinteexperimento para demonstrar a Lei de Lenz:

1 Façam uma pequena bobina de fio fino, com 5 cmde diâmetro e umas vinte espiras;

2 Emendem as duas pontas da bobina; 3 Pendurem esta bobina em dois barbantes de

nylon, e aproximem e afastem um ímã do centroda bobina, sucessivamente. O ímã pode ser reti-rado do núcleo de um alto falante pifado.

Não esqueça de providenciar vários ímãs para o experi-mento. Espera-se que os jovens percebam um balançoda bobina decorrente do surgimento de uma força deorigem magnética devida à variação de fluxo magnéticopela movimentação do ímã, conforme mostra a figura 7.

Fig. 7 – Diagramasimplificado de um estator

com rotor instalado de um motor assíncrono.


20min

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Partes e componentes dos motores:procedimentos para a ligação e verificação

Componentes dos motoresOs motores de corrente alternada são constituídosbasicamente pelos seguintes elementos:

um circuito magnético estático, formado por chapasferromagnéticas empilhadas e isoladas entre si, aoqual se dá o nome de estator;

bobinas (cujo número de grupos difere nos motoresmonofásicos ou polifásicos), localizadas em escava-ções abertas no estator e alimentadas pela rede decorrente alternada;

Nesta aula os jovens identificarão as partes e os

componentes dos motores, bem como os procedi-

mentos para ligação e verificação do seu funciona-

mento, concluindo com uma atividade prática de

desmonte e identificação dos componentes.

Terceira Aula


15min

Fig.8 – Estator combobinas instaladas.

um rotor, constituído por um núcleo ferromagné-tico, também laminado, sobre o qual se encontra um

Fig. 9 – Em cima, rotoresde gaiola de esquilo jáapoiados nos eixos; abaixorotor de motor síncrono.

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enrolamento ou um conjunto de condutores para-lelos, nos quais são induzidas correntes provocadaspela corrente alternada das bobinas do estator;

um eixo, que apóia o rotor e transmite à carga a ener-gia mecânica produzida;

a "carcaça", ou a estrutura externa que contêm eprotege os elementos internos do motor;

o "sistema de ventilação" do motor, que consiste emhélices que forçam a passagem do ar, baixando atemperatura interna do motor;

Fig. 10 – Carcaça esistema de ventilação.

Yedd

o B

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um eixo que apóia o rotor e transmite à carga aenergia mecânica produzida. O entreferro (distânciaentre o rotor e o estator) é bastante reduzido, de for-ma a diminuir a corrente em vazio e as perdas, alémde aumentar o fator de potência em vazio.

Educador, como exemplo, apresente a "vista explo-dida" dos diversos elementos de um motor assíncronode rotor em gaiola de esquilo. Retome detalhada-mente cada componente ou, se preferir, oriente suaexposição a partir da figura.

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Vazio, corrente em Corrente existente quando o motor nãotem carga mecênica conectada.

Ligações elétricas

Estator

Rolamento

Fig. 11 – Vista explodida de um motor assíncrono.

Eixo

Carcaça

Rotor de gaiolade esquilo

Rolamento

Hélice de ventilação


Identificação dos componentes Proponha aos jovens que, em pequenos grupos e soba sua orientação:

1 Desmontem um motor fornecido e procurem iden-tificar o seu tipo e seus componentes;

2 Anotem em seus cadernos todas as observaçõesrelativas às características de cada motor e o fun-cionamento de cada uma das partes;

3 Remontem o motor.


35min

Educador, providencie motores e forme grupos ouduplas para o desenvolvimento dessa atividade prá-tica. Insista para que os jovens registrem o processo demontagem, explicando o funcionamento de cada par-te. Faça todos os comentários que julgar pertinente du-rante o seu acompanhamento da atividade, de modo afortalecer as aprendizagens que estão sendo adquiridas.

Nesta aula, os jovens conhecerão procedimentos

para ligação e rotinas de verificação dos motores,

bem como os principais problemas de funciona-

mento e suas causas prováveis.

Quarta Aula


25min

Procedimentos para ligação e rotinas de verificação

Solicite aos jovens que, em duplas, leiam e esquemati-zem o conteúdo dessa aula, apresentado como textode apoio, destacando dúvidas e aspectos que necessitemde maior explanação. Providencie cópias para todos eencerre o tempo destinado a esta atividade respon-dendo às questões formuladas por eles.

32 e 33

Procedimentos para ligação e rotinas de verificação

Motores monofásicosOs motores monofásicos são empregados com freqüência em instalações domésticas e empequenas oficinas. Não é recomendada a utilização de motores monofásicos maiores que 3cv(cavalo-vapor), porque carregam apenas uma fase da rede e trazem assim um consideráveldesbalanceamento de carga. O emprego de motores monofásicos economiza custos de ligação,pois não é preciso ligar todas as três fases, mas esta é a única vantagem desse tipo de motor emrelação aos motores trifásicos. Eles são mais caros, têm maior desgaste mecânico, menor potêncialíquida, fator de potência menor e não é possível inverter diretamente o seu sentido de rotação.

Motor monofásico de dois terminais

Este tipo de motor é destinado a apenas um valor de tensão, isto é, ele não pode ser adaptadoa diferentes valores, nem é possível inverter o seu sentido de rotação.

A ligação é feita diretamente, ligando-se num fio a fase e no outro o neutro.

Fig. 12 –Representação

de um motormonofásico dedois terminais.

Man

fred

Keh

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Motor monofásico com quatro terminais

Este tipo de motor tem um enrolamento dividido em duas partes iguais. Isto torna possível aadaptação do motor a dois valores de tensão, denominados tensão maior e tensão menor, nor-malmente de 220 e 110 volts. Não é possível inverter o sentido de rotação desse tipo de motor.

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Motor monofásico com seis terminais

Este tipo de motor monofásico pode ser adaptado a dois valores de tensão, como o anterior,além de ser possível inverter o seu sentido de rotação quando o motor não estiver em funcio-namento. Para isso, com o motor parado, faz-se a inversão da ligação dos terminais 5 e 6 etorna-se possível dar partida na outra direção.

Fig. 13 – Símboloe ligações.

símbolo do motor com quatro fios

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Motores assíncronos trifásicos

Este tipo de motor é o mais utilizado na indústria, pois é o mais barato, mais robusto e cujosentido de rotação pode ser invertido mais facilmente. Também é conhecido como motortrifásico de indução.

O motor apresenta dois tipos de rotores: o rotor tipo gaiola de esquilo, rotor em curto-circuitoou rotor de gaiola, que é o mais comum, e o rotor bobinado.

O rotor tipo gaiola de esquilo é o mais robusto entre todos os tipos de rotores. Sua corrente departida pode ser até dez vezes maior que a corrente nominal de trabalho.

Fig. 15 – Rotor tipogaiola de esquilo.

O rotor bobinado tem um enrolamento composto de três bobinas ligadas normalmente emestrela, com três terminais livres conectados a anéis deslizantes no eixo do rotor. Os anéispermitem, através de escovas, a conexão de reostatos para manipular suas características como,por exemplo, diminuir o pico de corrente na partida.

Além de diferentes tipos de rotores, existem ainda vários tipos de enrolamentos nos estatoresdos motores, com a finalidade de obter mais uma velocidade em regime de operação para omesmo motor.

Reostatos – Resistor variável, utilizado, em geral, para limitar corrente em circuitos ou dissipar energia.

Man

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símbolo do motor de seis terminais

Fig. 14 – Símbolo e ligação do motor monofásico de seis terminais.

ligação 220 V para os dois sentidos

ligação 110 V para os dois sentidos

Anéis condutores

Barras de cobre ou alumínio


Fig. 16 – Esquema deinversão de sentido de

rotação em motorestrifásicos de indução.

Man

fred

Keh

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Esquema de ligação

Os enrolamentos de motores para um único número de pólos consis-tem de 3 bobinas. Conseqüentemente, há seis terminais de ligação.A figura seguinte mostra como são simbolizadas bobinas e como é adenominação dos terminais.

Fig. 17 – Bobinas dosmotores trifásicos.

1 2 3

4 5 6

Sentido de rotação

A mudança do sentido de rotação dos motores trifásicos é extremamente simples, pois bastainverter duas das fases conectadas ao motor.

Como o sentido errado de motores pode provocar danos, é melhor testá-los desacoplados dasmáquinas.

Man

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Nas placas de identificação dos motores, normalmente estão impressos dois valores de tensão.O valor menor indica a tensão nominal entre fases, que pode ser aplicada diretamente àsbobinas do motor e corresponde ao esquema de ligação em triângulo. O valor maior indica atensão entre fases para a ligação em esquema estrela.

Características Gerais

* Motor de indução com rotor gaiola de esquilo.

* Tipo: Aberto à prova de pingos, com ventilação interna.

* Carcaça: 48 e 56 – Norma NEMA MG1

* Potência: 1/8 a 3 cv

* Tensão: 110/220 V

* Freqüência: 50 ou 60 Hz

* Proteção: IP21 – ABNT – (NBR 6146)

* Isolação: Classe B(130oC) – ABNT – (NBR 7034).

Fig. 18 – Exemplo dos dados da placa de identificação.

Placa de identificação

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Fig. 19 – Símbolo e esquemas da ligação estrela.

A ligação em estrela é realizada ao ligar os terminais quatro, cinco e seis entre si. Este ponto nãodeve ser ligado a nenhum outro dispositivo condutor da rede alimentadora. Assim, as trêsbobinas formam uma estrela, cujas pontas são ligadas às três fases da rede alimentadora.

A ligação em triângulo é realizada ao ligar os terminais 1 com 6, 2 com 4 e 3 com 5. Assim, as trêsbobinas formam um triângulo cujas pontas são ligadas às três fases da rede alimentadora. Con-seqüentemente, cada uma das bobinas será ligada diretamente entre duas fases da rede.

Fig. 20 – Símbolo e esquemas da ligação triângulo.

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Para que se igualem as potências, é necessário que a tensão aplicada sobre a ligação estrelaseja 3 vezes maior que na ligação em triângulo. A partir dessa constatação, é possível ima-ginar uma forma de reduzir o pico de corrente inicial de um motor trifásico, mudando a suaconfiguração de triângulo para estrela, durante a partida.

É necessário um cuidado extra durante a instalação ou a religação de motores trifásicos, princi-palmente quanto ao seu sentido de rotação e à forma inicial de ligação em estrela ou triângulo.Todas as variações que o motor apresenta precisam ser observadas, pois elas representam osintoma de algum problema.


Avaria

Marcha trepidante

O motor não

arranca

Arranque brusco

O motor arranca

com dificuldade

O motor produz

um zumbido no

arranque

Aquecimento

excessivo do

motor em

funcionamento

Causas prováveis

carcaça mal afixada

acoplamento mal equilibrado

condutor de alimentação interrompido

corpo estranho no entreferro

interrupção da alimentação

as escovas não assentam sobre os anéis (para motores síncronos ou de

rotor bobinado)

tensão excessivamente baixa

interrupção no circuito de arranque (motores síncronos ou rotor bobinado)

resistência demasiado baixa, no arranque (rotor bobinado)

arrancador parcialmente interrompido ou com contatos queimados

(rotor bobinado ou motor síncrono)

arrancador mal ligado (rotor bobinado ou motor síncrono)

curto-circuito entre espiras do enrolamento do rotor (rotor bobinado)

tensão na rede muito baixa

queda de tensão excessiva nos condutores de alimentação

carga excessiva

um terminal do motor polifásico está ligado por erro ao neutro

resistências diferentes no reostato de arranque (rotor bobinado ou

motor síncrono)

curto-circuito entre espiras do rotor (rotor bobinado)

interrupção num enrolamento do rotor (rotor bobinado)

carga excessiva

tensão demasiado elevada (perdas elevadas no ferro)

tensão demasiado baixa (consumo excessivo de corrente)

condutor de fase partido (consumo excessivo de corrente)

interrupção num dos enrolamentos do estator (consumo excessivo de corrente)

TABELA 1 – Alguns problemas e suas causas prováveis

Conexão de motor monofásico

Forme pequenos grupos, providencie diferentes mo-tores e solicite que os jovens façam a conexão de ummotor monofásico de quatro terminais para 110 e 220volts. Indique que devem seguir as indicações apresen-tadas nesse capítulo, utilizando uma chave de fendaisolada e um alicate apropriado. Depois de realizarema atividade, desafie-os a fazerem o registro escrito doprocedimento, pormenorizando as iniciativas tomadase suas justificativas.


25min

Educador, para realizar esta atividade, providencieantecipadamente motores a serem manipuladospelos jovens e um espaço adequado de trabalho.

Mediante entrevista aos operadores da fábrica, peça que os jovens pesquisem os problemas

mais comuns com os motores, suas causas e soluções. Depois, compare as respostas obtidas com

a tabela 1 e, caso seja necessário, ampliem-na, incluindo os defeitos, causas e soluções encontrados.

Conversores de freqüência

Os conversores de freqüência, também conhecidos comoinversores de freqüência, são dispositivos eletrônicosque convertem a tensão da rede de amplitude e fre-qüência constantes em uma tensão de amplitude efreqüência variáveis.

São usados em motores elétricos de indução trifásicos,para susbtituir os antigos sistemas de variação de velo-cidades mecânicos, tais como polias e variadores hidráu-licos. Os motores de corrente contínua, mais caros ecomplexos, cedem lugar ao conjunto motor assíncronoe inversor, mais barato, de manutenção mais simples ereposição facilitada.

Nesta aula, os jovens aprenderão sobre o uso de

conversores de freqüência e de servo-acionamento.

Quinta Aula


30min


Educador, a figura abaixo apresenta um destes dispo-sitivos, incluindo a sua ligação esquemática ao motor.Copie-a em transparência para ilustrar sua explanação.

Os inversores de frequência também costumam atuarcomo dispositivos de proteção para os mais variadosproblemas de rede elétrica, como desbalanceamentoentre fases, sobrecarga, queda de tensão.

Normalmente são montados em painéis elétricos, sen-do um dispositivo utilizado em larga escala na auto-mação industrial. Podem trabalhar em interfaces comcomputadores, centrais de comando, além de conduzir,simultaneamente, dezenas de motores, dependendodo porte e tecnologia do dispositivo.

Os inversores costumam ser dimensionados pela corren-te do motor e não pela sua potência. Entre os diversosfabricantes deste produto, temos uma vasta coleção decatálogos e normas.

Fig. 21 – Um dosconversores de

frequência comerciais.

Os conversores de freqüência também são utilizadosquando o acionamento elétrico não exige variação davelocidade do motor e se deseja apenas uma partidamais suave: limita-se a corrente de partida e se evitaquedas de tensão da rede de alimentação.

Motores utilizados em automação e controle

Os motores mais utilizados em automação são os mo-tores de corrente contínua e os de passo (em menorescala), além dos síncronos e os assíncronos, com o usode conversores de freqüência. Estes motores são nor-malmente realimentados por meio de sensoriamento,característica que será apresentada adiante.

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Motores de corrente contínua

Mais usados onde é necessária a variação da velocidadecom controle preciso ou quando a fonte disponível éCC, como elevadores e locomotivas, cuja velocidade évariável, ou em aplicações onde se exija tamanhosmenores alimentados por CC, como em brinquedos depilhas, por exemplo. Em automóveis, devido ao fato dea bateria ser CC, o limpador de pára-brisa e os vidroselétricos utilizam motores CC. Seu custo é mais elevadodo que o custo dos motores de corrente alternada eexigem manutenção preventiva com mais freqüência,pois possuem peças de desgaste.

Observe alguns motores de corrente contínua usadosem automação industrial e controle, vendidos normal-mente no comércio.

Fig. 22 – Motor de correntecontínua didático (CC).

Fig. 24 – Motores CCcomerciais.

Reproduza essas figuras e apresente-as aos jovens, após sua explanação. Peça-lhes que des-

crevam o que vêem, aproveitando a ocasião para verificar se eles são capazes de identificar

o que você acabou de apresentar.

