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Cursos de Eletrônica de Potência – Parte 10 – Componentes Antigos (CUR3010)

No trabalho de manutenção de equipamentos eletrônicos de potência, seja na indústria, em ferrovias, instalações diversas ou mesmo em embarcações mar, pode perfeitamente ocorrer que o profissional se depare com um equipamento antigo que apresente uma falha.

E, abrindo tal equipamento pode encontrar componentes antigos que talvez não conheça, e com razão. Já vimos o caso de um funcionário de uma ferrovia de nosso estado que, abrindo um equipamento antigo que havia falhado, se deparou com um componente que ninguém de seu relacionamento soube explicar o que era.

Quando ele nos descreveu o componente e indicou sua função no circuito, verificamos que se tratava de uma válvula tiratron, o equivalente antigo dos modernos SCRs.

Bastou verificar suas características e o componente pode ser substituído, com algumas alterações no circuito, por um equivalente de estado sólido.

Com frequência também recebemos pedidos de ajuda no sentido de encontrar válvulas retificadoras de equipamentos valvulados antigos, que dificilmente podem ser encontradas no mercado.

Explicamos então que, na maioria dos casos e pequenas alterações nos circuitos elas podem ser substituídas por retificadores diodos de silício comuns.

Neste capítulo focalizaremos alguns componentes de potência antigos e, pelo conhecimento de seu princípio de funcionamento e função, será possível fazer sua substituição por equivalentes modernos.

 

O diodo de selênio

O diodo de selênio é um diodo retificador bastante antigo, tendo sido criado em 1933 para ser usado como retificador, substituindo as antigas válvulas retificadoras em fontes de alimentação de alta corrente como, por exemplo, carregadores de bateria.

Os equivalentes modernos destes diodos são os diodos de silício, que além de terem muito maior capacidade de corrente em alguns casos, também são componentes baratos.

Na figura 1 temos os aspectos desses diodos.

 

 

Figura 1 – Diodos de selênio
Figura 1 – Diodos de selênio

 

 

Esses diodos são formados por pilhas de placas de alumínio ou aço dotadas de uma finíssima camada de níquel ou bismuto.

Nesta camada há uma dopagem de selênio que dota a estrutura de propriedades semicondutoras, funcionando como um diodo.

Cada par de placas funciona como um diodo com uma tensão inversa máxima da ordem de 20 V. Na figura 2 temos a estrutura desse diodo.

 

 

Figura 2 – Estrutura do diodo de selênio
Figura 2 – Estrutura do diodo de selênio

 

 

Para substituir um diodo deste tipo por um de silício, deve-se verificar a tensão inversa de pico e a corrente. Estas informações normalmente podem ser obtidas pela simples análise do circuito em que ele se encontra.

 

 

 

 

Válvula Tungar

Esta era uma válvula retificadora a gás usada em fontes de alimentação antigas.

Trata-se de uma válvula cheia do gás argônio destinada a retificação de altas correntes sob baixa tensão. Muito comum em carregadores antigos de baterias, tendo sido criada em 1916.

Na figura 3 temos o aspecto dessas válvulas, já bastante raras em nossos dias.

 

Figura 3 – Válvulas tungar
Figura 3 – Válvulas tungar

 

Observe a base da válvula semelhante a de uma lâmpada incandescente comum.

Essas válvulas têm como equivalente moderno o diodo de silício. Numa aplicação, basta descobrir a tensão e a corrente para que a substituição seja direta.

Na figura 4 temos um antigo carregador de baterias usando duas dessas válvulas.

 

Figura 4 – Antigo carregador de bateria usando duas válvulas tungar
Figura 4 – Antigo carregador de bateria usando duas válvulas tungar

 

 

Na figura 5 o aspecto desse antigo carregador de baterias com capacidade de 2 A.

 

Figura 5 – Carregador do início do século XX usando válvula tungar
Figura 5 – Carregador do início do século XX usando válvula tungar

 

 

 

Outras válvulas retificadoras

Diversos tipos de válvulas a gás com a função de retificar altas tensões e altas correntes podem ser encontradas em equipamentos antigos.

A seguir damos alguns exemplos:

 

Kenotron

Válvula retificadora de alto vácuo utilizada em circuitos retificadores de alta tensão. Esta válvula foi criada em 1914 pela GE.

