Como funcionam os componentes indutivos (MEC122)

(Bobinas, transformadores, motores, relés e sensores)

Tanto na parte eletrônica como na parte elétrica de muitos projetos mecatrônicos encontramos componentes formados por uma certa quantidade de fio esmaltado enrolado numa forma que pode ou não ter um núcleo de material ferroso. Esses componentes podem exercer diversas funções importantes que o leitor prexcisa conhecer. Assim, dando continuidade à nossa série sobre componentes eletrônicos vamos abordar neste artigos os componentes formados por bobinas, ou seja, os componentes denominados "indutivos" porque apresentam uma certa indutância.

Indutância é a propriedade apresentada por um dispositivo, normalmente formado por certo número de voltas de fio numa forma com ou sem núcleo, que consiste em apresentar uma oposição à variações da corrente.

Uma corrente circulando por uma bobina também cria um campo magnético que pode ser utilizado com diversas finalidades.

Assim, temos uma família de componentes que se caracterizam tanto por aproveitar a própria indutância da bobina como o campo que ela cria e é deles justamente que vamos tratar nesse artigo.

 

BOBINAS OU INDUTORES

Bobinas, choques ou indutores são componentes formados por espiras de fios esmaltados em formas que podem ou não ter um núcleo de material ferroso.

Os núcleos de materiais ferrosos podem ser ferrite, ferro doce, pó de ferro ou outros.

A função de um indutor num circuito eletrônico é apresentar uma oposição a variações rápidas da corrente.

A indutância de um indutor é medida em Henry (H) sendo comum o uso de seus submúltiplos, o miliehenry (mH) e o microhenry (uH).

O número de voltas de fio e a espessura do fio além das dimensões da bobina determinam a sua indutância.

Existem três tipos básicos de indutores encontrados nos aparelhos eletrônicos: os choques de filtro que operam, com baixas frequências e são enrolados em formas com chapas de ferro doce como núcleo, os choques de uso geral para RF com indutâncias intermediárias e núcleos de ferrite e os choques de alta freqüência sem núcleo usados em circuitos de sintonia.

Na figura 1 mostramos os principais tipos comuns de bobinas juntamente com os símbolos.

 

Símbolos e aspcetos
Símbolos e aspcetos

 

Veja que a linha que pode ser contínua ou interrompida, no símbolo, indica a presença ou não do núcleo e o seu tipo.

Bobinas ajustáveis são as que possuem núcleos que podem ser movidos no seu interior para variar sua indutância.

As bobinas podem ser especificadas somente pela sua indutância (H) e também pelo tipo de núcleo que usam.

Valores típicos nas aplicações eletrônicas têm indutâncias de poucos microhenry a mais de 1 henry.

Encontramos bobinas numa ampla variedade de funções nos circuitos eletrônicos.

Assim, as bobinas pesadas de núcleos de materiais laminados são encontradas como filtros em fontes de alimentação.

Bobinas com núcleos de ferrite cilíndricos ou toroidais podem ser encontradas em filtros de linhas e em fontes chaveadas.

Bobinas de baixa indutância com núcleos ajustáveis podem ser encontradas nos circuitos de sintonia ou ajuste de equipamentos transmissores, receptores, televisores e muitos outros.

Para testar um indutor o procedimento mais comum é verificar se a bobina apresenta continuidade.

Mede-se sua resistência que deve ser baixa, entre fração de ohm e no máximo uns 5000 ? para os tipos de indutâncias muito altas.

Uma resistência infinita indica que a bobina está interrompida (aberta).

No entanto, este teste não indica quando a bobina tem as espiras em curto.

Uma bobina que tenha sofrido uma sobrecarga apresenta sinais de queimado, ou seja, os fios perdem o isolamento pela queima do esmalte.

 

TRANSFORMADORES

Os transformadores são componentes formados por dois ou mais enrolamentos que têm um núcleo em comum de modo que a corrente que circula por um deles possa induzir uma corrente no outro.