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Fig. 23 – A figura mostra as partes de um motor CC.

Escovas

Eixo

EstatorRotor

Comutador


Motor de passo

É um tipo de motor usado quando necessita ser posicio-nado muito precisamente, ou rotacionado em umângulo exato.

Em um motor de passo, um rotor interno é controladopor uma série de campos , ativados e desativados eletro-nicamente. Portanto, ele é uma mistura entre um motorde corrente contínua e um solenóide.

Os mais comuns possuem 200 passos completos/revo-lução, significando que ele leva 200 passos completospara completar uma volta. Alguns controladores de mi-cropassos podem aumentar a resolução dos passos de200 passos/revolução para 50000 micropassos/revolução.

Tais motores são classificados pelo torque que pro-duzem. Uma característica única deste tipo de motor é asua habilidade de manter o eixo em uma posição, segu-rando o torque sem estar em movimento. Para atingirtodo o seu torque, as bobinas devem receber toda acorrente marcada durante cada passo. Para isso, os con-troladores de motor de passo precisam possuir circuitosreguladores de corrente. A marcação de voltagem (sehouver) é praticamente inútil.

O controle computadorizado de motores de passo éuma das formas mais versáteis de sistemas de posicio-namento, particulamente quando submetido a contro-le como parte de um servo-sistema. Os motores de pas-so são usados em drives de disquete, scanners planos,impressoras, e muitos outros dispositivos.

Na figura 25, aparece a ligação esquemática do motorde passo (step motor) e a seqüência binária mais simples,colocada em seus terminais para que gire no sentidohorário.

Solenóide Indutor constituído por um conjuntode espiras circulares paralelas e muitopróximas, com o mesmo eixo retilíneo,por onde um núcleo ferromagnéticopode se mover na existência de umacorrente elétrica.

Fig. 25 – Diagrama do motor de passo e tabela de seqüência binária para rotação.

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Planeje uma visita à fábrica e proponha a identificaçãode dois tipos de motores.

A partir da escolha, os jovens deverão entrevistar seusoperadores, com o objetivo de saber a respeito do modode operação, as características do equipamento, o tipode aplicação recomendado, os resultados obtidos, os cui-dados com a limpeza e manutenção, os riscos e avariasmais freqüentes, etc.

Examinando as máquinas in loco, peça que observem aplaca de identificação dos motores e destaquem as ten-sões de operação, a potência, os tipos de ligação possí-veis.

Passo 2 / Aula prática

20min

Nesta aula, os jovens serão orientados, em uma vi-

sita à fábrica, a localizar e identificar as informações

dos motores a partir das placas de identificação.

Sexta Aula


50min

Distribua os exercícios 13 a 18 (e outros , que porventu-ra não tenha utilizado até o momento nesse capítulo)entre os jovens e peça que procurem respondê-los indi-vidualmente, consultando suas anotações. Nos minutosfinais, corrija-os, observando a construção de novasaprendizagens, a clareza da explanação e complemen-tando os aspectos que ainda não foram aprendidoscom segurança.


4 Dispositivos de Comando,Proteção e Chaveamento

Neste capítulo serão estudados os procedimentos e normas de segurança para análise

e teste de circuito de máquinas; a identificação e caracterização dos dispositivos de

comando; a proteção e o chaveamento.

Serão necessários conhecimentos de corrente elétrica e seus efeitos, estudados na dis-

ciplina de Eletricidade, e de símbolos eletrônicos, estudados na disciplina de Medidas

Elétricas e Desenho Técnico e Eletromecânico, bem como orientações prévias relativas

à confecção de relatórios.

Conhecer os procedimentos e normas de segurança para a análise e teste de circuitos

de máquinas;

Identificar e caracterizar dispositivos de comando, de proteção e chaveamento;

Realizar testes e análises de circuitos, aplicando os conhecimentos teóricos à prática;

Exercitar diferentes maneiras de registro formal das atividades desenvolvidas em

"chão de fábrica", na forma de relatórios padrão e tabelas.

Objetivos

Procedimentos e normas de segurança

Sistemas de sinalização e padrões de cores e luzes

Antes de realizar qualquer atividade relacionada às má-quinas de uma fábrica, é necessário conhecer a simbo-logia dos comandos elétricos destas máquinas.

Em comandos elétricos, usa-se sinalização acústica(buzinas) e ótica (lâmpadas) para avisar ocorrências echamar a atenção dos operadores de máquinas.

Nesta aula os jovens conhecerão os procedimen-

tos e normas segurança para análise e teste de

circuito em máquinas.

Primeira Aula


15min

Fig. 1 – Pequenoquadro de comando.

Fig. 2 – Lâmpadas de indicação.

Há lâmpadas de cores diferentes à disposição. Para deter-minadas ocorrências e estados de função, há cores delâmpadas padronizadas:



Também existem cores padronizadas para determina-das funções de botões.

Lâmpada vermelhaLâmpada amarelaLâmpada verdeLâmpada transparente (incolor)

Lâmpada azul

condição anormal, acidente, sobrecarga

atenção ou precaução, chegou ao limite admissível

máquina está pronta, ligada

circuito sob tensão, serviço normal

todas as funções que não correspondem às cores anteriores

Fig. 3 – Botõescoloridos.

Fig. 4 – Botõesiluminados.

É possível combinar o botão e a lâmpada em um sódispositivo, chamado de botão luminoso, através deuma ligação elétrica entre a lâmpada e os contatos.

Botão vermelhoBotão amareloBotão verde ou pretoBotão branco ou azul

parar, desligar, botão de emergência

iniciar um retorno, eliminar uma condição perigosa

arrancar, ligar, dar partida

qualquer função que não corresponda a uma das cores anteriores

Botão luminoso vermelho Botão luminoso amarelo

Botão luminoso verdeBotão luminoso branco ou azul

parar, desligar

atenção, precaução, as funções previamente selecionadas

podem falhar durante o processo

arrancar, ligar, dar a partida

qualquer função que não corresponda a uma das cores

anteriores

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Análises e testes em máquinas

As máquinas em uma fábrica, especialmente as que têmmotores, representam um risco muito grande quandonormas simples de segurança são esquecidas. Por isso,é importante lembrar que os testes e intervençõesdevem ser realizados por profissionais em máquinasnão energizadas.

Se, para visualizar o problema, for necessário que a má-quina esteja em funcionamento, nenhum equipa-mento de segurança deve ser desprezado. Óculos sãofundamentais, pois máquinas rotacionais tendem a lan-çar objetos ou partículas a grandes distâncias. No casode o funcionário ter cabelos longos, estes devem estarpresos sempre que estiver no espaço de produção. Asmãos do operador devem estar protegidas por luvas,tanto em função de partes superaquecidas, quanto emfunção dos comandos elétricos que estão em operação.

Em um ambiente de fábrica, para cada trabalho existeuma ferramenta adequada. Não se deve utilizar ferra-mentas que não sejam apropriadas, sob pena de pro-vocar acidentes.

Estas são normas mínimas de segurança, requisito préviopara o operador iniciar o processo de verificação dasmáquinas.

A primeira etapa consiste na observação visual do equi-pamento. Partes frouxas, derramamentos de óleo, fios

Nesta aula os jovens serão alertados para os pro-

cedimentos de segurança a serem adotados no

momento das análises e testes de circuitos de

máquinas.

Segunda Aula


20min


35min

Realizar uma visita à fábrica, com vistas a observar,registrar e relatar o funcionamento e os componentesde dois tipos de dispositivos de sinalização.


soltos, correias folgadas, esteiras mal posicionadas são si-nais claros de que a máquina necessita de manutenção.

Nos quadros de comando, é muito importante a veri-ficação da existência do “mau contato”, que é um fatorde risco para a máquina e até para a empresa e seusfuncionários. O mau contato ocorre em função da oxida-ção dos contatos elétricos. Este é um processo químicoque é acelerado pelo aumento da temperatura. O maucontato provoca o aumento da resistência elétrica dasconexões e, por efeito joule, provoca aumento de tem-peratura. Esta, por sua vez, aumenta a velocidade da oxi-dação, que amplia a resistência. Este é um círculo vicioso,que faz com que a temperatura das conexões afetadastenda sempre a se expandir, o que provoca um con-sumo de energia maior e pode até causar um incêndio.

Fig.5 – Exemplos dequadro de comando.

Para detectar este problema, desliga-se o equipamentoda energia e verifica-se a temperatura aproximada dasconexões. Elas não devem estar com temperatura maiordo que a dos próprios fios. Em alguns casos, podem estarrealmente superaquecidas, a temperaturas que represen-tam risco de queimadura para o operador. Nessas situa-ções, o profissional deve aguardar o resfriamento da conexão,desfazê-la, limpá-la ou substituí-la, conforme o resultadoda avaliação de seu estado. Existem equipamentos apro-priados para estes tipos de medição de temperatura: ospirômetros. Eles são capazes de medir a temperatura dospontos de conexão sem contato direto com os mesmos.

Outras medidas de manutenção preventiva podem sertomadas, conforme o manual de cada máquina da indús-tria, tais como o teste de posicionamento de sensores,ou o reset da máquina.

Testes de continuidade, com o intuito de verificar o es-tado dos cabeamentos, devem ser executados com amáquina desenergizada.

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Círculo viciosoSucessão de idéias ou fatos que reto-mam sempre a idéia ou fato inicial.

49-51



Divida a turma em dois grupos. Oriente cada grupo pa-ra simular uma inspeção de circuitos de controle e pro-teção na qual, deliberadamente, adotem posturas pro-fissionais corretas e erradas. Em seguida, cada grupodramatizará esta simulação para o outro, que deveráidentificar e justificar acertos e erros por meio de rela-tório individual em que constem:

identificação do jovem relator; procedimentos desenvolvidos; testes realizados; defeitos constatados; forma de identificação (se visual ou automática), possível procedimento de solução e até, se pos-

sível, a hipótese de origem do problema;adequação profissional ao realizar a manutenção;inadequação profissional ao realizar a manutenção.


30min

Educador, para a realização dessa atividade, é ne-cessário que sejam providenciados circuitos com pro-blemas simples que possam ser identificados pelosjovens. Também é importante disponibilizar equipa-mentos de proteção industrial que devam ser utiliza-dos nos procedimentos a serem executados.


20min

Nesta aula os jovens conhecerão dispositivos de

comando: identificação e características.

Terceira Aula

Educador, para otimizar esta aula, você poderá dis-tribuir o texto de apoio que segue e solicitar a pre-paração extraclasse. Desse modo haverá mais tempopara o passo 2 e para o exame in loco dos dispositivosde comando.

53-54


Fig. 6 – Símbologenérico e diversostipos de botoeiras.

Dispositivos de comando

Comandos elétricos são dispositivos elétricos ou eletrônicos usados para acionar motores eoutros equipamentos elétricos. São compostos de uma variedade de peças e elementos comocontatores, botões, relés térmicos e fusíveis.

Botoeiras

Cada meio de atuação de contatos possibilita uma variedade de formas de acioná-lo. Por exem-plo, o operador pode atuar no contato manualmente, pressionando, torcendo, socando ouchaveando, como também por meio de uma pisada no pedal. Interruptores e botões são dis-positivos com contatos acionados manualmente. Existe um símbolo para cada tipo de aciona-mento, e também um símbolo único que representa todos estes, apresentado a seguir.

Contatores

Os contatores são elementos principais de comandos elé-tricos (eletromecânicos). Permitem a comutação de corren-tes elevadas acionando simples botões e até por controleremoto. Aumentam o conforto de manejo e permitem, aomesmo tempo, incluir funções mais sofisticadas, como tem-po de retardo. Possibilitam um grau de segurança e prote-ção maior do que os comandos manuais (chaves manuais).Contatores são conjuntos de contatos acionados por ele-troímã. Os contatos podem ser NA (normalmente abertos),NF (normalmente fechados) ou contatos comutadores.Contatos comutadores de múltiplas posições não existemcomo contatores, porque há apenas dois estados possíveispara contatores: ativado e repouso.

Fig.7 – Exemplo decontator e contatoresaplicados em painelde controle.

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I3

I4

Mola

Fig. 8 – Esboço da estrutura de um contator.

Bobina

ContatoNA

Núcleode ferro

I3

AI

A2


A bobina representa entrada de controle do contator. Ao ser ligada a uma fonte de tensão, acorrente elétrica, que a atravessa, cria um campo magnético, envolvendo o núcleo de ferro.

O núcleo de ferro, atraído para dentro da bobina pelo campo magnético, está acopladomecanicamente ao contato e, conseqüentemente, o movimento no núcleo aciona o contato.

O contato acionado pelo núcleo de ferro está também acoplado a uma mola, que tenta levá-lo à posição de repouso, mas a força do campo magnético é maior do que a da mola.

A mola tensa poderá levar o contato de volta à posição de repouso quando a bobina fordesconectada da fonte de energia. O campo magnético decai e a mola torna-se mais forte doque o núcleo.

A figura seguinte apresenta o símbolo do contator.Ela contém o símbolo da atuação eletromecânica, alinha de acoplamento direto e um jogo de contatos.A denominação dos terminais da bobinas é sempre(A1/A2); a dos contatos depende de suas finali-dades. Neste caso, há três contatos de carga (1/2),(3/4) e (5/6), mais um contato auxiliar (13/14).

Os contatores são equipados com uma variedade de pares de contatos de carga e auxiliares,conforme suas características. Os contatos de carga têm especificações precisas de cargamáxima permitida que, naturalmente, devem ser respeitadas.

Fig. 9 – Símbolo do contator.

Man

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Relés

O relé é um aparelho eletromecânico que efetua comutação (abertura e fechamento) de seuscontatos, quando a sua bobina é excitada.

Fig. 11 – Relé esquematicamente representado.

Relés:representação esquemática

1– 2 – 3 –Contatos de mola4 – Circuito magnético

5 – 6 – Ancorinha móvel 7 – Núcleo magnético

8 – 9 – Bobina10 – Terminais de contatos

Gia

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Fig

ini

O relé pode assumir formas construtivas e dimensões muito diversas. Essencialmente, é com-posto por três partes: circuito magnético, bobina, contatos. A figura acima esquematiza umadas soluções construtivas mais freqüentemente usadas para execução dos relés.

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Fig.10 – Relé industrial, pequeno relé aplicado em circuito eletrônico no detalhe e diversos relés.

A1

A2

1 3 5 13

14642

Passo 2 / Atividade prática – Visita à fábrica

25min

Dispositivos de proteção

As máquinas elétricas são equipamentos que podemser sobrecarregados e destruídos facilmente. Como elesapresentam custos consideráveis, compensa investir emdispositivos de proteção para eliminar o perigo de des-truí-las. Os dispositivos de proteção têm como finali-dade a detecção de condições de sobrecarga e, em con-seqüência disso, a garantia da desativação da máquinasupervisionada.

Fusíveis

Educador, para preparar essa atividade, rememorecom os jovens os pontos mais importantes relativosao assunto e faça um roteiro do que deve constar norelato, por exemplo: o tipo de dispositivo de coman-do, os seus valores nominais, o equipamento ao qualestá associado, etc.

Nesta aula serão estudados os dispositivos de pro-

teção.

Quarta Aula


20min

Caso não seja possível realizar uma ida à fábrica, componha uma bancada com alguns motores

acionados por diferentes dispositivos de comando e peça aos jovens que os examinem, identifi-

quem e descrevam.

Fig.12 – Fusíveis dediversos tipos.

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Peça aos jovens que pesquisem e relatem por escritodois tipos de dispositivos de comando, seu funciona-mento e seus componentes.



Os fusíveis são empregados em comandos de motores,como dispositivos de proteção contra curto-circuito.Além de protegerem as linhas alimentadoras, cuidamdos próprios dispositivos de comandos, em caso decurto-circuito interno. Os fusíveis devem ser direciona-dos para não reagirem em caso de partida difícil, ou seja,o valor nominal dos fusíveis deve ser entre 150% e300% da corrente nominal do motor.