Na figura 6 temos um exemplo de válvula deste tipo, lembrando que na época os circuitos valvulados utilizavam altas tensões na sua alimentação e havia equipamentos de transmissão cujas tensões de alimentação chegavam a milhares de volts.

 

Figura 6 – Uma válvula Kenetron
Figura 6 – Uma válvula Kenetron

 

 

 

Excitron

Esta era uma válvula retificadora de mercúrio para alta potência. Formada por um anodo e um catodo num bulbo de vidro.

Esta válvula foi inventada em 1902, e pela sua capacidade de trabalhar com correntes intensas e alta tensões era empregada em locomotivas e em rádios transmissores da época.

 

Fanotron

Válvula diodo de gás com catodo quente. Válvula criada em 1939 usada em retificação.

Na figura 7 temos o símbolo desta válvula

 

Figura 7 – Símbolo da válvula fanotron
Figura 7 – Símbolo da válvula fanotron

 

 

Diodos semicondutores substituindo válvulas

Válvulas retificadoras, tungar e outras já não são tão simples de encontrar.

No caso específico de válvulas retificadoras, usadas em fontes de alimentação, é possível fazer sua substituição por diodos retificadores de tensões acima de 400 V como os 1N4007 ou mesmo BY127.

A figura 8 mostra como usar dois diodos em lugar de uma retificadora de onda completa. Veja que o enrolamento de filamento é mantido livre, pois não mais precisará ser usado.

 

Figura 8 – Substituindo válvulas retificadoras por diodos
Figura 8 – Substituindo válvulas retificadoras por diodos

 

 

Na figura 9 mostramos como identificar os pinos de uma válvula. Olhando por baixo, começamos a partir do espaço no sentido horário. Isso é válido para todas as válvulas. Naquelas em que não existe o espaço, encontramos uma marca que indica onde deve começar a contagem.

 

Figura 9 – Pinagem de válvulas
Figura 9 – Pinagem de válvulas

 

 

 

Válvulas reguladoras de tensão

 

Um tipo de válvula encontrado em equipamentos antigos e que pode ser considerado um componente de potência é a válvula reguladora de tensão à gás.

Podemos dizer que este componente é o equivalente antigo dos diodos zeners atuais, pelos quais elas podem ser substituídas.

Quando submetidas a uma tensão, que provoca a ionização do gás, ela conduz a corrente, mas mantém constante a tensão entre seus terminais, exatamente como no caso de um zener.

Os tipos antigos eram especificados de acordo com a tensão, sendo dado um exemplo na figura 10.

 

Figura 10 – Aplicação de válvulas reguladoras de tensão
Figura 10 – Aplicação de válvulas reguladoras de tensão

 

 

Na figura 11 temos uma válvula VR105 de 105 Volts.

 

Figura 11 – Válvula reguladora VR105
Figura 11 – Válvula reguladora VR105

 

 

O circuito apresentado na figura 12 utiliza válvulas reguladoras a gás que são os equivalentes do tempo das válvulas dos diodos zener. Cada válvula regula a tensão em 150 V.

A corrente é baixa, da ordem de algumas centenas de miliampères e o choque de filtro pode ser feito com um transformador de 110 V x 6 V x 300 mA aproveitando-se seu enrolamento primário.

Observe a tensão dos capacitores de filtro e que o único resistor deve ser de fio com 10 W de dissipação.

Na figura 12 o circuito completo da fonte.

 

Figura 12 – Fonte estabilizada com válvula
Figura 12 – Fonte estabilizada com válvula

 

 

Tiratron

Os tiratrons ou thyratrons, ou ainda válvulas thyratrons são dispositivos de disparo cujo funcionamento é equivalente ao SCR.

É um controle de potência que consiste num tubo com três eletrodos, cheio de gás, conforme mostra a figura 13.

 

Figura 13 – A válvula tiratron – símbolo e aspectos
Figura 13 – A válvula tiratron – símbolo e aspectos

 

 

Uma tensão é aplicada entre o anodo e o catodo, mantendo o dispositivo no limiar da condução. Para que ele conduza é preciso aplicar um pulso de disparo no eletrodo de comporta, de modo a ionizar o gás interno.

O dispositivo, como os SCRs, permanecerá em intensa condução mesmo depois que o pulso de disparo desaparece.

Para desligar a válvula tiratron é preciso fazer com que a tensão entre anodo e catodo caia abaixo do valor de manutenção.

