Como funciona o alternador (ART094)

Este artigo foi escrito em 2002, mas ainda é atual, tanto que é um dos mais acessados deste site. Nele, além de explicarmos o princípio de funcionamento de um dispositivo que todos os carros possuem, damos dicas sobre sua manutenção. O alternador poucomudou nos últimos anos tornando-se mais confiável, mas seu princípio de funcionamento é sempre o mesmo. Também temos no site artigos que complementam este, como as diversas lições de nosso Curso de Eletrônica Automotiva. Um artigo que todo eletricista de automóveis, amador que goste de mexer no seu próprio carro e muitos outros, devem ler com atenção. Veja também neste artigo como funciona o regulador de tensão.

Para os internautas que trabalham com reparação, compra ou venda de peças automotivas, recomendo visitarem o site O Peçalheiro Automotivo , onde existem assuntos interessantes sobre a área.

 

A obtenção de energia elétrica a partir de energia mecânica como a que se dispõe de um motor em movimento é relativamente simples. Os primeiros veículos com motor à explosão já utilizavam os dínamos com a finalidade de obter energia elétrica para a carga da bateria e consequentemente para a faísca das velas, indispensável ao sistema de ignição. Era um sistema simples em que um dínamo era acionado pelo motor, gerando uma baixa tensão contínua e que passando por um sistema regulador de tensão alimentava tanto os dispositivos elétricos do carro que além do sistema de ignição incluíam os faróis, como também carregava com o excedente da energia, a bateria. Assim, conforme mostra o diagrama simples da figura 1, a finalidade do dínamo seria a de fornecer energia para o sistema elétrico com o carro em movimento. Para a partida e eventualmente para acender um farol com o carro parado, deveria entrar em ação a bateria.

 

A finalidade do dínamo e de fornecer energia
A finalidade do dínamo e de fornecer energia

 

A grande desvantagem do dínamo é que se exige uma velocidade mínima de rotação do motor para que ele produza tensão suficiente para alimentar os circuitos, daí a necessidade de um sistema regulador de tensão que entra em ação quando a tensão atinge o mínimo exigido.

Para veículos que trafegam na cidade e que portanto estão sujeitos a conseqüentes paradas ou baixas velocidades com a redução da rotação do motor, o uso do dínamo tem sérios inconvenientes pois existe o perigo dele não fornecer pelo tempo necessário a energia para a carga da bateria.

Gerando tensões alternadas e com o uso de diodos semicondutores e mesmo circuitos eletrônicos é possível obter um desempenho muito melhor para o sistema elétrico dos veículos e é isso o que ocorre nos veículos modernos que usam apenas a solução do alternador como fonte de energia a partir do motor. Apenas nos sistemas elétricos de veículos mais simples encontramos a mesma configuração que faz uso do dínamo, como, por exemplo em bicicletas para acender um farol ou luzes de sinalização. Nos veículos automotores atuais que são mais sofisticados a eletrônica aparece em quase todas as funções deste circuito e mesmo em funções adicionais que visam melhorar o desempenho.

O alternador que é o ponto de partida deste sistema é um dispositivo eletro-mecânico e como tal, além de desgastes das partes móveis podem apresentar defeitos. A presença nos modelos atuais de alguns dispositivos eletrônicos internos neste dispositivo faz com que muito eletricistas de automóveis tenham certo receio no seu manuseio, mas com as explicações que daremos a seguir, os leitores verão que isso não se justifica.

 

 

O DÍNAMO E O ALTERNADOR

O princípio de funcionamento de um dínamo é muito simples: se tivermos uma bobina que gire dentro do campo magnético criado por um conjunto de imãs ou ainda por outras bobinas, conforme mostra a figura 2, cada vez que as espiras dessa bobina cortarem as linhas de força do campo magnético aparece nos extremos da bobina uma tensão elétrica.

 

O princípio de funcionamento do dínamo.
O princípio de funcionamento do dínamo.

 

Ligando uma lâmpada ou outro dispositivo capaz de converter energia elétrica em outra forma de energia, ele funcionará: no caso da lâmpada ela acenderá. Isso indica que, para cortar as linhas de força do campo magnético é preciso fazer um esforço mecânico na bobina, e a energia mecânica necessária a isso se converte em energia elétrica. O problema do dispositivo que vimos é que a cada meia volta que a bobina dá dentro do campo magnético ela corta duas vezes as suas linhas de força e isso em sentidos opostos. Isso significa que e cada volta, cortando as linhas duas vezes em direção oposta, a bobina gera uma tensão ora com o pólo positivo de um lado, ora do outro. Em outras palavras, girando nestas condições, temos a produção de uma corrente alternada.