Nesta indução a corrente tem suas características alteradas.

Assim, se tivermos um transformador com um enrolamento denominado primário com 1000 espiras de fio e nele aplicarmos 100 Volts, se o secundário tiver 100 espiras, obteremos nele 10 V e se tiver 10 000 espiras obteremos 1 000 V.

Os transformadores são usados, portanto, para alterar as correntes e tensões num circuito.

Os transformadores só podem operar com sinais alternados que tanto podem ser de baixas freqüências como a tensão da rede de energia, como de altas freqüências como, por exemplo, em fontes especiais chaveadas que operam entre 50 kHz e 500 kHz ou ainda sinais de RF acima de 100 kHz em circuitos de diversos tipos.

Na figura 2 mostramos o princípio de funcionamento do transformador.

 

Princípio de funcionamento do transformador.
Princípio de funcionamento do transformador.

 

As bobinas que formam um transformador podem ser enroladas em diversos tipos de núcleos, dependendo da aplicação.

Os núcleos de lâminas de ferro servem apenas para transformadores de baixas frequências, os tipos de ferrite e pó de ferro servem para altas freqüências e em alguns casos podemos até ter transformadores sem núcleo (núcleo de ar).

Na figura 3 mostramos os símbolos adotados para representar os transformadores.

Da mesma forma que nas bobinas, os traços entre elas indicam o tipo de núcleo usado.

 

Símbolos e Aspectos dos transformadores.
Símbolos e Aspectos dos transformadores.

 

As especificações dos transformadores dependem da sua aplicação, ou seja, do tipo de sinal com que trabalham. Podemos fazer a seguinte divisão:

 

a) Transformadores usados em fontes - transformadores de alimentação

São os transformadores que recebem a energia da rede e a alteram para alimentar os circuitos eletrônicos.

As especificações principais são:

* Tensão do primário - é a tensão que deve ser aplicado na entrada ou enrolamento primário para se ter o funcionamento normal do transformador.

* Tensão do secundário - é a tensão que obtemos no enrolamento secundário quando aplicamnos no primário a tensão de primário.

* Corrente máxima de secundário - é a máxima corrente que podemos obter no secundário do transformador. Multiplicando-se a corrente de secundário pela tensão de secundário obtemos a potência do transformador.

* Tipo de núcleo que pode ser de ferro laminado ou toroidal.

 

b) Transformadores de RF ou Altas Freqüências

São transformadores usados em circuitos de altas frequências. As especificações principais são:

* Número de voltas dos enrolamentos e tipo de fio usado

* Diâmetro da forma

* Tipo de núcleo a ser usado e suas dimensões

Encontramos transformadores de força ou alimentação na entrada de equipamentos eletrônicos que funcionam com a energia da rede local e que precisam de tensão mais baixa para funcionar.

Como exemplo, podemos dar os eliminadores de pilhas, fontes, e muitos eletro-eletrônicos de uso comum.

Os transformadores de baixa freqüência também podem ser encontrados dentro dos circuitos como amplificadores para modificar as características de sinais além de outras funções.

Transformadores de altas frequências podem ser encontrados dentro de equipamentos como computadores, eletrodomésticos, monitores de vídeo para transformar tensões e sinais.

O teste mais simples de um transformador consiste em se verificar, em primeiro lugar, se suas bobinas apresentam continuidade.

Elas devem apresentar uma resistência baixa que pode variar entre poucos ? a no máximo algumas centenas de ?.

Se tiverem resistências muito altas isso pode significar que estão interrompidas.

Como no caso dos indutores, este teste não revela se elas têm espiras em curto.

O outro teste consiste em se saber se os dois enrolamentos de um transformador estão isolados.

Entre eles deve haver uma resistência muito alta, acima de 100 000 ?, exceto para os tipos denominados "auto-transformadores" que possuem uma ligação em comum entre o primário e o secundário.