Essas válvulas ainda são encontradas em aplicações de controle de motores de alta potência como em ferrovias, máquinas industriais antigas, etc.

O circuito mostrado na figura 14 serve tanto para demonstrar o funcionamento deste tipo de dispositivo como também para comprovar seu funcionamento.

Partindo com o cursor no ponto B, chega o instante em que a tensão de disparo é atingida e então a válvula conduz acendendo a lâmpada.

A lâmpada é do tipo de 220 V com 4 ou 5 W de potência.

Uma fonte simétrica de 170 V deve ser usada para alimentar o circuito..

 

Figura 14 – Circuito com válvula tiratron
Figura 14 – Circuito com válvula tiratron

 

 

Vibradores

Os inversores atuais que convertem os 12 V de uma bateria em alta tensão para alimentar uma carga de corrente continua ou alternada tinham antes do advento dos semicondutores que estudamos, um equivalente eletromecânico.

Esse mesmo componente também era encontrado em veículos da primeira metade do século XX, cuja finalidade era obter alta tensão para circuitos valvulados como rádios, equipamentos de comunicação, etc.

Esse componente, estranho em nossos dias era o vibrador.

Nos veículos anteriores à era do transistor, os rádios ainda eram valvulados, o que significava que precisavam de tensões de centenas de volts para funcionar, diferentes dos 6 ou 12 V fornecidos pelas baterias dos carros da época.

Como obter essa alta tensão era um problema resolvido com um componente bastante interessante, totalmente eletromecânico, já que naquela época não era possível contar com os componentes de estado sólido.

Esse componente era o vibrador. Um sistema eletromecânico que fazia vibrar rapidamente um conjunto contactos que, abrindo e fechando o circuito de um transformador geravam alta tensão.

Na figura 15 temos um circuito de um vibrador tipo interruptor obtido numa edição do Radiotron Handbook edição de 1953, usado em carros da época.

 

Figura 15 - Vibrador tipo interruptor.
Figura 15 - Vibrador tipo interruptor.

 

Neste circuito a ação da bobina interna faz com que os contactos vibrem induzindo num transformador externo uma alta tensão.

Não é preciso dizer que se trata de dispositivo ruidoso capaz de gerar muitas interferências em sistemas elétricos próximos.

A recuperação de um vibrador pode ser feita abrindo-se o seu invólucro metálico e limpando-se os seus contatos.

Na figura 16 temos alguns vibradores que ainda podem ser obtidos em casas especializadas em peças para carros antigos conforme anúncios na internet.

 

Figura 16 – Vibradores comerciais que podem ser comprados ainda hoje em lojas de peças para colecionadores
Figura 16 – Vibradores comerciais que podem ser comprados ainda hoje em lojas de peças para colecionadores

 

No circuito completo de fonte de alimentação com vibrador da figura 17 temos os componentes usados na supressão dos ruídos, no caso capacitores de mica e indutores. Atualmente, na recuperação podem ser usados capacitores cerâmicos.

 

Figura 17 – Fonte completa com vibrador de uma edição de 1953 do Radiotron Handbook.
Figura 17 – Fonte completa com vibrador de uma edição de 1953 do Radiotron Handbook.

 

Circuitos semelhantes a este poderão ser encontrados em equipamentos antigos de uso móvel em que se necessite de altas tensões para a alimentação de válvulas ou outros dispositivos.

É claro que os leitores com habilidade, que desejarem substituir o vibrador por um circuito eletrônico inversor moderno, existe esta possibilidade mostrada na figura 18.

 

 

Figura 18 – Inversor eletrônico que substitui os vibradores
Figura 18 – Inversor eletrônico que substitui os vibradores

 

Neste circuito os transistores devem ser dotados de dissipadores de calor.

O transformador tem enrolamento de 6 V ou 12 V com 800 mA a 1 A de corrente e enrolamento primário de alta tensão de 110 V ou 220 V.

P1 deve ser ajustado para se obter o melhor rendimento.

Na figura 19 rádios antigos de carro que utilizavam vibradores.

 

Figura 19 – Rádios de carro existem desde 1922. Na foto dois curiosos modelos antigos obtidos na Internet usando válvulas e vibradores...
Figura 19 – Rádios de carro existem desde 1922. Na foto dois curiosos modelos antigos obtidos na Internet usando válvulas e vibradores...