Há três tipos de fusíveis usados para proteção de mo-tores: Diazed, Neozed e NH. O tipo Diazed é o maisusado para cargas de potências baixas e médias. Os com-ponentes particulares dos sistemas Diazed e Neozed são:a base de fusível, o cartucho de fusível, o porta fusível(tampa roscada) e o dispositivo de inconfundibilidade(parafuso de ajuste).

Os valores nominais de corrente dos fusíveis dos sis-temas Diazed e Neozed são identificados por cores nofundo dos cartuchos e nos parafusos de ajuste, cujospadrões são informados nos manuais de fabricante.Quando o fusível se rompe, o ponto colorido no fundodo cartucho tende a cair, sinalizando com mais facili-dade o fusível queimado.

Disjuntores

Fig.14 – Tiposde fusíveis.

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Fig.15 – Algunstipos de disjuntoresindustriais.

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Fig. 13 – Simbologia dos fusíveis.

monofásico (multifilar)

trifásico (multifilar) trifásico (multifilar)

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Diazed Neozed

Os disjuntores são equipamentos de proteção capazesde proteger o circuito de sobrecargas e de curtos-circui-tos. São superiores aos fusíveis tanto em capacidade co-mo em durabilidade, uma vez que não se destroem e,quando necessário, apenas desarmam, podendo serrearmados novamente, depois de cessadas as condiçõesde erro.

Possuem em seu interior um sistema de desarme eletro-magnético, que atua em picos de corrente, e um sistemade desarme térmico, que atua no caso de sobrecarga.

Relé Térmico

Em conjunto com o comandoelétrico simples, os relés tér-micos realizam uma proteçãodos motores contra sobre-carga, falta de fase, partidaslongas e bloqueios prolonga-dos do motor.

Relés térmicos não protegema linha de alimentação contracurto-circuito. Conseqüente-mente, é necessário tambémempregar fusíveis.

Fig.16 – Relé térmico(dispositivo inferior) opera

em conjunto com uma contatora

(dispositivo superior).

O relé térmico é intercalado nas três fases do motorpara detectar a intensidade de corrente solicitada. Ascorrentes do motor atravessam um dos três elementostérmicos dentro do relé, que se aquece na medida dacorrente solicitada. Ao aquecerem, os elementos térmi-cos acionam um contato auxiliar para sinalizar a sobre-carga do motor. Isto significa que um relé térmico devetrabalhar em conjunto com uma contatora ou um co-mando elétrico.

Fig.17 – Diagrama deum relé térmico.

51-52

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1 3 5

2 4 6

96 98

95


30min

Para preparar essa atividade, é importante relembraros pontos mais importantes estudados em aula, bemcomo elaborar um roteiro que deverá ser seguido pelosjovens no momento do registro que indique: o tipo deelemento de proteção, os seus valores nominais, o equi-pamento ao qual costuma estar associado, etc.

Exponha em uma bancada diferentes tipos de disposi-tivos de proteção. Peça que os jovens descrevam seu fun-cionamento e componentes, utilizando-se de recursos dodesenho técnico e de registro verbal para apresenta-rem seu processo de atuação.

Dispositivos de chaveamento

Correspondem aos dispositivos eletrônicos responsá-veis pelo controle direto ou modificação da correnteelétrica. Os dispositivos de chaveamento são os tran-sistores, os diodos, as pontes retificadoras, os tiristorese os flip-flop.

Transistor

Em eletrônica industrial, é comum o uso de transistoresde potência, em situação de saturação ou corte, ondeo transistor funciona como uma espécie de chaveeletrônica. Também é utilizado, em menor grau, paracontroles lineares de corrente.Os transistores fazem partedos chamados relés de esta-do sólido, que são utilizadostanto para acionamento co-mo para controle de veloci-dade de motores de indução.

Nesta aula os jovens identificarão os dispositivos

de chaveamento, executando exercícios práticos.

Quinta Aula


20min

Fig.18 – Transistores de potência.


Diodo

Esse dispositivo semicondutor é utilizado basicamentepara a retificação de corrente alternada, e para evitarforças contra-eletromotrizes em circuitos de correntecontínua.

Ponte retificadora

Fig. 21 – Ponteretificadora instaladaem uma fonte linear.

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Fig. 19 – Diodosde alta potência.

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Consiste num banco de diodos, construído geralmenteem um único invólucro. Tem como única função a reti-ficação de corrente alternada, em onda completa. Suagrande vantagem é a compactação e a simplificação decircuitos retificadores lineares.

Fig. 20 – Símbolo daponte retificadora.


AC


Tiristor

Fig. 23 – Encapsulamentotípico de SCR's e TRIAC's.

Fig. 22 – SCRe TRIAC.

São basicamente de dois tipos: SCR – Sillicon Controlled

Rectifier (retificador ou diodo controlado de silício) eTRIAC – Triode to Alternate Current (triodo para cor-rente alternada) considerando a união de dois SCR’s.São utilizados como chaves eletrônicas, utilizados tam-bém em controles de velocidade e potência.

Flip-Flop

É um circuito biestável, ou seja, possui dois estados está-veis. Com o aparecimento de um estímulo, passa de umprimeiro estado a um segundo e permanece indefini-damente nesse segundo estado, mesmo após a cessa-ção do estímulo. Na figura abaixo, é apresentado o dia-grama esquemático do flip-flop mais simples, que é otipo RS (Reset-Start), e sua tabela verdade. É utilizadoem circuitos eletrônicos de controle.

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56-57

G G

SCR TRIAC

Condição S R Q Q1 0 0 permanece no estado anterior2 0 1 0 1 (reposicionado)3 1 0 1 0 (posicionado)4 1 1 X X (instável)

Q

QR

S

Fig. 24 – Símbolo do flip-flop RS e sua tabela verdade.


Pesquisar e registrar por escrito o funcionamento ecomponentes de dois ou mais tipos de dispositivos dechaveamento.


25min

Educador, para preparar essa atividade, rememorecom os jovens os pontos mais importantes e faça umroteiro do que deve constar no relato. Por exemplo,o tipo de dispositivo de chaveamento, os seus valoresnominais, o equipamento ao qual está associado, etc.

Relatório de manutenção preventiva

Este é um relatório institucional, padrão, existente emmuitas empresas.

Registra inspeções e análises realizadas, um documentoimportante, simples, objetivo e de fácil compreensão.Nele devem constar: a identificação do operador (nocabeçalho), os procedimentos desenvolvidos, os testesrealizados, o defeitos constatados, a forma de identifi-cação (se visual ou automática), o possível procedi-mento de solução e a hipótese de origem do problema.Convém salientar que, havendo observação de valida-des de componentes de reposição, a data da próximatroca deve ser estimada neste relatório.

Geralmente o relatório apresenta-se em forma de tabelae os procedimentos e/ou defeitos são codificados. Noentanto, para que sejam compreensíveis por todos, éimportante que as legendas dos códigos estejam im-pressas no próprio relatório (no verso, por exemplo),evitando que alterações de codificação provoquem dú-vidas ou erros de preenchimento.

Nesta aula será apresentado para os jovens um

exemplo simplificado de relatório de manutenção

preventiva e uma atividade prática que envolva o

seu uso.

Sexta Aula


10min

Caso não seja possível deslocar todo o grupo até a fábrica, organize em uma bancada diferen-

tes exemplos de dispositivos de chaveamento, estimulando o manuseio e a descrição dos jovens.


Cada empresa costuma ter seu formulário padrão paraesses tipos de relatório, e o operador deve semprepreenchê-lo com extrema atenção, pois eles podemservir para avaliar seu desempenho profissional.

Empresa E x e m p l o

Equipamento

Tear para nylon

Lavadora industrial

Rebobinadeira

Torno

N°

4522-5

2336-2

1512-4

1110-5

Defeito

OK

AE

FE

PP

Solução

SA

EMC

AG

SC

Próxima inspeção

25/03/2006

25/02/2006

23/01/2006

22/12/2005

Observações

Painel de controle

Motor principal

Operador: Jonas – 1513-0 Setor: MAN – 1210-2 Data: 22/10/2005

Relatório de atividades

de manutenção preventiva

Defeitos:OK – Sem problemas / RA – Aquecimento excessivo / FE – Fora de especificações / PP – Perda de potência

Soluções:SA – Sem atividade / EMC – Eliminado mau contato / AG – Ajuste Geral / SC – Substituído componente

Fig. 25 – Exemplo simplificado de relatório de manutenção preventiva.


40min

Inspeção de circuitos

Promova uma visita ao chão da fábrica e peça que osjovens realizem a inspeção de circuitos de controle eproteção, elaborando o relatório dessa atividade. É pos-sível propor a utilização do relatório padrão da empresavisitada, caso em que será necessária uma explicaçãoprévia e detalhada de todos os itens que ele contém.Também é possível que os jovens planejem um relatóriosimples e objetivo em que constem:

identificação do relator/aluno, procedimentos desenvolvidos, testes realizados, defeitos constatados , forma de identificação (se visual ou automática), possível procedimento de solução e até, se pos-

sível, a hipótese de origem do problema.

Novamente, se não for possível freqüentar o chão da fábrica, sugere-se o recurso à bancada

com variados circuitos de controle e proteção para a realização dessa atividade.


Para fins de avaliação, sugere-se uma atividade que en-volva os jovens em um trabalho de síntese dos conteú-dos:

1 Divida a turma em grupos de 2 ou 3 jovens;2 Divida o conteúdo dos capítulos 3 e 4 entre os

grupos;3 Peça que os jovens desenvolvam um painel sobre

os tópicos indicados;4 Estipule um tempo de 15 min para a montagem

do painel.Realize um breve seminário no qual os grupos deverãoexpor a sua parte da matéria, enfocando os seguintesaspectos:

a) definição,b) relevância,c) tendências futuras,d) histórico (como era antes de ser desenvolvido e o

que foi modificado pelo seu surgimento).

Para fins de avaliação, considere a performance dos jo-vens nessa atividade, mas atribua também algum valorao acompanhamento que fizeram às atividades desen-volvidas ao longo dos capítulos três e quatro, seja atravésde registros, seja por meio das aprendizagens demons-tradas através de exercícios e aulas práticas.


50min

Nesta aula, esta prevista a realização da avaliação

dos conteúdos de motor elétrico, conversor de

freqüência e servo-acionamento e de dispositivos

de comando, proteção e chaveamento.

Sétima Aula


5 Sensores e Medidas de Processo

Neste capítulo serão estudados os sensores, suas aplicações e suas tecnologias, bem

como a identificação e a caracterização dos seus diversos tipos. Para que os jovens

possam visualizar os sensores, ilustrações complementam o conteúdo. Estas, na medi-

da do possível, poderão ser substituídas por modelos encontrados na empresa.

Para a compreensão desses conteúdos, são necessários conhecimentos de corrente

elétrica e seus efeitos (disciplina de Eletricidade) e de símbolos eletrônicos (disciplinas

de Medidas Elétricas e Desenho Técnico e Eletromecânico), bem como de semicon-

dutores apresentados no capítulo um desse Caderno.

Conhecer os diversos tipos de sensores;

Identificar e caracterizar diversos tipos de sensores, quanto à sua aplicação e tecnolo-

gias envolvidas;

Realizar testes e análises em sistemas de sensores, aplicando os conhecimentos teó-

ricos à prática;

Exercitar sua capacidade criativa, extrapolando o que foi apresentado e propondo

novas opções de sensoriamento.

Objetivos


Sensores e transdutores

Sensores são dispositivos que mudam seu comporta-mento sob a ação de uma grandeza física, podendofornecer, direta ou indiretamente, um sinal que indicaesta grandeza. Os de operação indireta alteram suaspropriedades, como a resistência, a capacitância ou aindutância, sob ação de uma grandeza física, de formamais ou menos proporcional. Quando operam direta-mente, convertem uma forma de energia em outra esão chamados de transdutores. Para sensoriamento, osmais utilizados são: os microfones, os sensores piezelé-tricos, os termopares, os tacogeradores, entre outros.

Os sensores podem ser classificados como:

Nesta aula, serão apresentados aos jovens os sen-

sores e transdutores, bem como suas características

e aplicações. Ao final, será realizada uma atividade

de medição.

Primeira Aula


35min

Educador, à medida que você apresenta cada sensor,solicite aos jovens que façam registros organizados,indicando o que são, como atuam, que característicassão mais importantes, para que são indicados, quaisas vantagens da sua utilização, quais as desvanta-gens. Essa iniciativa possibilitará que tenham, ao final,uma síntese do exposto.

Modificadores

Geradores

Moduladores

A energia de entrada é a mesma de saída

A energia é transformada; são os transdu-tores propriamente ditosA energia de entrada, somada a umaoutra fonte externa de energia, gera umsinal a partir da fonte externa, ou seja,necessita de fonte externa de energia parafuncionar.

Exemplo: o circuito passa banda1, quepode ser usado para medir a energia deuma determinada faixa de freqüênciaExemplo: tacogeradores

Exemplo: extensômetros resistivos

1 Este circuito foi estudado no caderno de Eletricidade e Medidas

Elétricas.

O sinal de um sensor pode ser usado para detectar e cor-rigir desvios em sistemas de controle (automáticos).

Nos instrumentos de medição, são usados como ele-mento sensível. Nesse caso, freqüentemente estão asso-ciados aos sistemas de controle (não automáticos) etêm função orientadora do usuário.

Muitos autores consideram todos os sensores classificados como transdutores,

porque transformam um tipo de sinal em outro. Porém, é importante salientar que,

no caso dos modificadores e moduladores, somente o seu circuito completo, cujos

pontos de entrada são os sensores, pode ser considerado transdutor.

Fig. 1 – Esquema daoperação de um sensor

ótico para contagem deproduto acabado em uma

linha de produção.

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or

Características

Linearidade: É o grau de proporcionalidade entre osinal gerado e a grandeza física. Quanto maior, mais fielé a resposta do sensor ao estímulo. Os sensores maisusados são os lineares, que conferem mais precisão aosistema de controle. Os sensores não lineares são usadosem faixas limitadas, em que os desvios são aceitáveis, oucom adaptadores especiais, que corrigem o sinal.

Faixa de atuação: É o intervalo de valores da grande-za em que pode ser usado o sensor, sem destruição ouimprecisão.

Sensores de luz

Existem diversos tipos de sensores de luz que usamtecnologias distintas ou têm aplicações específicas. Es-tes sensores são importantes na indústria, sejam dire-tamente em fotometria (medição de luminosidade),como parte de sistemas de controle de iluminação (osrelés fotoelétricos de iluminação pública) ou como sen-sores indiretos de outras grandezas (velocidade, posi-ção e fim de curso).

FotometriaParte da óptica que investiga os mé-todos e processos de medida de fluxosluminosos e das características energé-ticas associadas a tais fluxos.


Fotodiodo

CircuitoAssociado

Produto acabado

Luz


Fig. 2 – Sensores com controlador e relé fotoelétrico.

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LDR

O LDR, light dependent resistor (resistor dependenteda luz), tem sua resistência diminuída ao ser iluminado.É composto de um material semicondutor, o sulfeto decádmio, CdS. A energia luminosa desloca elétrons dacamada de valência para a de condução (mais longe donúcleo), aumentando o número destes e diminuindo aresistência. A resistência varia de alguns ΜΩ, quando osensor está no escuro, até centenas de Ω, quando eiluminado com luz solar direta.

Fig. 3 – Símbolo e exemplo de curva característica de umfotorresistor (LDR).

Os usos mais comuns do LDR são em relés fotoelétricos,fotômetros e alarmes. Sua desvantagem está na lenti-dão de resposta, que limita sua operação.

FIG

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Gia

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Fotodiodo

É um diodo semicondutor em que a junção está ex-posta à luz. A energia luminosa desloca elétrons para abanda de condução, reduzindo a barreira de potencialpelo aumento do número de elétrons, que podemcircular se aplicada polarização reversa.