Na figura 4 mostramos como este teste é realizado com um multímetro analógico comum.

 

Testando um transformador.
Testando um transformador.

 

 

RELÉS

Os relês são chaves eletromagnéticas.

Eles são formados por uma bobina e um conjunto de contactos que podem ser acionados pela ação do campo magnético criado por esta bobina.

Aplicando uma tensão na bobina ela atrai a armadura que é uma peça ferrosa presa aos contactos de modo que eles se movimentam comutando assim a corrente de um circuito externo.

Na figura 5 temos a estrutura básica de forma simplificada de um relê comum.

 

Estrutura básica de um relé comum.
Estrutura básica de um relé comum.

 

Os relês são usados para se controlar circuitos a partir de correntes fracas ou de forma isolada.

Podemos aplicar uma baixa tensão a uma bobina de relê para controlar um circuito de alta corrente que seja ligados aos seus contactos.

A principal vantagem do uso de relês está no fato de que o circuito controlado fica completamente isolado do circuito que o controla.

Os relês podem ser encontrados numa infinidade de tipos e tamanhos conforme as características de suas bobinas, a quantidade de contactos que possuem e a intensidade da corrente que podem controlar.

Nos tipos comuns, para se obter grande sensibilidade, as bobinas são formadas por milhares de espiras de fios muito finos.

Na figura 6 mostramos os símbolos adotados para representar diversos tipos de relês assim como os aspectos mais comuns destes componentes.

 

Símbolos e aspectos mais comuns.
Símbolos e aspectos mais comuns.

 

Observe pela figura que os contactos podem ter as mesmas funções das chaves.

Podemos ter relês com contactos simples, reversíveis e reversíveis duplos.

Existem relês que apresentam até 4 ou 6 conjuntos de contactos, dependendo da aplicação.

Um ponto importante que deve ser observado quanto ao uso dos relês é que nos tipos de contactos reversíveis temos as funções NA (Normalmente Aberto) e NF (Normalmente Fechado).

Quando ligamos alguma coisa entre os contactos NA e C (comum) o dispositivo controlado é alimentado quando a bobina do relê é energizada.

Por outro lado, quando ligamos alguma coisa (carga) entre os contactos NF e C, a carga externa é desligada quando o relê é energizado.

Na figura 7 mostramos o uso do relê de acordo com os contactos que são ligados.

 

Uso do relé de acordo com os contatos que são ligados.
Uso do relé de acordo com os contatos que são ligados.

 

Na figura 8 temos um outro tipo muito importante do relê que é o reed-relê.

 

 O Reed-relé
O Reed-relé

 

Este componente é formado por um interruptor de lâminas (reed switch) em torno do qual é enrolada uma bobina.

Quando a bobina é energizada o campo magnético criado atua sobre as lâminas fazendo-as encostar uma na outra.

Ao trabalhar com relês devemos estar atentos a três especificações principais:

 

a) Especificações da bobina

A bobina pode ser especificada pela tensão e corrente de operação ou ainda pela tensão e pela resistência. Veja que conhecendo duas dessas grandezas a terceira poderá ser calculada facilmente pela lei de ohm. Por exemplo, um relê de 12 V x 50 mA tem uma resistência de bobina de 240 ?.

 

b) Especificações dos contactos

Precisamos saber qual é a corrente máxima que os contactos podem controlar. Uma corrente excessiva pode causar seu desgaste prematura ou ainda sua queima.

 

c) Configurações dos contactos

Conforme vimos os contactos dos relês podem ser simples, mas também podem ser reversíveis duplos, triplos, etc. Esta especificação é importante para o uso do relê, principalmente quando todos os elementos dos contactos são usados.

Os relês são encontrados numa infinidade de aplicações domésticas ligadas à rede de energia.

Em geral eles são usados por circuitos que controlam cargas de potência a partir de sinais.