 

 

Porque as válvulas queimam

As válvulas, utilizadas em equipamentos antigos, assim como as lâmpadas incandescentes usam um filamento de tungstênio que, ao ser percorrido por uma corrente elétrica se aquece.

Nas válvulas a finalidade do filamento é emitir elétrons funcionando como um catodo ou então aquecer um segundo eletrodo, denominado catodo que, sendo recoberto por substâncias alcalinas, emite elétrons com facilidade.

Nas lâmpadas, o filamento tem por finalidade produzir luz.

Ocorre que estando frio o filamento de tungstênio de uma lâmpada ou válvula apresenta uma resistência muito baixa, o que significa que ao ser ligado a corrente inicial é muito alta.

Na verdade, esta corrente inicial pode ser até 8 vezes maior do que a corrente normal do dispositivo, depois de aquecido.

Uma lâmpada de 150 mA, ao ser ligada pode ser percorrida por uma corrente inicial de mais de 1 A.

Se o filamento estiver com algum problema de desgaste mecânico ou ainda com sua espessura reduzida pela evaporação gradual, no momento em que ele é ligado pode ocorrer a ruptura, ou seja, a queima.

Assim, as válvulas (e lâmpadas incandescentes) queimam por dois motivos:

a) Pelo desgaste mecânico que enfraquece o filamento, principalmente nos pontos em que ele é ligado aos eletrodos. No momento em que a

corrente é estabelecida ele se queima.

b) Pelo desgaste gradual que ocorre já que, com o tempo, o filamento trabalhando quente vai se evaporando e tendo por isso sua espessura reduzida. Neste caso, a queima pode ocorrer no momento em que a corrente é estabelecida ou o dispositivo é ligado.

Não contamos neste caso a queima que ocorre pela oxidação, quando por algum motivo entra ar na válvula ou lâmpada.

Na figura 20 abaixo mostramos como testar o filamento de uma válvula com o multímetro.

 

   Figura 20 – Testando a continuidade do filamento de uma válvula com o multímetro
Figura 20 – Testando a continuidade do filamento de uma válvula com o multímetro

 

 

Tubos Nixie

Encontrados nos equipamentos industriais, de controle (elevadores e instrumentos) antigos, estes indicadores não são propriamente componentes de potência, mas não estão longe disso, por operarem com correntes algo intensas e tensões elevadas.

Os tubos Nixie são componentes que contém displays numéricos ou alfanuméricos.

Eles são formados por eletrodos de metal num tubo contendo gás (neon). Quando excitados, os eletrodos correspondentes acendem de modo que o símbolo correspondente se torne visível.

Na figura 21 mostramos a construção de um desses tubos.

 

Figura 21 – Construção de um tubo Nixie
Figura 21 – Construção de um tubo Nixie

 

Para os anodos o tubo necessita uma tensão da ordem de 180 V, com um consumo de 2 mA por tubo.

Nas aplicações práticas, alimentadas por baixa tensão, utiliza-se um pequeno inversor para obter esta tensão.

 

Multímetro para Circuitos de Potência - PADRÕES INTERNACIONAIS DE SEGURANÇA

Profissionais de manutenção eletrônica, reparação, e mesmo projetistas amadores, eventualmente podem estar se expondo à tensões perigosas quando analisam circuitos de potência ligados à rede de energia.

A simples medida de uma tensão num equipamento alimentado por uma rede de energia monofásica ou trifásica pode significar pôr em risco sua segurança se instrumentos apropriados não forem usados.

Os multímetros profissionais atuais devem estar de acordo com padrões internacionais de segurança que o leitor, se for profissional de manutenção, ou trabalhar com tais instrumentos deve observar na hora da compra.

Neste item trataremos desses padrões que estão diretamente ligados às medidas em circuitos que usam os semicondutores de potência estudados aqui.

As linhas de transmissão de energia elétrica estão sujeitas a diversos tipos de problemas que podem afetar a segurança de quem analisa com um multímetro um equipamento ligado a ela, ou mesmo verifica as tensões num sistema de distribuição doméstico, comercial ou industrial.

Transientes de altas tensões podem atingir intensidades elevadas, capazes de provocar arcos nos circuitos dos multímetros, atingindo desta forma os operadores com o risco de sérios acidentes.

Foi justamente a presença de transientes de todas intensidades possíveis nas linhas de transmissão de energia que levou à necessidade de se adotar medidas especiais de segurança nas especificações dos multímetros que devem ser usados na medida de tensões nessas linhas.