A corrente nos fotodiodos é da ordem de dezenas demA quando sujeito à alta luminosidade, e a resposta érápida. Há fotodiodos para todas as faixas de compri-mentos de onda, do infravermelho ao ultravioleta, de-pendendo do material.

O fotodiodo é usado como sensor em controle remoto,em sistemas de fibra óptica, leitoras de código de bar-ras, scanner (digitalizador de imagens, para compu-tador), canetas óticas (que permitem escrever na telado computador), toca-discos CD, fotômetros e tambémcomo sensor indireto de posição e velocidade.

CA

RR

EIR

A,

Rita

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all.

Fig. 5 – Um dos tipos de fotodiodo.

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Fotorresistência de Sulfito de cádmio

Máxima Sensibilidae: 550 nm20 MΩ (escuro)20 kΩ 100kΩ a 10 Lux5kΩ a 100 LuxTensão Max.: 100VPot. Max.: 50 mWGama Temperatura: -60ºC a 75ºC

Fotorresistência de Sulfito de cádmio

Máxima Sensibilidae: 530 nm1 MΩ (escuro)9 kΩ a 10 Lux400Ω a 1000 LuxTensão Max.: 320VPot. Max.: 0,25W a 25ºC

Fig. 4 – Fotorresistores.


Fig. 6 – Símbolo, circuito e curva característica de um fotodiodo.

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Fig

ini


Fototransistor

É um transistor cuja junção coletor-base fica exposta àluz e atua como um fotodiodo. O transistor amplifica acorrente e fornece alguns mA com alta luminosidade.Sua velocidade é menor que a do fotodiodo.

Suas aplicações são as mesmas do fotodiodo, exceto sis-temas de fibra-ótica, pela operação em alta freqüência.

Fig. 7 – Símbolo e exemplo decircuito básico comfototransistor.

Fig. 8 – Exemplo de curva característicade um fototransistor.

Gia

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Fig

ini

Símbolo dofoto-diodo

Circuitosensor

+Vcc

Vs

lux 1500 1000 500 desl.

Símbolo dofototransmissor

Sensorbásico

+Vcc

Saída

desl. 500 1000 1500 lux

Com o multímetro na escala de medição de resistência,peça aos jovens que façam medições de resistência de umLDR, em diferentes condições de luminosidade. Lembreque eles devem ter cuidado para que o LDR tenha tempopara se adequar a cada condição de luminosidade.

Feita a medição, comparem os resultados obtidos comos dados da tabela do fabricante.


20min

Educador, para a realização dessa atividade, é preci-so dispor de LDRs e dos dados de tabela do fabricantedos LDR examinados.

Células fotovoltaicas

São dispositivos que convertem energia luminosa emelétrica, portanto são transdutores.

Uma junção intensamente iluminada pode reverter abarreira de potencial em fonte de elétrons, produzindoenergia. A eficiência do processo é baixa devido a poucatransparência da junção (somente as camadas superfi-ciais são iluminadas), apenas alguns mícrons (µ). AlbertEinstein explicou esse efeito, o que lhe valeu o prêmioNobel de Física, em 1921. Seu uso principal está na ge-ração de energia em painéis solares.

Nesta aula, os jovens conhecerão alguns tipos de

sensores, seu conceito e funcionamento.

Segunda Aula


10min

Fig. 9 – Painéisfotovoltaicos

para utilização daenergia solar.

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Medições de resistência



Outro dispositivo é a fotocélula de selênio (um semi-condutor), de operação similar, utilizado em medidoresde luminosidade e aparelhos de análise química (comofotocolorímetros).

Sensoriamento ótico de velocidade de rotação

Empregam-se fotodiodos ou fototransistores e umafonte luminosa, lâmpada, LED ou laser, nos chamadossistemas encoder (codificador). Há dois tipos básicos:

Sensor de reflexão: um feixe luminoso atinge um discocom um furo ou marca de cor contrastante, que gira. Osensor recebe o feixe refletido, mas, na passagem dofuro, a reflexão é interrompida (ou, no caso de marcade cor clara, a reflexão é maior), e é gerado um pulsopelo sensor.

Sensor de interrupção de luz: usa também um disco comfuro, e a fonte de luz e o sensor ficam em lados opostos.Na passagem pelo furo, o feixe atinge o sensor, geran-do um pulso.

A freqüência destes pulsos permite o cálculo da veloci-dade nos dois tipos de sensores. Eles possuem comovantagem o menor tamanho e baixo custo, a maior dura-bilidade e a leitura à distância. São usados em sistemasde controle e tacômetros portáteis. Na indústria, servempara monitorar a velocidade de motores, máquinas e aprópria linha de produção.

Fig. 10 – Esquema de funciona-mento dos sensores de veloci-dade ópticos.

Termopares

Quando dois metais encostados são submetidos a umatemperatura, surge, nos seus extremos, uma tensão pro-porcional à temperatura. Este é o efeito Seebeck.

V=KT

K é uma constante para cada par de metais, utilizávelaté seu limite térmico.

emissoresde luz

detectoresde luz

Eixo queestá girando


O custo dos termopares é elevado, e eles são empre-gados em aplicações profissionais onde há necessidadede alta confiabilidade e precisão.

Metal

Cobre-constantánFerro-constantán

TemperaturaMáxima

375ºC750ºC

Constante K

0.1mV/ ºC0.0514mV/ ºC

Sensor piezelétrico

Transforma pressão sobre um cristal em energia elétri-ca, através do efeito piezelétrico, que é um fenômenofísico pelo qual aparece uma diferença de potencialelétrico entre as faces de um cristal quando este se sub-mete a uma pressão mecânica2.

Os cristais piezelétricos são utilizados em dispositivoscomo os transdutores, empregados na reprodução dosantigos discos de vinil, nos microfones, nos equipamen-tos de medição, como os rugosímetros.

Fig. 11 – Termopares comfinalidades diferentes.

orio

n.uf

rgs.

br/lm

m

Fig. 12 – Diagrama de um manômetro com sensor piezelétrico.

ww

w.u

frgs

/lmm

2 Pierre Curie e seu irmão Jacques descobriram este fenômeno noquartzo e no sal de Rochelle, em 1880, e o denominaram efeitopiezelétrico (do grego piezein, pressionar).


Proponha aos jovens algumas questões que deverãoser respondidas individualmente e, depois, discutidasem conjunto com o grupo. Peça que retomem suas ano-tações a fim de sanarem dúvidas.

Passo 2 / Revisando aprendizagens

15min

Se tivesse que medir uma temperatura de 600 °C comum termopar, qual você escolheria? Por quê?Teria de ser escolhido o termopar de ferro-cons-tantán, pois entre os dois que estão tabelados, é oque suporta a temperatura indicada.

Relacionando com o seu dia-a-dia, onde é utilizadoo fotodiodo?O fotodiodo é usado como sensor em controle remo-to, em sistemas de fibra óptica, leitoras de código debarras, scanner (digitalizador de imagens, para com-putador), canetas ópticas (que permitem escrever natela do computador), toca-discos CD, fotômetros ecomo sensor indireto de posição e velocidade.

Que tipo de troca energética ocorre em um sensorpiezelétrico?Transformam pressão sobre um cristal em energiaelétrica, através do efeito piezelétrico.

Educador, as questões aqui apresentadas são suges-tões que poderão ser ampliadas ou modificadas, con-forme processo de ensino/aprendizagem vivenciadopelo grupo.


10min

Tacogerador

É um pequeno gerador elétrico de CC (corrente contí-nua), também chamado dínamo tacométrico, com cam-po fornecido por ímã. A tensão gerada, pela Lei deFaraday, é proporcional à velocidade com que o fluxomagnético é cortado pelo enrolamento do rotor. Assim,o tacogerador é um transdutor mecânico elétrico linear.


Com o multímetro, fazer a medição do nível de tensãogerado pelo tacogerador fornecido.

Fig. 13 – Tacogeradores Weg.

ww

w.w

eg.c

om.b

r


15min

Educador, para esta atividade, você precisará provi-denciar diversos multímetros e tacogeradores. Ainda,durante a execução da tarefa, os jovens notarão que,girando o motor, é difícil estabilizar a tensão. Discutaesse fato com eles e faça-os inferirem as causas dessaobservação.

V = K n

K é uma constante que depende do campo do imã, do

número de espiras e pólos e das dimensões do rotor.

n é a rotação do eixo (por minuto, rpm, ou segundo, rps).

A polaridade da tensão gerada depende do sentidode rotação.


ww

w.a

b.co

m/s

enso

rs/

Nesta aula, os jovens conhecerão outros tipos de

sensores e sua aplicabilidade. Ao final, está pre-

visto um exercício de fixação.

Terceira Aula


20min

Sensores de fim de curso magnético

Quando se aplica um campo magnético num condutor,as cargas elétricas se distribuem de modo que as posi-tivas ficam de um lado e as negativas do lado opostoda borda do condutor. No caso de um semicondutor, oefeito é mais pronunciado. Surge então uma pequenatensão nas bordas do material. É o efeito Hall.

Ele é à base do sensor magnético Hall. Atualmente sãoconstruídos sensores em circuito integrado,que têm o encapsulamento igual ao deum transistor.

Os sensores magnéticos são utilizados naindústria para definir o posicionamento demecanismos de movimentação linear, sejaem fim de curso ou em posição interme-diária.

Sensores de fim de curso mecânicos

Têm a mesma finalidade dos sensores de fim de cursomagnéticos, porém são eminentemente mecânicos, pos-suem peças móveis, que se abrem ou fecham quandosão acionadas.

Fig.14 – Sensores baseados no efeito Hall. co

nten

t.hon

eyw

ell.c

om

Modo de operaçãonegativo

Proteção fechada

Para a parte referente à segurança dosistema de controle de máquina

Fig. 15 – Exemplo de utilização de sensores de fim de curso.

Modo de operaçãopositivo

Sensores capacitivos

As sustâncias metálicas e não metálicas, tanto líquidascomo sólidas, dispõem de certa condutividade e umaconstante dielétrica. Os sensores capacitivos detectamas variações provocadas por essas substâncias no campoelétrico de sua área de detecção. A avaliação das varia-ções proporciona a exata informação sobre a presençade objetos nesta área, bem como, os níveis de materiaisem recipientes ou que passam por esteiras e dutos.

Fig. 16 – Alguns sensores capacitivos.

ww

w.s

ick.

es/e

s/pr

oduc

tos/

sens

ores

Sensores de ultra-som

Consistem de um sistema eletrônico de emissão de ondassonoras de alta freqüência (da ordem de 40 a 60 kHz),que são recebidas por um microfone também monitora-do eletronicamente. Quando ocorrem variações no sinalrecebido em função de modificações no ambiente mo-nitorado, algum tipo de atuador é acionado, como umalarme ou um mecanismo de abertura de portas.

Dielétrica, constanteGrandeza física que expressa quantita-tivamente o poder de isolação de eletri-cidade de uma substância ou do vácuo.

Fig.17 – Sistema de monitoramento

por ultra-som.

Sensores de posição com potenciômetros

Os potenciômetros podem ser utilizados aco-plados a mecanismos para determinação deposição linear ou angular. Têm a vantagemde serem baratos e robustos, além de simples.Entretanto são pouco exatos, têm baixa reso-lução e carregam o sistema.

P&

S p

rodu

tos

serv

iços

Fig. 18 – Esquema de potenciômetro linear.



Sensores LVDT

Sensores LVDT – Linear Variable Differential Transformer

(transdutor linear variável diferencial) são um tipo par-ticular de sensores de relutância variável, amplamenteutilizados na indústria.

A medição de deslocamento é efetuada através davariação de tensão, devida à mudança na relutância(acoplamento) entre duas ou mais bobinas. Nos senso-res LVDT, três enrolamentos simetricamente espaçadose um núcleo magnético móvel formam o sistema deacoplamento magnético. A mudança da posição do nú-cleo é detectada eletronicamente e é processada paragerar uma leitura precisa do deslocamento realizado.

Fig. 19 – Exemplo de LVDT.

ww

w.m

etro

log.

net

Extensômetro resistivo – strain gauge

É um sensor de deformação, que pode ser usado dire-tamente na medição de deformações superficiais ouem diversos sistemas mecânicos, atuando assim comosensor para diversas grandezas, como pressão, força eaceleração, entre outras.

Seu funcionamento está baseado na variação da resis-tência de um material metálico depositado sobre um po-límero, que pode ser colado na superfície a ser analisada.

Quando é deformado longitudinalmente, o valor daresistência varia de forma conhecida, indicando a defor-mação da superfície. Existem dois valores padronizadosde resistência 120Ω e 350Ω .

Fig. 20 – Exemplo de extensômetro resistivo.

/ww

w.d

cmm

.puc

-rio

.br/

curs

os/e

letr

onic

a/

O extensômetro resistivo tem apenas alguns milímetros de comprimento e, aproxi-

madamente, um quinto disso de largura.


Com uma borracha, uma lata de refrigerante vazia, euma tesoura, faça um sensor de fim de curso mecânico.Corte duas tiras finas de alumínio e as introduza naborracha. Quando a primeira lâmina for empurrada so-bre a segunda, o contato se fechará. Também é possí-vel fazer um contato normalmente fechado. Observe afigura abaixo.


30min

Educador, solicite que os jovens providenciem, comantecedência, os materiais necessários para realizaras atividades propostas.

Fig. 21

Quantos extensômetros resistivos são necessáriospara determinar se uma superfície está variando asua área? Justifique.São necessários dois extensômetros, pois sua sensibili-dade é unidimensional e a superfície é bidimensional.

Teste seu funcionamento e descreva o que obteve,indicando seu grau de confiabilidade e possibilidadede utilização.

Nesta aula os jovens prosseguirão o processo de

aprendizagem dos tipos de sensores, seu funcio-

namento e aplicações.

Quarta Aula


10min

Além da reprodução das imagens, a possibilidade de manuseio e a leitura de manuais darão

maior motivação aos jovens durante sua explanação.

borracha borracha

contatoscontatos

pontos de conexão pontos de

conexão

Normalmente aberto Normalmente fechado

Sensores de vazão

Sensores de vazão medem a quantidade de materialfluído que passa por um ponto em um determinadotempo. Usualmente o material, gás ou líquido, flui emum tubo ou em um canal aberto.

Sensores de vazão baseados na pressão

A pressão de um fluído em movimento é proporcionalà vazão. O sensor de vazão mais simples é a placa deorifício.

Fig. 22 – Placa de orifício.

Cálculo da vasão

Q = CA (P2 – P1)

Q: vazão C: coeficiente de descarga (aprox. 0,63 para a água, se o diâme-

tro do orifício tiver, pelo menos, metade do diâmetro do tubo) A:área do orifício d: densidade do fluído P2 – P1: diferença de pressões g: aceleração da gravidade

Equação aproximada: a vazão real depende de efeitos develocidade, da razão das áreas A1/A2 e da condição da superfíciedo tubo.

2g

d

Outro sensor de vazão baseado na pressão utiliza-se deum venturi para criar a diferença de pressão. O sensorpor venturi tende a manter a vazão laminar.

Fig. 23 – A placa de orifício e o tubo venturi ocasionamquedas de pressão no tubo por onde escoa o fluído.

VenturiÉ uma restrição gradual, num tu-bo, que faz com que a velocidadedo fluído cresça na área constrita.

Área do orifício

A1: Área do orifício

A2: Área do tubo

P2 P1

P2 P1

Baixa pressão



Sensores de vazão por turbinas

Os sensores de vazão por turbinas, também conhecidospor tipo spin ou flowmeters, empregam uma hélice(paddle wheel ou propeller) instalada na direção da va-zão. A velocidade de rotação da hélice é proporcionalà velocidade de escoamento do fluído.

O movimento da hélice é captado por um sensor de efei-to Hall que fornece um pulso a cada rotação da hélice.