Por exemplo, timers acionam relês que ligam e desligam os aparelhos controlados.

Controles remotos de portões usam relês que são acionados pelos circuitos eletrônicos para ativar e desativar os motores.

 

Pequenos relês podem ainda ser encontrados dentro de equipamentos para controlar circuitos que devem ser mantidos isolados uns dos outros.

Para sabermos se um relê está bom precisamos fazer dois testes:

 

a) Teste da bobina

Para testar as bobinas verificamos sua continuidade o que pode ser conseguido por um multímetro na escala apropriada de resistências.

Relês comuns têm resistências que variam entre alguns ? a mais de 5 000 ?, conforme a tensão, sensibilidade e tipo.

O teste de continuidade não revela se a bobina tem epsiras em curto.

 

b) Teste dos contactos

Basta medir as resistências dos contactos quando o relê está ativado e quando não está levando em conta a função (NA e NF).

Um relê em bom estado deve ter uma resistência nula entre os contactos, quando estão fechados e infinita quando estão abertos.

Na figura 9 mostramos como esse teste é realizado com um multímetro analógico comum.

 

Teste dos contatos.
Teste dos contatos.

 

 

SOLENOIDES

Os solenóides são importantes formados por uma bobina dentro da qual pode deslizar um núcleo de material ferroso.

Quando uma corrente percorre a bobina, o campo magnético criado puxa o núcleo para dentro com força.

Esta força pode ser usada para acionar os mais diversos dispositivos, como por exemplo abrir e fechar uma válvula de água numa máquina de lavar, abrir a fechadura de um portão ou ainda acionar uma armadilha.

Os solenóides podem ser encontrados os mais diversos formatos e tamanhos dependendo da força que devem exercer, da tensão de alimentação e da função na qual são usados.

Na figura 10 mostramos o símbolo adotado para representar o solenóide e os aspectos mais comuns para estes componentes.

 

Símbolo e aspectos dos solenóides
Símbolo e aspectos dos solenóides

 

Os pequenos solenóides encontrados nos equipamentos eletrônicos são formados por milhares de espiras de fios esmaltados muito finos.

A principal especificação de um solenóide é a tensão que deve ser aplicada nos seus terminais para que ele seja acionado.

Em função desta tensão temos a corrente drenada a qual depende da resistência que ele apresenta e da força que deve exercer.

Os solenóides encontrados nos equipamentos eletrônicos podem ser tanto acionados pela tensão AC da rede de energia como tensões DC na faixa de 3 a 48 V tipicamente.

As correntes de acionamento podem variar entre alguns miliampères até diversos ampères.

Uma outra especificação que é importante em algumas aplicações é a força que ele exerce quando energizado.

Nos equipamentos eletrônicos pequenos solenóides são usados para movimentar partes móveis de equipamentos como VCRs, DVDs, toca-fitas, robôs, etc.

Os solenóides encontrados nos equipamentos eletrônicos são pequenos e delicados sendo alimentados por circuitos eletrônicos com transistores e circuitos integrados.

O teste elétrico básico de um solenóide consiste em se verificar a continuidade de sua bobina usando o multímetro.

Este teste, entretanto, como em qualquer bobina, não revela se ela possui espiras em curto.

O melhor teste é o de acionamento, energizando-se o componente para verificar se ele é acionado.

A resistência típica das bobinas dos solenóides varia entre alguns ? e alguns milhares de ? depende de sua tensão e força.

 

MOTORES

Uma das principais formas de se obter movimento de partes móveis de um equipamento é a partir de pequenos motores de corrente contínua.

Os motores comuns podem ser encontrados numa grande variedade de tamanhos e tipos conforme a força que devem exercer.

Estes motores são formados por um conjunto de bobinas que se movimentam no campo magnético criado por imãs permanentes ou outras bobinas.

A interação dos campos magnéticos das bobinas cria as forças que fazem o motor girar.