De modo a corrigir este problema, na saída da bobina liga-se um sistema de escovas, conforme mostra a figura 3, que inverte um dos pólos numa das meias voltas, de modo que tenhamos a corrente circulando sempre no mesmo sentido, ou seja, para que obtenhamos uma corrente contínua.

 

O uso das escovas no dínamo.
O uso das escovas no dínamo.

 

Isso nos leva a dispositivos denominados dínamos. Se eliminarmos o sistema que inverte o sentido da corrente a cada meia volta das espiras, o dispositivo passa a gerar correntes alternadas, ou seja, teremos um alternador. Antigamente não era simples converter a corrente alternada na corrente contínua necessária a muitos dos dispositivos elétricos e eletrônicos de um carro e por isso o uso dos dínamos era obrigatório. No entanto, com a disponibilidade dos diodos de silício, podemos facilmente converter correntes alternadas em contínuas, de modo que tanto faz para um circuito elétrico se ele tenha como fonte de energia tensão contínua como alternada.

Assim, nos veículos modernos, em lugar de usarmos dínamos temos alternadores, ou seja, dispositivos semelhantes em que temos um conjunto de bobinas móveis que gira dentro do campo magnético de um conjunto de bobinas fixas, conforme mostra a figura 4.

 

Esquema básico de funcionamento de um alternador.
Esquema básico de funcionamento de um alternador.

 

Neste caso, como a polaridade da corrente se inverte constantemente, ou seja, os pólos se alternam, temos um alternador. Diodos são acrescentados no próprio dispositivo de modo a se obter a corrente contínua que o circuito elétrico do automóvel precisa para funcionar.

Na figura 5 temos a disposição dos diodos mostrando que para facilitar a produção de energia de forma mais constante são empregados três conjuntos de bobinas e, portanto três conjuntos (pares) de diodos na maioria dos circuitos.

 

Estrutura do alternador
Estrutura do alternador - 1-Bobinas móveis, 2-conjunto de diodos, 4-bobina fixa, 5- comutadores, 6-regulador de tensão.

 

O funcionamento de um alternador num veículo, entretanto, não apresenta uma linearidade, o que não é interessante para o circuito elétrico do carro. Os diversos dispositivos que são alimentados pela eletricidade no carro exigem uma tensão fixa, ou pelo menos que oscile numa faixa estreita de valores. Variações da tensão muito grandes podem causar danos a diversos desses dispositivos.

Sabemos que a tensão que um dínamo apresenta na sua saída, conforme mostra a figura 6 depende de diversos fatores como, por exemplo, a velocidade que o motor gira e a intensidade da corrente exigida pelos circuitos a ele ligados.

 

Dentro da variação possível da tensão gerada existe uma faixa de regulagem em que a tensão deve ser mantida.
Dentro da variação possível da tensão gerada existe uma faixa de regulagem em que a tensão deve ser mantida.

 

O problema maior ocorre pela enorme faixa de variação de velocidade de um motor de carro que pode ter rotações entre 500 e 6000 rpm. Para que o circuito elétrico do carro se veja alimentado por uma tensão dentro de uma faixa segura, devem ser agregados dispositivos reguladores de tensão.

 

O ALTERNADOR POR DENTRO

Na figura 7 temos uma vista explodida de um alternador de carro típico mostrando suas diversas partes.

 

O alternador em vista explodida. 1 é a placa com os diodos. 2 é o regulador e 3 as escovas.
O alternador em vista explodida. 1 é a placa com os diodos. 2 é o regulador e 3 as escovas.

 

Internamente observamos dois conjuntos de enrolamentos: os enrolamentos de campo que geram o campo magnético que as espiras do outro enrolamento devem cortar e o enrolamento estator que gera a energia. Internamente temos uma placa em que seis diodos de potência são instalados para retificar a corrente alternada gerada. Estes diodos são fixados numa peça única de metal que também serve de dissipador de calor (1 na figura 7).

A regulagem da tensão nos veículos mais antigos era feita por um dispositivo eletro-mecânico como nos carros que utilizavam dínamos conforme mostra a figura 8.

 

Um regulador de tensão eletromecânico encontrado nos modelos de carro mais antigos.
Um regulador de tensão eletromecânico encontrado nos modelos de carro mais antigos.