Fig. 24 – Sensor de efeito Hall.

Medidores de vazão magnéticos

O fluído em movimento age como um condutor emmovimento num gerador. Uma seção não condutora dotubo é colocada sob um campo magnético.

Produz-se então uma tensão proporcional à velocidadedo fluído, detectada por eletrodos aos lados do tubo.

Em grupos, prepare os jovens para, numa visita à fábri-ca, identificarem os diversos tipos de sensores, organi-zando tabelas que indiquem o sensor, a máquina ondeé aplicado, o tipo de aplicação na máquina.

Passo 2 / Identificando sensores

40min

Sensor de efeito Hall

Fig. 25 – Sensor magnético.

Fluxo de fluido


Sensor Máquina Aplicação na máquina

Termopar Forno Elétrico Medição da temperatura ideal de funcionamento

... ... ...

Nesta aula os jovens aprenderão a realizar medição

de posição, força, torque e temperatura, bem como

as características dos sinais analógicos e digitais.

Quinta Aula


30minMedição de posição, força,torque e temperatura

As medições de posição, força, torque e temperaturaocorrem a partir do sensoriamento estudado no itemanterior. Existem várias possibilidades de medição de ca-da grandeza, a qual é obtida através do uso do sensormais adequado ao tratamento de sinais, do tipo devisualização ou dos materiais envolvidos.

Medição de posição

Conforme a necessidade de monitorar todo o deslo-camento de algum sistema ou apenas uma etapa deum processo (o ponto de término ou o início de pro-cesso, por exemplo), pode-se utilizar um sistema deencoder, sensores de fim de curso, ou ainda sensoresóticos, indutivos ou capacitivos.

Se não for possível identificar claramente por meio deobservação qual o tipo exato de sensor, peça que formu-lem hipóteses, conversem com os operadores. Ao final,em grande grupo, discuta os achados dos jovens, con-firmando ou não suas inferências.

Sugestão de tabela:

Para solucionar dúvidas, indique a consulta aos manuais do fabricante das máquinas.


Lineares Medem a posição ao longo de um eixo. Usando-se três eixos, podem ser medidas as variações deposição no espaço. Neste caso, é possível utilizarsensores óticos ou potenciômetros lineares.

Angulares As posições ao longo de uma rotação são deter-minadas em forma de ângulos.

De passagem Indicam que um elemento está passando por umponto importante do sistema.

Medição de força e torque

A medição de força e torque, em geral, é feita indireta-mente, por sensores de pressão, posição ou piezoelétrico.Entretanto, o sensor mais utilizado é o estensômetroresistivo (strain gauge).

Medição de temperatura

Na indústria, a medição de temperatura é feita, normal-mente, através de termopares, que têm larga faixa deoperação, grande durabilidade e facilidade de acopla-mento a sistemas de medição.

Características dos sinaisanalógicos e digitais

Os sinais elétricos, enviados pelos sistemas sensores,variam numa razão chamada de sensibilidade oufunção de transferência do transdutor.

Os sinais de saída podem ser de três tipos: variação de

tensão (preferido), variação de corrente ou variação de

carga. Cada tipo pode ser ainda analógico ou digital.

Os sinais analógicos são aqueles que podem apresentarqualquer valor e que variam de incrementos infinite-simais. Também são chamados lineares.

Os sinais digitais são aqueles que só apresentam valo-res que possam ser escritos na forma binária.

Sistemas de aquisição de sinais

Também os sistemas de aquisição e tratamento desinais podem ser analógicos ou digitais. Tais sistemas sediferenciam no processo interno. No caso do circuitoanalógico, o sinal é processado da forma que entra.

Os medidores de posição são classificados em três tipos:


A eletrônica digital é especialmente adequada para aconstrução de computadores, máquinas que operambaseadas em números. Dentro de um computador, todasas informações, sejam elas de som, de imagem e de es-crita são convertidas em números, que podem ser pro-cessados diretamente. Na eletrônica industrial, isto éespecialmente desejado, pois dá grande flexibilidadeàs aplicações de diversas máquinas.

Os circuitos digitais se baseiam na utilização de portaslógicas, que consistem em circuitos eletrônicos (ou atémesmo em bancos de relés). Para um sinal de entrada de"0" ou "1", corresponde uma resposta especifica, se-gundo uma tabela verdade. A seguir, são apresentadasas principais portas lógicas e suas respectivas tabelas ver-dade. A partir delas, pode-se construir todas as outras.

Imagine um tabuleiro de xadrez. Nele, você movimenta as peças com a mão. Quando uma

peça vai de uma casa a outra, o movimento é suave, analógico.

No circuito digital, ocorre que o sinal de entrada é transformado em uma seqüência de

números. Imagine então o mesmo tabuleiro de xadrez, com todas as casas do tabuleiro

numeradas. Para mover uma peça, você diz o número da casa onde ela se encontra, o número

das casas pelas quais passará em seqüência, e o número da casa de chegada. A peça, simulta-

neamente, se movimenta aos saltos, digitalmente.

Nos dois casos, o resultado é idêntico, os tempos de viagem da peça de xadrez podem ter sido

os mesmos, mas a forma de movimentação, o processo, foi diferente.

S

Entrada E

1

0

Tabela Verdade

Porta

InversoraSaída S

0

1

E

Símbolo

Símbolo Entrada E2

0

0

1

1

Entrada E1

0

1

0

1

Tabela Verdade

Porta

AND

(E)

Saída S

0

0

0

1

SE2

E1

Símbolo Entrada E2

0

0

1

1

Entrada E1

0

1

0

1

Tabela Verdade

Porta

OR

(OU)

Saída S

0

1

1

1

E1

E2S


Observe a reprodução da mesma imagem com diferen-tes níveis de digitalização: quanto menor a unidade dedigitalização (pixel), melhor a imagem. A figura apre-senta a mesma imagem com definição de 10, 15, 20 e30 dpi – dot per inch (pontos por polegada).

A eletrônica analógica, por sua "suavidade", é especial-mente adequada para os processos que exigem extremaprecisão. Durante muito tempo, os equipamentos deáudio eram exclusivamente analógicos. Recentemente,a eletrônica digital se desenvolveu muito e, para os pa-drões humanos, oferece uma precisão aceitável aliada aum baixo custo.

Educador, as tabelas acima podem ser reproduzidas eentregue aos jovens ou, ainda, projetadas por retropro-jetor. É importante que os jovens possam visualizá-las.

Atualmente, existe um processo de digitalização tanto do áudio transmitido via rádio, quanto das

imagens transmitidas pela TV. O Brasil ainda procura um padrão para a transmissão de TV digital,

que oferece uma transmissão com qualidade muito superior à dos atuais aparelhos analógicos.

ugo

Am

aldi

Fig. 26 e 27 – Imagemcom vários níveis de digitalização.


Sistemas de transmissão de sinais

Os sinais podem ser transmitidos diretamente do sis-tema sensor, através de chicotes de cabos até o sistemade controle. No entanto, os sistemas de sensoriamentomais modernos comunicam-se através de sinais digitais,padronizados em protocolos, que possibilitam aosequipamentos de diversos fabricantes "conversarem"entre si. Os protocolos mais comuns são RS232C e RS485.

Dependendo do tipo de ambiente e do nível de ruídoelétrico, é possível optar pela comunicação através defibras óticas.

Se forem conectadas às portas conforme indica odiagrama, qual será a tabela verdade?

Passo 2 / Revisando aprendizagens

20min

Símbolo Entrada E2

0

0

1

1

Entrada E1

0

1

0

1

Tabela VerdadePorta

Inversora e

AND(E)

associadas

Saída S

SE2

E1

Se forem conectadas às portas conforme indica o dia-grama, qual será a tabela verdade?

Símbolo Entrada E2

0

0

1

1

Entrada E1

0

1

0

1

Tabela VerdadePorta

Inversora e

AND(E)

associadas

Saída S

SE2

E1


Nesta aula serão realizadas atividades práticas de

revisão dos conteúdos até aqui aprendidos.

Sexta Aula

Passo 1 / Aula prática

50minRevisão aprendizagens

Educador, sugira que, individualmente, os jovens reto-mem as anotações relativas ao capítulo 5, e propo-nham uma utilização de sensor ou transdutor numaatividade de sensoriamento que ainda não tenha sidosolicitada. Peça que descrevam o procedimento realiza-do e indiquem qual o tipo de sensor mais adequado.

Faça você uma proposta, ou aponte alternativas com acolaboração dos jovens. As possibilidades são grandes.Vão desde um sensor ótico no interior de uma geladei-ra, para garantir que a lâmpada da mesma se apagou,até a utilização de um transdutor termopar implanta-do em uma pessoa, para se ter certeza da temperaturado corpo.

Estabeleça 30 minutos para esta parte do trabalho. De-pois, reúna-os em grupos de três e proponha que con-frontem e complementem suas respostas.

Nos minutos finais, retome o processo com o grandegrupo, explorando os resultados obtidos.

Símbolo Entrada E2

0

0

1

1

Entrada E1

0

1

0

1

Tabela VerdadePorta

Inversora e

AND(E)

associadas

Saída S

0

0

1

0S

E2

E1

Símbolo Entrada E2

0

0

1

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Entrada E1

0

1

0

1

Tabela VerdadePorta

Inversora e

AND(E)

associadas

Saída S

1

1

1

0S

E2

E1


6 Circuitos de Controle de Processo

Neste capítulo serão estudadas as aplicações dos elementos vistos no capítulo 5. Para

que os jovens possam visualizar os sistemas, ilustrações complementam o conteúdo, e,

na medida do possível, deverão ser substituídas por modelos encontrados na empresa.

Para a compreensão desses conteúdos, são necessários conhecimentos de corrente

elétrica e seus efeitos (disciplina de Eletricidade) e de símbolos eletrônicos (disciplinas

de Medidas Elétricas e Desenho Técnico e Eletromecânico).

Será necessário que os jovens tenham contato com a nomenclatura e simbologia de

instrumentação industrial através dos manuais das normas técnicas mais utilizadas, e

que tenham a sua disposição diagramas e manuais de equipamentos de fábrica.

Espera-se que, ao final deste capítulo, os jovens sejam capazes de compreender as

diversas etapas dos sistemas de automação industrial e ter uma noção do que são

sistemas de malha aberta e fechada.

Conhecer os diversos tipos de circuitos, sua nomenclatura e simbologia;

Identificar e caracterizar diversos tipos de circuitos, quanto à sua aplicação e às tecno-

logias envolvidas;

Realizar testes e análises em circuitos, aplicando os conhecimentos teóricos à prática;

Relacionar o que foi apresentado às situações de fábrica.

Objetivos


Nesta aula, serão estudados os tipos de circuitos e

os jovens serão estimulados a elaborar diagramas

em bloco de um sistema de controle hipotético.

Primeira Aula

Passo 1 / Exposição dialogada

20minTipos de circuitos

Sugere-se a discussão prévia dos exemplos que se en-contram no texto de apoio, com vistas a explorar ascondições do grupo para formular inferências a partirdo que já foi estudado. Estimule-os a fazerem anota-ções a partir do detalhamento de cada sistema.

Após a exposição, distribua o texto de apoio que seguepara que os jovens possam complementar as informa-ções.


Tipos de circuitosUm circuito de controle de processo é um conjunto de dispositivos eletrônicos, elétricos oueletromecânicos, que mantém uma ou mais grandezas físicas dentro de condições definidas nasua entrada. Um circuito de controle é um dos tipos de sistemas de controle.

Um sistema de controle pode ser composto por componentes eletrônicos, elétricos, mecânicos,ópticos e até por seres humanos.

Exemplo 1 Um operador e um registro hidráulico compõem um sistema de controle de nível de uma caixad'água, se este tiver orientação (entrada) e uma régua de medição de nível (sensor).

As grandezas físicas controladas são várias, mas as mais comuns são temperatura, pressão, vazão,nível de líquidos ou sólidos, velocidade, freqüência, posição linear ou angular, tensão, correntee luminosidade.

A entrada do circuito de controle pode ser o ajuste feito nos botões no painel do controlador,nos sistemas de controle analógicos e digitais, ou através de um programa, nos circuitos decontrole microprocessados (equipamentos CLP – Controlador Lógico Programável).

Fig. 1 – Sistema de controle manual.

No CLP (Controlador Lógico Programável) é feito um programa em linguagem de máquinaque define a operação dos sistemas de controle e o CLP se adapta às inúmeras aplicações,conforme a programação.

Fig. 2 – Painel de CLP.


Tip

os d

e c

irc

uit

os


Estruturas de sistemas de controleQuanto à estrutura, um sistema de controle pode ser de malha aberta, no qual a entrada defi-ne o comportamento do controlador, cérebro do sistema, e este responde agindo noambiente, sem verificar depois se o nível da grandeza física corresponde de fato à entrada.Não há sensor para observar algum eventual desvio, nem realimentação, para corrigi-lo.

Exemplo 2 Um operador e um registro hidráulico compõem um sistema de controle de nível de umacaixa d'água, se este tiver orientação (entrada) e uma ordem de, a cada dez minutos, porexemplo, acionar o registro por um minuto. Ele sabe que repõe a água na caixa, mas nãosabe a que nível ela fica a cada carga.

Exemplo 3O operador de um reservatório verifica se o nível máximo foi atingido através de uma réguade nível (ou observação direta), que é o sensor. O sinal de erro é a diferença entre o nível má-ximo, que é a entrada desejada, e a saída, o nível atual. A comparação entre ambos é feita namente do operador, que age abrindo ou fechando o registro conforme o erro seja para mais(excesso do fluído) ou menos. Ele é, ao mesmo tempo, o comparador, o controlador e oatuador neste sistema elementar.

Os sistemas de malha fechada verificam a ocorrência de desvios, pois contêm um sensor, quemonitora a saída, fornecendo um sinal que retorna à entrada, formando uma malha de reali-mentação. A entrada e a realimentação se juntam num comparador, que os combina e forneceum sinal de erro, diferença entre os sinais, com o objetivo de orientar o operador.

Os sistemas de controle em malha fechada são mais precisos, pois detectam e corrigem osdesvios. A maioria dos sistemas atuais, analógicos ou digitais, é deste tipo.

Os sistemas de controle em malha aberta são usados onde a freqüência ou a conseqüência dosdesvios não justificam a complexidade e o custo maior dos sistemas de malha fechada.

As grandezas físicas são sempre analógicas, variando desde um valor mínimo a um máximo,continuamente. No entanto, os sistemas de controle se dividem em analógicos e digitais,conforme os sinais manipulados pelo controlador.

Sistemas analógicos – todos os sinais são analógicos, e o controle é feito em tempointegral. O sistema de controle é mais simples e, em geral, mais econômico. Sua desvantagené a pouca flexibilidade, pois só é possível alterar alguns parâmetros. O tipo de ação de con-trole, por exemplo, só pode ser alterado mediante a mudança do circuito se o sistema decontrole for eletrônico.

Sistemas digitais – são mais complexos, pois requerem sempre:

interface de entrada: um conversor analógico-digital que transforma os sinais em códi-go binário, que pode ser compreendido pelo controlador;

interface de saída: conversor digital-analógico que se adapta à saída do controlador(em alguns casos não é necessário, já que em muitos dispositivos acionados os atuadores sãodigitais – ligam ou desligam). Eles se diferenciam também por atuarem por amostragem: de tempos em tempos, o contro-lador atua, de acordo com o programa de controle, formando ciclos, entre os quais o sistemanão reage. Seu custo mais elevado (hoje cada vez menor, pela evolução tecnológica) é justifi-cado pela grande flexibilidade, pois basta alterar o programa para mudar o tipo de ação decontrole e seus parâmetros.


Diagramas de blocosAs partes dos sistemas de controle costumam ser representadas graficamente através dediagramas de blocos. Estes são símbolos que mostram o relacionamento entre as partes e ofluxo dos sinais.