Basicamente existem dois tipos de motores que podem ser encontrados nos equipamentos eletrônicos: motores DC ou CC e motores de passo.

Os motores DC rodam praticamente sem controle, a não ser de velocidade e são usados apenas nas aplicações em que se deseja movimento.

Os motores de passo são motores de precisão que se movem colocando partes de um equipamento em posições definidas com altos graus de precisão.

Por exemplo, o posicionamento de uma cabeça de leitura de um DVD ou de impressão de uma impressora é feito por um motor de passo.

Na figura 11 temos os símbolos adotados para representar motores e o aspecto dos tipos mais comuns.

 

Símbolos e aspectos dos motores.
Símbolos e aspectos dos motores.

 

Os motores DC são especificados tanto pela tensão de operação como pela corrente que exigem quando alimentados pela tensão de operação sob determinada carga ou velocidade.

É importante observar que tanto a corrente como a velocidade variam bastante em função da força que o motor tem de fazer, assim é comum que os fabricantes especifiquem as características do motor através de curvas que relacionam estas grandezas, como a mostrada na figura 12.

 

Curvas de motores DC comuns.
Curvas de motores DC comuns.

 

A rotação do motor é indicada em rpm (rotações por minuto) e pode variar entre 500 e 30 000 para os tipos comuns.

Os motores de passo, por sua vez, além da tensão e corrente de operação de cada bobinas são especificados pelo número de bobina ou número de fases que possuem.

Os tipos mais comuns são os de 2 e 4 fases.

Os motores elétricos são encontrados em uma grande quantidade de equipamentos eletrônicos.

Encontramos motores praticamente em todos os aparelhos que possuam partes móveis como impressoras, portões, videocassetes, brinquedos, etc.

Os problemas que estes componentes apresentam tanto podem ter origem na parte elétrica (bobina queimada ou interrompida) como nas partes mecânicas já que eixos, engrenagens, polias e correias que transmitem seus movimentos podem quebrar.

O teste elétrico de um motor consiste basicamente em se verificar a continuidade de sua bobina.

Os motores comuns devem ter bobinas com resistências na faixa de poucos ohms a um máximo de algumas centenas de ohms.

Uma resistência infinita indica uma bobina aberta. Este teste não revela se a bobina possui espiras em curto.

 

ALTO FALANTES E FONES

Os alto-falantes e fones de ouvido são transdutores eletroacústicos, ou seja, dispositivos que convertem energia elétrica em sons.

O tipo mais comum de alto-falante é o de bobina móvel que é mostrado em corte na figura 13.

 

Vista em corte de um alto-falante de bobina móvel.
Vista em corte de um alto-falante de bobina móvel.

 

Neste componente, quando uma corrente que tenha freqüência e forma de onda do sinal a ser reproduzido, circula por uma bobina, surge uma força correspondente que tende a empurrar e puxar um cone de papelão ou plástico.

O movimento de vai e vem do cone produz ondas sonoras que têm as mesmas características da corrente que circula pela bobina.

Para criar o campo que age com o criado pela bobina os alto-falantes empregam potentes imãs.

Os fones de ouvido tanto podem ser magnéticos operando segundo o mesmo princípio do alto-falante como piezoelétricos, formados por pequenos cristais que se deformam quando uma tensão lhes é aplicada.

Essa deformação produz ondas sonoras que retratam o sinal aplicado.

Na figura 14 temos os símbolos adotados para representar fones e alto-falantes assim como os aspectos mais comuns.

 

Símbolos e Aspectos dos alto-falantes.
Símbolos e Aspectos dos alto-falantes.

 

Veja que existem alto-falantes de tipos e tamanhos diferentes, conforme a faixa de sons que deve ser reproduzida.

Assim, os alto-falantes maiores se destinam à reprodução dos sons graves enquanto que os menores a reprodução dos sons agudos (altas freqüências).