 

Nos veículos modernos, entretanto são usados reguladores de tensão com transistores de potência em configurações como a mostrada na figura 9

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Alternador com circuito regulador de tensão utilizando transistores de potência.
Alternador com circuito regulador de tensão utilizando transistores de potência.

 

Normalmente o que temos é a tradicional configuração do regulador série em que um transistor de potência funciona como um reostato ou resistor variável dosando a corrente de excitação do enrolamento de excitação de modo a controlar a intensidade do campo magnético cujas espiras do enrolamento móvel vão cortar. Este processo é muito melhor do que se tentarmos controlar a corrente principal gerada pelo dínamo que é da ordem de dezenas de ampères exigindo assim transistores de potência muito alta. Mesmo assim o transistor usado deve ser de tipo de alta corrente (20 A ou mais) já que esta é a ordem de grandeza da corrente gerada.

A referência de tensão para a saída tanto pode ser dada por diodos zener como por circuitos integrados. No circuito mostrado como exemplo, o diodo zener Z2 fixa a tensão para o transistor T2 que funciona como driver, controlando a corrente principal através do transistor T1. N a figura 10 temos as correntes neste circuito quando em funcionamento.

 

Circulação das correntes no circuito regulador de tensão.
Circulação das correntes no circuito regulador de tensão.

 

Observe que neste circuito está ligada a lâmpada indicadora de painel que apaga quando a tensão gerada é aplicada ao circuito o que ocorre quando o motor entra em funcionamento. Configurações mais complexas podem ter até 5 transistores sendo também encontradas em alguns veículos. Na figura 12 mostramos uma configuração em que temos um regulador controlado por um SCR.

 

Circuito regulador de tensão utilizando SCRs.
Circuito regulador de tensão utilizando SCRs.

 

Neste circuito o ponto de disparo do SCR após a comutação é determinado pela tensão gerada, funcionando o mesmo como um controle de fase. É importante observar que o uso de equipamentos eletrônicos delicados no carro, principalmente os circuitos de microcontroladores que fazem todo o controle do sistema elétrico e do motor não admitem variações grandes da tensão de alimentação, podendo sofrer danos com facilidade daí a necessidade de circuitos reguladores precisos e eficientes.

 

SERVICE

Para o técnico eletrônico ou eletricista de automóveis, a presença de um circuito eletrônico que normalmente é embutido na instalação e não raro protegido por meios que impedem o acesso aos seus componentes é uma dificuldade na hora de se fazer o teste de funcionamento e eventualmente uma reparação. Assim, constatando-se que o problema é do regulador de tensão ou ainda de um dos conjuntos de diodos do alternador o procedimento mais comum é a troca do conjunto completo.

No entanto, muitas vezes o acesso a um circuito relativamente simples pode nos revelar que apenas um componente de baixo custo deve ser substituído e isso pode significar economia e em alguns uma solução alternativa quando a peça completa original não está disponível. Muitos reguladores possuem um ponto de ajuste que é um resistor variável; (trimpot) que pode ser acessado por uma chave de fendas e que permite levar o circuito a fornecer as tensões de saída de acordo com as correntes.

A prova de funcionamento de um regulador pode ser feita ligando-se na saída do alternador um voltímetro, bateria e uma fonte de alimentação ajustável de 0 a 15 V e uma lâmpada. Partindo de zero a tensão no circuito, quando ela alcançar algo em torno de 4 a 5 volts a lâmpada deve acender com pequeno brilho, mas indicando que há passagem de corrente. Passando desta tensão até algo em torno de 14 V o brilho da lâmpada deve aumentar. Esta tensão será indicada pelo voltímetro ligado na posição indicada do circuito.

Se a lâmpada apagar antes de chegar aos 14 ou 14,3 V isso significa que pode haver problemas de funcionamento do regulador ou ele não está devidamente ajustado. Deve-se tentar ajustar o regulador (se ele possuir um ponto de ajuste) para que a lâmpada apague com uma tensão de 14,3 V. Para a segunda fase da prova ajustamos a saída da fonte para uma tensão de 15 V. Com isso a lâmpada deve permanecer apagada. Diminuindo agora gradualmente a tensão de saída deve ocorrer o acendimento da lâmpada com uma tensão entre 13,9 e 14 V.

Se isso não ocorrer devemos refazer o ajuste e repetir a primeira parte da prova. Com o procedimento repetido algumas vezes é possível levar o regulador ao funcionamento no ponto ideal. Comprovado o funcionamento o técnico pode reinstalar o regulador ou se necessário fazer o diagnóstico para identificar os eventuais componentes pelo funcionamento anormal.

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