Sistema em malha abertaA entrada é o nível desejado da grandeza controlada (comando ou programação). O con-trolador avalia este sinal e envia um sinal (que pode ser elétrico ou mecânico, conforme osistema) ao atuador, que é o elemento que age no ambiente de modo a alterar a grandeza.

Fig. 3 – Sistema de malha aberta.

Controlador Atuador

Fig. 4 – Sistema de malha fechada.

SaídaEntradaSomador

Realimentação

AtuadorControlador

Sensor

Sistema em malha fechadaNeste caso, além dos blocos que compunham o sistema de controle de malha aberta, temosum sensor que reage à grandeza física enviando um sinal ao bloco somador. Este soma estesinal ao de entrada (conforme o sinal + ou – de saída, abaixo ou acima do nível esperado),fornecendo um sinal de erro ao controlador. O controlador, então, avalia o sinal e tentacorrigir o desvio captado pelo sensor, através de um novo comando ao atuador.

A precisão do sistema de controle de malha fechada depende tanto do controlador e do atua-dor (como ocorre no de malha aberta) quanto do sensor, que tem de ser o mais linear possível(o sinal de realimentação fornecido pelo sensor deve ser proporcional à grandeza física). Osdiagramas mostram graficamente o funcionamento dos sistemas, e valem para qualquertecnologia ou grandeza controlada, variando apenas a atuação de cada bloco.

Passo 2 / Atividade Prática

20min

Construindo diagramas

Proponha que os jovens, em grupos, a partir das ano-tações de aula, elaborem um diagrama em blocos deum sistema de controle hipotético: um para malhaaberta e outro para fechada.

Depois de elaborados os diagramas, incentive-os a apre-sentá-los, discutindo a sua aplicabilidade e as possíveisfalhas.

Em 1788, James Watt criou um sistema de regulagem paramáquinas a vapor que permitia realimentação. Na época, oaquecimento de água, a partir da queima de carvão produ-zindo vapor, era uma das formas de produção e transmissãode energia mais utilizada, pois a eletricidade só veio a ser de-senvolvida mais tarde. Muitas máquinas funcionavam assim,entre elas as locomotivas a vapor. O mecanismo desenvolvi-do regulava o fluxo de vapor nas máquinas. Consistia em umeixo vertical com dois braços próximos ao topo, tendo umpeso em cada extremidade. Assim, a máquina funcionava demodo a se regular automaticamente.


10min

fluxo de vapor normal

rotação normal

fluxo de vapor normal

rotação alta

Fig. 5 – Representação do fluxo de vapor.

Simbologia e nomenclatura da instrumentação industrial

A simbologia e nomenclatura da instrumentação indus-trial são bastante extensas, e estão apresentadas emmanuais da ISA – The Instrumentation, Systems, and

Automation Society, e nas normas da ABNT – Associa-ção Brasileira de Normas Técnicas.



ISA – The Instrumentation, Systems, and Automation Society

A Instrument Society of America surgiu em 28 de abril de 1945, em Pittsburgh, na Pennsylvania(Estados Unidos). Fundada por Richard Rimbach, como uma organização local, a entidadelogo cresceu, passando a ter abrangência nacional. A instrumentação industrial desem-penhou um papel importante na expansão tecnológica patrocinada pela Segunda GuerraMundial. Rimbach e outros perceberam a necessidade de partilhar informações, assim comode estudar a padronização da instrumentação, o que motivou a criação da ISA. Nas décadasseguintes, a entidade continuou a crescer, tornando-se influente e representativa. Simpó-sios, conferências, exposições, desenvolvimento e treinamento profissional são alguns dosprodutos e serviços que a entidade oferece atualmente. Hoje, com visibilidade internacional,a ISA vai além da instrumentação, atuando também nos setores de Sistemas e Automação. Aatual designação da entidade é ISA – The Instrumentation, Systems, and Automation Society.1

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas

Fundada em 1940, a ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas – é o órgão responsávelpela normalização técnica no país, fornecendo a base necessária ao desenvolvimento tecnoló-gico brasileiro. É uma entidade privada, sem fins lucrativos, reconhecida como Fórum Nacio-nal de Normalização – ÚNICO – através da Resolução n.º 07 do CONMETRO, de 24/08/1992.É membro fundador da ISO (International Organization for Standardization), da COPANT(Comissão Panamericana de Normas Técnicas) e da AMN (Associação Mercosul de Normali-zação). Maiores informações podem ser obtidas no site www.abnt.org.br

1 Sobre esse assunto, maiores informações poderão ser obtidas nosite www.isacampinas.com.br

Dispositivos de controle

Os dispositivos de controle são aqueles que comandam oprocesso, a partir de variáveis de entrada e possíveis rea-limentações por sensores na saída do processo industrial.

O objetivo de um sistema de controle é tornar o fun-cionamento de um sistema o mais linear possível. No

Nesta aula os jovens conhecerão os dispositivos

de controle, tipos e características.

Segunda Aula


15min

É importante que o educador possua estas normastécnicas em mãos para, junto com os jovens, identificarem diagramas os diferentes tipos de dispositivos.


O controle manual é feito pelo operador. Este monito-ra os sinais de saída e toma as decisões na entrada doprocesso, verificando a saída, como foi proposto noexemplo do operador que comandava o registro deuma caixa d’água. Outro exemplo poderia ser o contro-le feito pela pessoa que toma banho controlando a tem-peratura da água que cai sobre si através do registro devazão de água.

O controle pode ser também automático, existindo en-tão dois tipos principais de controladores: CLP e o CNC.

Controladores lógicos programáveis (CLP) oucontroladores programáveis (CPs) – são usadospara controlar uma sucessão de eventos. Basicamente oque temos é um computador que recebe sinais de sen-sores e/ou chaves, executa um programa e envia ordensàs saídas, as quais acionarão elementos como motores,válvulas, etc. São equipamentos largamente utilizadosna indústria, pois permitem que o processo possa sermodificado com facilidade, além de serem compactos erobustos.

Fig. 6 – Diferençaentre sistemas sem e com controle.

entanto sempre existirá certa variabilidade, que deveestar dentro de limites aceitáveis. Na figura abaixo, épossível observar a diferença esperada entre um siste-ma sem controle e com controle.

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Sem controle

Com controle

Fig. 7 – Algunsmodelos de CLP´s.

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Controle numérico computadorizado (CNC) – sig-nifica o uso de um computador para comandar o ca-minho da ferramenta cortante de um torno mecânicoou uma máquina fresadora. Isso determina uma altaprecisão no produto final e alta repetibilidade com ummesmo programa. Há possibilidade de união entre ocomando CNC diretamente com um CAD (Projeto Assis-tido por Computador), pacote que permite produzir oproduto diretamente a partir do projeto.

Fig. 8 – O projeto realizado no computador está sendo realizado por um sistema decontrole numérico.

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Desafie os jovens a, em grupos, montarem um circuitoque, com o uso de um sensor, acenda uma lâmpada ouled, para informar o operador. O objetivo é serem cria-tivos na montagem, valendo-se do que aprenderam nadisciplina. O sensor mecânico, montado no capítuloanterior, pode ser aqui utilizado.

Após a realização do experimento, solicite que os jovensregistrem todo o processo, elaborando um esquemaelétrico.

Enquanto trabalham, percorra os grupos, problematizeas situações construídas por eles com vistas a verificaras aprendizagens construídas e a mobilizar o maior nú-mero possível de variáveis em que possam expressá-las.


35min

Para esta atividade, serão necessárias sucatas obtidas na própria empresa.


Nesta aula os jovens conhecerão os dispositivos

de medição: aquisição e controle de sinais.

Terceira Aula


25min

Dispositivos de medição:aquisição e tratamento de sinais

Os dispositivos de medição estão agrupados em siste-mas de medição que podem ser resumidos no diagramaem blocos abaixo representado.

Apresentaçãoda Variável

Aquisição de dados

e/ou apresentação

Transdutor econdicionador

de sinal

Filtragem(analógicaou digital)

Variável aser medida

Fig. 9 – Diagrama em bloco de um sistema de medição.

Definição de cada bloco:

Transdutores: foram apresentados no capítulo 5, etratam-se de elementos que transformam algum tipode grandeza em sinal elétrico.

Condicionadores de sinal: são os elementos que trans-formam um sinal elétrico qualquer em um sinal dentrode níveis que possam ser interpretados por um sistemade aquisição de dados ou apresentados. Os níveis desinal padrão em tensão vão de 0 a 10V, enquanto queos de corrente oscilam entre 0 e 40 mA.

Filtragem: esta etapa do sistema esta encarregada deeliminar ruídos que possam interferir na interpretaçãodo sinal, seja ele analógico ou digital. Os ruídos podemser induzidos, intrínsecos ou de condicionamento.

Variáveis de processo

São entidades matemáticas associadas a fenômenosfísicos ou químicos, cujos valores podem se modificarao longo do tempo. Em um processo industrial, estasvariáveis podem ser associadas à pressão, temperatura,posição, vazão, velocidade, nível, pH, entre outros.

Variáveis analógicas e digitais: uma variável échamada analógica quando pode assumir infinitosvalores (dentro deuma faixa – range –de valor máximo emínimo) durante umintervalo de tempo.

Fig. 10 – Sinal analógico.

Sinal Analógico

Variável de Processo

Tempo

Aquisição de dados: é o componente no qual os da-dos obtidos pelo sistema de medição são armazenadospara processamento. Constitui-se, geralmente, de pla-cas eletrônicas que agem como interfaces entre umaunidade de processamento e o sistema de aquisição pro-priamente dito.

Apresentação da variável: é o elemento do sistemade medição que apresenta o valor da variável para ooperador. No entanto, nem todas as variáveis são apre-sentadas diretamente para o operador, existe a possi-bilidade de que algumas sejam agrupadas e operadas,resultando em uma grandeza derivada que é apresen-tada em um display, um monitor, um galvanômetro ouaté mesmo pelo acendimento de uma lâmpada piloto.

Ruídos induzidos

Ruídos intrínsecos

Ruídos de condicionamento

São aqueles provocados por campos eletromagnéticosnas proximidades dos condutores de sinal ou do pró-prio transdutor.

São aqueles que ocorrem devido à própria natureza dotransdutor.

Ocorrem quando o sinal é amplificado ou atenuadopara atuar em uma faixa restrita de valores de tensãoou corrente ou mesmo quando o sinal é digitalizado oupassa de digital para analógico.


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Um exemplo de variável analógica pode ser apresen-tado através de um sistema de medição de nível notanque de combustível de um automóvel.

O sistema é formado por um resistor variável e umabóia (elemento sensor), que informa continuamente aoindicador a quantidade de combustível existente notanque, através de um circuito analógico. Com base naleitura do indicador, o motorista, que é a unidade decontrole, ao notar que resta pouco combustível no tan-que, o reabastecerá.

Uma variável é chamada de digital quando assume so-mente dois valores (ligado ou desligado, alto ou baixo).

Fig. 12 – Sinal digital.

Como exemplo de sinal digital, tem-se o que ocorre emnível industrial, de forma semelhante e simplificada namedição do nível de um tanque qualquer, onde podemser usados outros sensores do tipo chaves de nível. Aquantidade de líquido será controlada automaticamen-te através dos sensores de nível alto e baixo. Quando onível do tanque baixar de um valor mínimo, será com-pletado através da válvula de entrada, que se desligará

Variável

Tempo

Resistência Variável

Tanque de combustível

Indicador

Circuito eletrônico

Fig. 11 – Medição de nível do tanque de combustível num automóvel.

Bóia


Programe uma visita à fábrica, e peça aos jovens queidentifiquem o maior número possível de sistemas demedição e aquisição de dados.

Recomende que façam anotações, observando a fina-lidade dos sistemas e pesquisando seu princípio de fun-cionamento.

Alerte para a forma de apresentação dos dados obser-vados: um relatório que será considerado como um doselementos que comporá a avaliação final.


25min

Nesta aula os jovens conhecerão os atuadores e

seu funcionamento, bem como sua aplicação.

Quarta Aula


20min

Educador, não esqueça que a visualização dos dis-positivos é importante nessa fase da construção doconhecimento, facilitando o seu reconhecimentoposterior.

quando o nível atingir o valor máximo. Neste sistema sim-plificado, só existem dois estados possíveis para cadasensor do tanque: ligado ou desligado.

Fig. 13 – Tanqueindustrial.

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Entrada

Saída

Chave de Nível Alto

Chave de Nível Baixo


Atuadores

São dispositivos de saída do sistema de controle quealteram a grandeza controlada, como os motores, oseletroímãs, os freios magnéticos, as fechaduras magné-ticas, as válvulas solenóides, os calefatores, as lâmpa-das, entre outros.

Motores: nnos sistemas de controle de posição e velo-cidade, nos robôs e máquinas industriais, impressoras,plotter’s, CD’s, DVD’s e unidades de disco de computa-dores são usados motores, em geral junto a engrena-gens ou correias, como atuadores. Na maior parte, sãomotores de indução, CC comum ou sem escovas (prefe-ridos em baixa potência pela facilidade de controle).

Fig. 14 – Diversos tipos de motores.

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Eletroimã: em aplicações como o transporte de peçasde ferro ou níquel, em guindastes, ou garras de robôse travas magnéticas, são empregados eletroímãs, ape-sar do alto consumo de energia, uma vez que toda for-ça mecânica do sistema provém diretamente do campomagnético gerado por corrente elétrica.

Fig. 15 – Alguns tipos de eletroímãs.

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Fig. 16 – Atuadores de freio magnético.

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Freio magnético: éé um eletroímã que paralisa omovimento rotativo de um motor. Há dois tipos: aque-les cuja trava é feita por molas, liberadas por ação doeletroímã, que fica normalmente ligado durante o giro,e os acionados diretamente na frenagem, normalmen-te desligado. O freio magnético é comum em sistemascom reversão de sentido de rotação, reduzindo o golpemecânico e o pico de corrente na reversão.

Fechadura magnética: éé utilizada utilizada em sistemas desegurança, cofres e porteiros eletrônicos. Sua trava éliberada através de um eletroímã, com um breve pulso.Em certos casos, o fechamento não é manual, mas atra-vés de outro eletroímã. Existem também fechadurasmagnéticas sem peças móveis. A força de fechamentoprovém diretamente do campo magnético criado pelapassagem da corrente elétrica. Estas têm um consumoelevado de energia.

Fig. 17 – Fechadura magnética sem

peças móveis.

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Válvula solenóide: empregada em controle de fluxode líquidos, nas indústrias. Consiste de um ou mais cami-nhos interceptados por pistões, acoplados a eletroímãs,que liberam ou não o fluxo. O tipo normalmente aber-to, NA, tem o fluxo interrompido quando o eletroímãé acionado; no tipo normalmente fechado, NF, os pis-tões são pressionados por molas, que são liberadas peloeletroímã, abrindo a válvula. Existem válvulas solenói-des comutadoras, que atuam como chaves e direcio-nam o fluxo para uma das várias saídas, cujo eletroímãfoi acionado.


Fig. 18 – Válvula solenóide.

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Calefatores: eem certas aplicações, como estufas, for-nos industriais e fornos elétricos residenciais, são usadoscalefatores (resistências). São geralmente feitos com ligascomo níquel cromo, ou tungstênio e, se a tensão aplica-da for muito alta, são recobertos por material eletrica-mente isolante, mas bom condutor de calor.

Fig. 19 – Calefatores diversos. .

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Lâmpadas: os sistemas de iluminação automática deemergência e relés fotoelétricos de iluminação públicausam lâmpadas incandescentes, fluorescentes, de vaporde mercúrio ou mistas como atuadores.

Fig. 20 – Vários tipos de lâmpadas.

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Com o uso da internet e/ou com catálogos e revistas daárea de automação industrial, peça aos jovens quecataloguem outros tipos de atuadores que não foramelencados ao longo da aula, anotando suas caracte-rísticas, vantagens e limitações.

O resultado da pesquisa deve ser apresentado naforma de tabela, para que a consulta seja simplificada.