Observamos que há alto-falantes que são projetados par funcionar exclusivamente dentro de caixas acústicas.

 

a) Impedância: quando trocando um alto-falante ou adquirindo um para um projeto uma primeira especificação que deve ser observada é a impedância. A impedância diz de que modo o alto-falante recebe a energia (sinal). A impedância é medida em ? e deve casar com a saída do amplificador. Valores comuns de impedância estão entre 1,6 e 8 ?. Se um alto-falante de impedância muito baixa for ligado na saída de um amplificador de maior impedância, o amplificador pode sofrer uma sobrecarga com a queima de componentes.

 

b) Potência - é a quantidade de energia que o alto-falante pode converter em som. A potência é medida em watts (W). Devemos sempre usar um alto-falante que tenha uma potência maior do que aquela que o amplificador pode fornecer. É comum especificar a potência em valores PMPO que resultam em números maiores que rms, dando a falsa impressão de que o componente é "mais potente".

 

c) Faixa de freqüências: indica o tipo de som que o alto-falante pode reproduzir. Assim, existem os tweeter para agudos, mid-ranges para médios e woofers para graves. Os full range reproduzem sons de toda a faixa audível.

 

A principal característica de um fone de ouvido é sua impedância.

Os fones de ouvido, têm em geral uma baixa impedância na faixa de 3,2 a 600 ? para os tipos magnéticos. Os tipos piezoelétricos possuem impedância muito alta.

Nunca use um fone de baixa impedância onde em se exige um fone de alta impedância e vice versa, pois podem ocorrer problemas.

Para testar os fones de baixa impedância e alto-falantes basta medir a resistência de sua bobina.

Este teste também não revela se a bobina está ou não em curto.

Para o teste dos fones de alta impedância, o melhor é aplicar um sinal de teste.

 

TRANSDUTORES MAGNÉTICOS

Nas aplicações eletrônicas podemos encontrar diversos tipos de transdutores magnéticos.

Estes transdutores podem funcionar como sensores convertem sons, batidas, movimentos e outras grandezas em sinais elétricos para o controle ou acionamento de diversos tipos de circuitos.

Basicamente estes sensores são formados por uma bobina que possui algum dispositivo próximo que gera um campo variável sob a ação da grandeza que se deseja detectar.

Por exemplo, podemos citar os microfones que convertem os sons que recebem em sinais elétricos e que podem funcionar segundo um princípio semelhante ao de um alto-falante ligado "ao contrário".

Os sensores que detectam a passagem de um dente de engrenagem em movimento pelo campo magnético que alteram podem ser usados para controlar a velocidade de um motor num portão automático ou em outros equipamentos.

A cabeça de gravação e leitura de um disco rígido de computador é um sensor magnético que pode gerar campos que magnetizam o disco registrando informações ou perceber a passagem das regiões magnetizadas lendo a informação gravada.

Na figura 15 temos alguns tipos de transdutores magnéticos encontrados nas aplicações eletrônicas com seus aspectos.

 

Figura 15
Figura 15

 

As especificações dos transdutores magnéticos dependem de sua aplicação e podem incluir desde suas características elétricas tais como sua tensão, corrente e impedância até o modo como eles reagem à grandeza que deve ser detectada, ou seja, sua curva caracteristica, sensibilidade, etc.

Para estes sensores, entretanto, o mais comum é que o fabricante indique um tipo ou número de identificação para que o profissional possa saber qual é a peça que deve ser usada na reposição.

Os transdutores magnéticos são encontrados nos equipamentos em que se deseja detectar sons, batidas, movimento e em muitas outras aplicações conforme já citamos ao explicar seu funcionamento.

O teste mais simples consiste em se verificar a continuidade de sua bobina com o multímetro.

Suas bobinas devem apresentar resistências que variam entre poucos ohms a milhares de ohms.

Uma resistência infinita indica uma bobina aberta. Este teste não revela se a bobina tem espiras em curto.

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