30min

Educador, também é possível estender a catalogação para os sensores, a seu critério.

Nesta aula serão estudados os dispositivos de

segurança, sua utilização e características.

Quinta Aula


10min

Dispositivos de segurança

São aqueles utilizados para prevenir problemas para osoperadores, para o próprio sistema ou mesmo para ascomunidades próximas.

Isto depende do nível de risco do equipamento. Ossistemas de proteção normalmente são duplicações dossensoriamentos e controles de operação corriqueira damáquina, que existem para prevenir possíveis falhas dosistema controlador principal ou do operador.

Em caldeiras de grande porte, há circuitos de mediçãode temperatura e pressão auxiliares que, no caso deperigo, podem realizar um alívio de pressão e tempera-tura, evitando que ocorra uma explosão. Estes sistemaspodem ser muito simples, como fragilidades estruturaisem pontos específicos de uma caldeira, que seriam osprimeiros a estourar e aliviar a pressão, ou muito com-plexos, como os sistemas de monitoramento de pressãoe temperatura, em diversos pontos de uma caldeira,enviando sinais a um sistema de processamento queconstantemente avalia a evolução dessas variáveis emrelação a sua solidez estrutural.


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Estes dispositivos são, portanto, sistemas de sensores,controladores e atuadores, que visam especificamenteà segurança do processo, atuando em paralelo com osistema principal de controle de todo o sistema e pron-to para, a qualquer momento, assumir o controle total,parando o processo produtivo ou acionando alarmessonoros e visuais.

Na figura a seguir é apresentado um sistema paralelode segurança que forma uma rede de proteção, ondeinformações de sensores ou chaves de emergência po-dem provocar a ação do sistema sobre os contatores eparar o processo produtivo.

Não raramente, operadores enganam os sistemas de proteção para aumentar a pro-

dutividade de uma máquina além daquela preconizada pelo fabricante, "facilitar" o

seu trabalho, ou simplesmente porque julgam que a máquina não representa perigo.

Isso é uma irresponsabilidade e acaba por ser a causa de diversos acidentes de tra-

balho com perdas humanas e materiais.

Processador da redede Segurança

Processador da rede de Segurança

Auxiliar

Rede de SegurançaFluxo de Dados

Terminal de entrada e saída

de dados


de dados


de dados

Sensor de óticode segurança

Sensor de porta de segurança

Fig. 21 – Rede de segurança de indústria de grande porte.

Contactor Chave de parada de emergência

Contactor Contactor


Os dispositivos de segurança são de fundamental im-portância em qualquer empresa, por isso é convenienteque os jovens interajam com profissionais do chão defábrica a fim de se conscientizarem da seriedade e daaplicabilidade do que lhes foi ensinado na teoria.

Sugira que, em grupos, eles organizem uma pesquisajunto aos operadores ou técnicos de manutenção como objetivo de investigar os dispositivos de segurançadas principais máquinas da fábrica, as máquinas maisperigosas, os riscos que apresentam e os seus disposi-tivos de segurança, sejam eletrônicos ou simplesmentemecânicos.

É importante que os jovens adotem uma postura cien-tífica. Nesse sentido, peça que eles elaborem, antes davisita, em pequenos grupos, um pré-projeto no qualconste:

1 Título do projeto;2 Identificação dos jovens;3 Identificação do setor a ser visitado;4 Objetivo da visita;5 Data e horário da visita;6 Questão problematizadora (a ser respondida após

a entrevista dos profissionais);7 Hipóteses (respostas que crêem poderão obter).

Incentive-os a elaborarem questões que relacionem osconteúdos desenvolvidos ao chão de fábrica (realidadea ser por eles enfrentada quando na condição de profis-sionais). Peça que, no relato, incluam dúvidas surgidasna visita/entrevistas ou, ainda, com relação à matéria,bem como uma conclusão.

Educador, o pré-projeto entregue pode ser um doselementos da avaliação da aprendizagem dos jovens.

Faça cada grupo se ocupar de uma única máquina e apresentar seus resultados na forma de

relatório.

Desafie os jovens a, através da observação do trabalho dos operadores, identificarem algum

aspecto relevante relativo à segurança, seja na postura dos operadores ou na própria máquina.

Peça que relatem o que observaram para o grande grupo. (Não será surpresa se alguns dos

jovens perceberem algo arriscado, no que até então parecia seguro).


40min


Para essa aula é fundamental que se disponha dos ma-nuais de normalização ISA e/ou ABNT, além dos manuaise diagramas de algumas das máquinas existentes noparque industrial da empresa. É desejável possuir tam-bém uma máquina para ser analisada, com toda docu-mentação.

Forneça aos jovens os manuais de normalização e, apartir da simbologia apresentada, mostre de maneirageral o funcionamento da máquina no diagrama esque-mático. Indique os principais sensores e atuadores. A par-tir da apropriação destes conceitos por parte dos jovens,peça que criem uma máquina na forma de esboço esque-mático, usando a simbologia oficial.

O tipo de máquina pode ser livre ou com algumas pa-dronizações, como, por exemplo, ter reservatórios delíquido que devem ser mantidos cheios, motores cujavelocidade deve ser monitorada, vazões que devem sermedidas, etc.

O trabalho deve ser apresentado como esboço e na for-ma de relatório escrito, onde constarão as característicasda máquina idealizada.

Nesta aula os jovens realizarão exercícios práticos

de análise e execução de relatórios.

Sexta Aula

Passo 1 / Atividade Prática

50min

Educador, o objetivo desta aula é familiarizar osjovens com a nomenclatura e simbologia oficial dainstrumentação industrial. Ao final do capítulo vocêencontrará algumas tabelas que poderão ser copia-das e entregues aos jovens.


Peça com antecedência aos jovens (já no início do capí-tulo 5), que elaborem questões sucintas (com resposta),para uma prova final (chame-a de QUIZ de Eletrônica

Industrial); elabore também algumas questões de as-suntos que não foram suficientemente abordados pelosjovens.

Coloque as questões em cartões e sorteie-as ao longodo período de avaliação.

Cada questão é respondida rapidamente, até que a res-posta esteja completa e correta, sorteando então umanova questão.

O objetivo do sistema é criar um clima de descontração,numa atividade que normalmente é estressante.

Este tipo de atividade só é prazerosa quando o grupoestá bem integrado, e desenvolve um espírito colabo-rativo.

Nesta aula está prevista a avaliação dos conteú-

dos desenvolvidos nas unidades 5 e 6.

Sétima Aula


50min

Educador, a avaliação final deve ser feita a partirdos trabalhos entregues ao longo dos capítulos 5 e 6,somado ao instrumento final que será aplicado nessaaula.

Ao final do caderno encontram-se questões que poderão, também, ser utilizadas para fins de

avaliação.


1 O que são elétrons livres em uma rede cristalina de silício?

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2 Qual a diferença entre um semicondutor e um isolante?

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3 O que é uma junção PN?

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4 O que é polarização inversa?

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5 Qual a característica mais interessante de uma junção PN?

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6 Quais os elementos químicos mais utilizados como semicondutores?

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7 O que significa dopar um semicondutor?

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8 Uma lacuna é a mesma coisa que um próton livre? Por quê?

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9 Cite algumas vantagens dos semicondutores sobre as válvulas.

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10De que se constitui um diodo semicondutor de junção?

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Exercícios


11Em um diodo polarizado inversamente circula uma corrente? Por quê?

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12O que acontece com um diodo retificador se ele for submetido a uma tensão inversa

maior que sua tensão Zener? Por quê?

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13Faça o esboço da curva característica tensão-corrente de um diodo de junção, isto é,

de todo o tipo de diodo menos o de sinal, indicando as regiões de polarização direta

e inversa.

14Monte um roteiro de teste de diodos utilizando o multímetro. Faça os testes

nos diodos fornecidos.

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15Pode-se fazer funcionar um diodo Zener na região direta? Por quê?

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16Como se poderia resumir a utilidade dos transistores?

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17Pesquisa: Em livros, revistas e na internet, investigue aspectos relativos ao contexto do

desenvolvimento da tecnologia da microeletrônica. Indique os motivos do desen-

volvimento e enumere benefícios diretos e derivados da tecnologia desenvolvida.


18Que área de aplicação da eletrônica teve maior ganho com os circuitos integrados? Pro-

cure imagens na internet que ilustrem o desenvolvimento dessa tecnologia no tempo.

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19Uma das principais características dos circuitos integrados é a diminuição de custos.

Como é possível o emprego de tecnologia tão avançada provocar a diminuição de

preço? Quem pode se beneficiar com isso?

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20Quais são os componentes que podem estar integrados em um só chip?

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21Supondo que um transistor ocupe uma área de 4mm2, determine qual á área neces-

sária de uma placa de circuito impresso para construir um microprocessador Pentium

4 somente com transistores discretos.

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22Um mesmo chip pode se apresentar em encapsulamentos diferentes? Por quê?

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23Qual a diferença básica entre os circuitos integrados lineares e digitais?

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24Quais os critérios para utilizar determinado encapsulamento comercial de um mesmo

circuito integrado?

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25O CI linear LM350 apresentado na figura apresenta dois tipos de encapsulamento,

porém os dois são para montagem PTH. Por quê?

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26Com o uso de soquetes, os circuitos integrados podem facilmente ser removidos e

substituídos. Por que, então, a maioria é soldada e não soquetada?

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27Qual o objetivo de aquecer ou esfriar os circuitos integrados de uma placa que

apresenta problemas intermitentes?

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28Por que dificilmente uma pequena oficina eletrônica dispõe de um equipamento para

teste de circuitos integrados?

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29Quais os principais tipos de motores de corrente alternada?

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30O que justifica o estudo dos motores industriais?

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31Qual o tipo de motor mais utilizado na indústria? Por quê?

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32É possível inverter o sentido de rotação de um motor monofásico? Como?

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33Quais são os dois componentes básicos de um motor indutivo?

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34Faça conexão de um motor monofásico de quatro terminais para 110 e 220 volts.

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35Com o uso do catálogo de um fabricante, identifique as características dos motores

fornecidos pelo educador voluntário.

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36Qual o cuidado necessário ao instalar um motor trifásico em máquinas nas quais ele

só pode girar em um sentido?

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37Pesquisar na fábrica dois tipos de motores usados, suas características e preço.

38Pesquise junto aos operadores quais os problemas mais comuns com os motores e suas

causas e soluções. Compare com a tabela 1. Se necessário, amplie-a e inclua os defeitos,

causas e soluções relatados.

39O que faz um conversor de freqüência?

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40Por que os inversores de fase são tão importantes na indústria moderna?

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41Cite pelo menos uma outra utilidade dos conversores de fase que não seja o controle

de velocidade de motores.

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42Qual o tipo de motor mais usado em automação industrial?

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43Por que os motores de corrente contínua têm ciclo de manutenção em geral mais curto?

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44Qual a principal característica dos motores de passo?

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45Qual é o passo típico do motor de passo?

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46Onde são utilizados os motores de passo?

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47Há diferença entre um botão amarelo e um botão luminoso amarelo? Justifique.

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48O que significa uma lâmpada transparente (incolor) acesa em uma máquina?

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49Qual a finalidade dos dispositivos de proteção nas máquinas?

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50Qual o procedimento para a eliminação de problemas de mau contato?

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51Qual é a primeira etapa no processo de verificação de um equipamento na indústria?

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52Quais são os três tipos principais de fusíveis?

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53Para ligar um motor de corrente nominal igual a 10 A, qual o valor do fusível Diazed

de proteção?

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54Quais são os dispositivos de comando mais comuns?

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55Cite uma semelhança e uma diferença entre os relés e as contatoras.

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56É possível substituir uma ponte retificadora por um conjunto de diodos.

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57O que é um SCR?

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1 Os elétrons livres em uma rede cristalina de silício são elétrons da camada de valência que,por algum motivo, conseguiram se desprender da ligação com átomo vizinho e passarampara a banda de condução, podendo se movimentar livremente pelo cristal.

2 Com um aumento de temperatura, o semicondutor pode começar a conduzir enquanto queo material isolante precisa de muito mais energia para isso.

3 É quando um cristal do tipo P é unido a um cristal do tipo N.4 É quando, numa junção, o pólo positivo de uma bateria é ligado ao lado tipo N, e o pólo

negativo é ligado ao lado tipo P.5 A característica mais interessante de uma junção PN é possuir a capacidade de permitir a

passagem da corrente elétrica em um único sentido.6 Os elementos químicos mais utilizados como semicondutores são o silício e o germânio7 Significa introduzir, no semicondutor, impurezas propositalmente, tornando-o um do tipo

N ou do tipo P.8 Pode-se dizer que a lacuna se comporta como se fosse um próton livre, muito embora, nes-

se nível de reações físicas, jamais ocorram liberações de prótons.9 Os semicondutores são menores, mais leves, mais duráveis e mais baratos.

10Constitui-se de dois cristais semicondutores unidos, um do tipo P e outro do tipo N.11Sim. Circula uma corrente que pode ser considerada nula, de tão pequena. Esta corrente

existe devido às impurezas indesejáveis que existem na constituição do cristal, mesmo antesde ele ser dopado.

12Ele se danifica, porque é fabricado para operar entre o valor Zener e um valor máximo detensão direta.

13O esboço deve ficar mais ou menos assim:

Gabarito dos exercícios

14O roteiro de teste deve ficar aproximadamente assim:Teste de diodosa) Coloque o multímetro na escala de resistências (na menor);b) Se o multímetro for analógico faça o ajuste de zero;c) É importante lembrar que, na maioria dos multímetros analógicos, ao se colocar a chave

na posição para medição de resistência, as pontas ficam invertidas, ou seja, a vermelha –que é a positiva – passa a ser a negativa, e a preta – que é a negativa – passa a ser a positiva;

d) Encoste a ponta vermelha no anodo e a preta no catodo. A resistência deve ser baixa;e) Encoste a ponta preta no anodo e a vermelha no catodo. A resistência deve ser alta;f) Se, por acaso, a resistência medida for alta dos dois lados, é porque o diodo está aberto;

se for baixa em ambos os lados, é porque está em curto.

Tensão direta

corrente de fuga

condução direta

Tensãoreversa

V

Rupturareversa


15Sim. Porque, para a polarização direta, o Diodo Zener se comporta como um diodonormal.

16Servem como amplificadores ou chaves eletrônicas.17É esperado que os jovens compreendam o desenvolvimento das placas eletrônicas

ampliaram qualidade e a segurança da produção industrial e a repercussão positivaquanto ao custo final do produto.

18A área dos computadores, pois a integração dos componentes reduziu em muito otamanho dos equipamentos.

19Devido à produção em escala. Diretamente a grande indústria transnacional, indi-retamente o consumidor final.

20Não existe limitação hoje praticamente todos os componentes podem estar inte-grados em um único módulo.

21Aproximadamente 170 m2.22Sim, para dar diferentes opções de utilização. 23Os digitais operam a chamada lógica digital (zeros e uns) e os lineares ou são circuitos di-

versos discretos que foram integrados para baixar custos ou miniaturizar equipamentos.24Depende basicamente do tipo de produção que será desenvolvido para produção

em baixa escala usa-se componentes PTH , para larga escala, usa-se SMD.25Como o CI LM350 é de potência, tende a esquentar, por isso é preso geralmente a

um dissipador. A variação de encapsulamento permite diferentes tipos de dissipa-dor de calor, o melhor encapsulamento para alta potência é o totalmente metálico.

26Devido ao custo, geralmente os soquetes de boa qualidade custam tanto quantoos CIs ou até mais.

27O objetivo é forçar o aparecimento do problema para que possa ser solucionado.28Porque o custo do equipamento é alto, e ele costuma ser específico para deter-

minados componentes, o que não justifica o seu uso em baixa escala.29É o motor assíncrono e o motor síncrono.30De 70 a 80% da energia elétrica consumida pelo conjunto de todas as indústrias é

transformada em energia mecânica pelos motores elétricos.31O motor assíncrono trifásico. Por sua robustez, baixo custo e bom rendimento.32Somente se for um motor monofásico de seis terminais, invertendo a ligação dos

terminais 5 e 6.33Rotor e Estator.34Siga as indicações apresentadas nesse capítulo, utilize uma chave de fenda isolada

e um alicate apropriado.35As características são: tensão de operação, corrente nominal, corrente de partida,

indicação se monofásico ou trifásico, etc.36Testar o sentido de rotação do motor antes de conectá-lo à máquina.37Os motores devem ser pesquisados a fundo com o uso dos manuais e questiona-

mento dos operadores, para obtenção do preço consultar revendas, ou o departa-mento de compras da empresa.

38Ouça atentamente os relatos dos operadores e procure ser sucinto ao registrar onovo problema, sua causa e solução para a tabela.

39Basicamente modifica a freqüência e amplitude da tensão da rede que é constantepara variável.

40Porque resolvem a maior dificuldade do motor assíncrono, que é o controle develocidade.

41Também são usados para controle de partida dos motores assíncronos, evitandosurtos de corrente.

42Em geral, os mais utilizados são os pequenos motores de corrente contínua, poispodem ser controlados facilmente e não se justifica, para controle, utilizar motoresassíncronos controlados por inversores de fase.


43Porque possuem peças de desgaste, em especial as escovas.44Avançam uma certa medida angular por vez, o que justifica o seu nome. Para que exis-

ta o avanço, é necessário que, em seus terminais, entre a seqüência binária correta.45Em geral 200 passos por volta.46Em todas as aplicações que exijam movimento não linear, mas gradual, com pontos

de parada bem definidos, e baixa potência.47Sim, existe diferença. O botão amarelo significa iniciar um retorno, eliminar uma

condição perigosa. O botão luminoso amarelo e indica atenção, precaução, asfunções previamente selecionadas podem falhar durante o processo.

48Circuito sob tensão, serviço normal.49Os dispositivos de proteção tem como finalidade a detecção de condições de sobre-

carga e, em conseqüência, a garantia da desativação das máquinas supervisionadas.50Desliga-se o equipamento da energia e verifica-se a temperatura aproximada das

conexões. Elas não devem estar com temperatura maior do que os próprios fios. Emalguns casos estão realmente superaquecidas. Nessas situações, o profissional deve– após aguardar o resfriamento – desfazer a conexão e limpá-la ou substituí-la, con-forme o seu estado.

51A primeira etapa consiste na observação visual do equipamento, seja ele qual for.Partes frouxas, derramamentos de óleo, fios soltos, correias folgadas, esteiras malposicionadas, são sinais claros de que a máquina necessita de manutenção

52Diazed, Neozed e NH.53O valor nominal dos fusíveis deve ser entre 150% e 300% da corrente nominal do

motor. Logo será de 15 a 30A.54As botoeiras55Os relés e as contatoras são acionados eletromagneticamente.

As contatoras são fabricadas para acionamento de grandes correntes. 56Sim, uma ponte retificadora é constituída por quatro diodos encapsulados em con-

junto. A mesma conexão pode ser feita com os diodos e a operação será a mesma.57É um diodo controlado. Com um nível de tensão em um dos terminais, é possível per-

mitir ou não a passagem da corrente elétrica no sentido direto.


AnalogiasRelação ou semelhança entre coisas ou fatos.AnodoEletrodo positivo terminal pelo qual a corrente de uma fonte de energia elétrica entra num ele-trólito, tubo de gás ou válvula termoiiônica, e ao qual se dirigem os íons negativos ou ânions.Backup, placas Forma usual de referência às placas de reserva.Carcaças atômicasÉ o que sobra do átomo quando se remove a sua última camada de elétrons, é a parte do átomoque não participa das reações químicas. CatodoDenominação do pólo negativo de uma pilha ou gerador. Eletrodo de onde partem elétronsou íons negativos, ou para onde se dirigem os íons positivos.Circulo viciosaSucessão de idéias ou fatos que retomam sempre a idéia ou fato inicial.Comprimento de ondaÀ distância entre pontos de mesma fase em pulsos sucessivos de uma onda denomina-se com-primento de onda.DepleçãoTermo técnico para estreitamento ou esvaziamento em canal de passagem de elétrons emtransistores especiais.Diferença de potencialO mesmo que tensão elétrica, voltagem ou força eletromotriz. DIP Dual In-Line Package (pacote duplo em linha), uma norma para o encapsulamento de circuitosintegrados.Dielétrica, constanteGrandeza física que expressa quantitativamente o poder de isolação de eletricidade de umasubstância ou do vácuoDiscretos, componentes São os componentes eletrônicos encapsulados unitariamente. Por exemplo: um diodo, ou umtransistor.Elétrons de valência São os elétrons da última camada, os que podem participar de reações químicas.Estator Parte de um motor ou gerador elétrico que não gira durante o funcionamento da máquina eé responsável pela criação de um campo magnético que influencia o rotor.Física quânticaConjunto de princípios físicos que descrevem o comportamento das partículas subatômicas,por meio de interpretações que contrariam os postulados da mecânica clássica. FototerapiaParte da óptica que investiga os métodos e processo de medida de fluxos luminosos e dascaracterísticas energéticas associadas a tais fluxos.GermânioElemento químico amplamente utilizado em sua forma cristalina por suas propriedades semi-condutoras.HistereseFenômeno que consiste em a resposta de um sistema a uma solicitação externa se atrasar emrelação ao incremento ou à atenuação dessa solicitação, como, por exemplo, na magnetizaçãoe desmagnetização de ferro doce po um campo magnético.

Glossário


Impedância É a dificuldade que os dispositivos eletrônicos apresentam para a passagem de corrente alter-nada ou pulsante. Está relacionada à freqüência desta corrente. Intrínseca, condutividade Termo técnico para a capacidade natural de o cristal conduzir eletricidade.ÍonsDenominação genérica das partículas atômicas ou grupos de átomos dotados de carga elétricanão-nula. Abrange os cátions, de carga positiva, e os ânions, de carga negativa. LaserQualquer aparelho que produza radiação eletromagnética monocromática e coerente nas re-giões visível, infravermelha e ultravioleta.Luz infravermelhaRegião do espectro eletromagnético de comprimento de onda maior que a da luz vermelha.Descoberta em 1800.MicroeletrônicaDesignação genérica de processos e técnicas de investigação que envolvem circuitos de estadosólido miniaturizados.MultímetroInstrumento medidor de corrente, tensão e resistência elétricas.OrtodoxasFora dos princípios tradicionais.OsciloscópioInstrumento que permite detectar e observar oscilações. Através de um feixe de elétrons num tubode raios catódicos que registra numa tela fluorescente os sinais elétricos periódicos que recebe.PTHPlaced Through Hole. (Componente preso por furo) componente mais comum, possui leads(condutores ou "pernas") que são introduzidas em orifício para a posterior soldagem.ReostatosResistor variável, utilizado, em geral, para limitar corrente em circuitos ou dissipar energia. SilícioElemento químico amplamente utilizado em sua forma cristalina por suas propriedades semi-condutoras.SMDSurface Montain Device – Componente de montagem em superfície. Tipo de encapsulamentode circuitos integraodos.Solenóide Indutor constituído por um conjunto de espiras circulares paralelas e muito próximas, com omesmo eixo retilíneo, por onde um núcleo ferromagnético pode se mover na existência deuma corrente elétrica.Surto (de tensão)aumento do nível de tensão que pode provocar danos a uma carga.Tabela periódicaTabela em que os elementos químicos são organizados em linhas, que correspondem aos pe-ríodos, e colunas, que formam os grupos.Terceiro quadranteA terceira das quatro partes centradas em que se pode dividir igualmente um círculo.Válvulas eletrônicasDispositivo que consiste em dois ou mais eletrodos, mantido em ambiente fechado, total ouparcialmente evacuado, isto é, sem ar (gases). Entre estes eletrodos circulam correntes elétricascontroláveis pela excitação externa de um ou mais de um deles.Vazio, corrente emCorrente quando o motor não tem carga mecânica conectada.


AMALDI, Ugo. Imagens da física. São Paulo: Scipione,1995. BLAUTH, Yeddo B. et alli. Eberle - Motores elétricos. Porto Alegre: Ed. UFRGS,1991. BRANDASSI, Ademir Eder. Eletrônica digital. São Paulo: Nobel, 1984. CARREIRA, Rita; FONSECA, Pedro; DIAS, Victor da Fonte. Sebenta multimédia. Instituto Superior Técnico,1996/97. CARRON, Wilson, GUIMARÃES, Osvaldo. As faces da física. São Paulo: Moderna; 1997. Catálogo: P&S produtos serviços. São Paulo: Banas, dez. 2001.Catálogo: Tri test research, Inc. Taiwan, s.d. Catálogo: Universal instruments corporation. USA, s.d. claymore.engineer.gvsu.edu/~jackh/books/plcs/chapters/plc_cont_sens.pdf content.honeywell.com/sensing/prodinfo/solidstate/pressreleases/1999/ss490po.stmebid1.123.whitehat.com.br/web/web123.dll?CodTipoPagina=Enciclopédia Como funciona. Abril. DATA, São Paulo, s.d. Enciclopédia Microsoft Encarta. 1993-2001 Microsoft Corporation. es.geocities.com/astrorafael/motorscopio/motherb.html FIGINI, Gianfranco. Eletrônica industrial: circuitos e aplicações. São Paulo: Hemus,1982. FONSECA, Martha Reis Marques da. Química integral. São Paulo: FTD, 1993. KEHR, Manfred. Manual dos comandos elétricos. Recife: SACTES, 1993. LANDER, Cyril W. Eletrônica industrial: teoria e aplicações. São Paulo: McGraw-Hill,1988. MELLO, Hilton Andrade de, INTRATOR, Edmond. Dispositivos semicondutores. Rio de Janeiro: Ao Livro Técnico, 1972. Memory data. USA: Motorola, 1988. orion.ufrgs.br/lmm/353_9_1.htm PORST, Alfred. Semicondutores. São Paulo: Edigard Blücher, 1976. pt.wikipedia.org/wiki/Motor_de_passo em Semicoductor databook.USA:Unitrode,1988. senaiformadores.com.br/Cursos/01/unidade/uni2_aut3.htm em sites.uol.com.br/microengrenagens/painel/painel1desc.htm student.dee.uc.pt/~acacioc/motores/#5%20-%20Constituição%20Do%20Motor%20de 1www.ab.com/sensors/products/limit_switches/pt/pdf/802T_2-4%2020circuit.pdf em www.buscaeletrica.com.br/ www.cenamec.org.ve/quimica/silicio/tecno4.htm www.cfazano.hpg.ig.com.br/port112.htmwww.cfh-hk.com/8.htm www.dcmm.puc-rio.br/cursos/eletronica/html/sld052.htm em www.eberle.com.br www.eletricazine.hpg.ig.com.br/apo_eletronica.htm em www.exatron.com.br/html/rele_fotoeletrico.html www.feiradeciencias.com.br/sala22/motor_teoria1.asp em www.geindustrial.com.br/contagem/produtos/industriais.asp www.geindustrial.com/cwc/products www.geocities.com/master_renan/sensores.html www.geocities.com/SiliconValley/Park/6834/AUX-CONT.htm www.ifi.unicamp.br/~lunazzi/F530_F590_F690_F809_F895/F809/F809_sem2_2004/008087Andre-Raggio_RF.pdf em www.laercio.com.br/artigos/artigos/artigo_011/art_artigo011.html www.lynxtec.com.br/download/brochuras/eletromio_brochura.pdf em www.metrolog.net/html/fundamentos_lvdt.html em www.micropik.com/provisional/pag_motores_MOTORES_CC.htm em www.mrshp.hpg.ig.com.br/rob/passologico.htm em www.mutter.com.br/produtos.htm www.nautel.pt/unisolar02.htm www.obra1.com/ABB/Cursos%20y%20novedades/Data%20sheet/Data%20Sheet%206.pdf www.reliance.com/prodserv/motgen/h7000ch1.htm#Brushes%20and%20Collector%20Rings%20(Synchronous%20Motors) www.sensorrio.com.br/pagina02-03.htm www.sick.es/es/productos/sensores/capacitativos/es.html em www.tee.com.br/produindex.htm www.tid.es/presencia/publicaciones/comsid/esp/articulos/vol41/desa/desa.html www.ufrgs.br/lmm/353_14_2.htm www.vidaslusofonas.pt/niels_henrick_bohr.htmwww.vorax.com.br/biblioteca/catalogos.htm em www.weg.com.br em www26.brinkster.com/prog8314/default.htm

Referências

O Caderno apresenta: Sim Parcial Não Observação

CONTEÚDOS E ASPECTOS TEÓRICO-METODOLÓGICOS

1 Imprecisões conceituais, desatualizações e incorreções

de informação.

2 Respeito ao desenvolvimento cognitivo do jovem,

pautando-se pelo princípio da progressão.

3 Vocabulário atualizado e correto.

4 Vocabulário específico claramente explicado no texto.

5 Incentivo a uma postura de respeito ao meio ambiente.

6 Objetivos claros

7 Ligação entre princípios estudados e fenômenos

conhecidos por jovens e educadores.

8 Possibilidade de diferentes formas de abordagem do

conteúdo em sala de aula.

9 Informações suficientes para a compreensão dos temas

abordados.

10 Conteúdos relevantes ligados ao contexto da formação

profissional.

11 Estimulo à leitura e à exploração crítica dos assuntos

12 Execução dos experimentos e demonstrações propostos

viáveis, com base nas instruções fornecidas.

13 Experimentos e demonstrações propostos viáveis, em

termos da obtenção dos materiais necessários.

14 Experimentos e demonstrações propostos importantes

e pertinentes para compreender os conteúdos que

estão sendo desenvolvidos.

15 Coerência entre a prática e os pressupostos teóricos.

16 Outras atividades além das pormenorizadas

no passo-a-passo.

17 Recomendações expressas de segurança, especialmente

nas sugestões de experimentos perigosos e na utilização

de equipamentos.

18 Referências bibliográficas.

19 Leituras complementares.

20 Sugestões de instrumentos diversificados de avaliação.

ASPECTOS PEDAGÓGICOS

21 Propõem atividades que exigem trabalho cooperativo

(em grupo, enquetes, dramatizações, debates).

22 Evitam questões não relacionadas ao conteúdo.

23 Evitam atividades de entretenimento, sem vínculo

direto para a aprendizagem da área.

24 Incentivam a valorização e o respeito às opiniões do outro.

PROJETO ESCOLA FORMARE

CURSO: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ÁREA DO CONHECIMENTO: Eletrônica e Instrumentação Industrial

25 Apresentam algum tipo de articulação, no sentido de

tirar proveito de conhecimentos e/ ou habilidades já

adquiridas.

26 Sugerem diferentes análises e perspectivas para os

conteúdos, de forma a desenvolver a curiosidade e o

espírito crítico.

ASPECTOS EDITORIAIS/VISUAIS

Parte textual

27 Estrutura hierarquizada (títulos, subtítulos e outros)

evidenciada por meio de recursos gráficos.

28 Impressão isenta de erros.

Qualidade visual

29 Textos e ilustrações distribuídos na página de forma

adequada e equilibrada.

30 Textos mais longos apresentados de forma a poderem

ser copiados e distribuídos aos jovens.

Ilustrações

31 São claras e explicativas.

32 São coerentes com os textos.

33 São realmente necessárias e podem ser utilizadas como

recurso didático-pedagógico pelo educador.

34 São isentas de estereótipos e preconceitos.

35 Possuem títulos, legendas e/ou créditos e fontes de

referência que contribuam para sua compreensão.

Outras observações, contribuições ou críticas:

Data:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Educador:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Endereço para contacto:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Projeto FormareFundação Iochpe

Alameda Tietê, 618, casa 1

01417-020 – São Paulo – SP

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