Veja que isso é válido tanto para o usuário que mede diretamente tensões numa linha de transmissão de energia, como o eletricista de manutenção, como também para o profissional de service que precisa medir a tensão numa fonte não isolada da rede de um televisor, monitor de vídeo ou outro equipamento.

Assim, nada mais justo que os equipamentos de teste devam ter recursos de proteção para as pessoas que trabalham no ambiente de alta tensão e de alta corrente que representam os sistemas de distribuição de energia ou alimentados diretamente pela rede de energia.

 

Os Padrões

De modo a proteger os usuários dos multímetros, foram estabelecidos padrões para sua construção.

Esses padrões levam em conta principalmente a segurança do operador, fixando as tensões que eles podem isolar, caso transientes ocorram numa linha analisada.

O primeiro padrão de segurança para tais instrumentos foi desenvolvido pela IEC (International Electrotechnical Comission) para instrumentos de medida, controle,e laboratório e uso geral em 1988, em substituição a um antigo padrão denominado IEC-348, contendo uma visão mais abrangente.

O Padrão recebeu o nome de IEC10101 o qual passou a servir de base para três novos padrões:

 

- ANSI/ISA-S82.01-94 – Estados Unidos

- CAN C22.2 No 1010.2-92 – Canadá

- EN61010-1:1993 – Europa

 

Para entender bem como funcionam estes padrões vamos começar comparando o IEC-1010-1 com o IEC 348

 

Diferenças entre o IEC-1010-1 e o IEC 348

O IEC 1010-1 especifica categorias de sobretensões baseada na distância em que se encontra a fonte de energia, conforme mostra a figura 22, e o amortecimento natural da energia de um transiente que ocorra no sistema.

Tanto mais alta for a categoria, mais perto da fonte de energia ela se encontra e, por isso, maior deverá ser o grau de proteção que o instrumento usado neste ponto do circuito deve ser dotado.

 

Figura 22 – As categorias numa instalação comum
Figura 22 – As categorias numa instalação comum

 

 

Isso permite estabelecer então quatro categorias de instrumentos que podem ser usados até o ponto máximo de um circuito em que sua categoria atinge.

 

- Categoria IV

Os multímetros desta categoria são denominados de nível primário de alimentação, sendo designados para os trabalhos no sistema de distribuição. Suas especificações devem estar além das exigidas pela norma IEC 1010-1.

Esses multímetros são projetados para trabalhar em instalações externas, subterrâneas, painéis de distribuição, etc.

São os multímetros que analisam diretamente as redes de energia sendo, portanto, os que trabalham nos pontos mais perigosos em que os transientes podem ter maior intensidade, possuindo um nível de proteção maior.

 

- Categoria III

Denominados de nível de distribuição, estão especificados para trabalhar com a tensão das tomadas de energia ou circuitos domésticos ou comerciais.

Os multímetros da categoria III são diferentes dos usados no serviço de sistemas primários de distribuição, operando no máximo até onde existe transformador de isolamento.

Os multímetros desta categoria podem ser usados nos sistemas de iluminação e distribuição de grandes construções também.

Veja que, já se trata de um instrumento com um menor grau de proteção, pois os pontos dos circuitos em que devem ser usados já não estão sujeitos aos níveis de transientes dos tipos da categoria IV.

 

- Categoria II

São os multímetros indicados para aplicações locais, como tomadas que alimentam eletrodomésticos, equipamentos eletrônicos de baixo e médio consumo e na análise de circuitos de equipamentos portáteis, etc.

Esse é o multímetro recomendado para o profissional de service que trabalha com equipamentos ligados a uma tomada de energia numa bancada.

O profissional de service não deve usá-lo, entretanto, para analisar uma instalação elétrica de um edifício ou medir tensões num quadro de distribuição de energia.

 

- Categoria I

São os multímetros usados para trabalhar com sinais, por exemplo em telecomunicações.

Esses multímetros são os que possuem o menor grau de proteção de todos, pois não se destinam a aplicações ligadas à rede de energia.

Com eles são analisados circuitos de baixas tensões isolados da rede de energia.

O profissional de manutenção pode usar um multímetro desta categoria para analisar um rádio transistorizado, um equipamento de som que tenha transformador de isolamento, um equipamento de telecomunicações, mas não deve fazer medidas numa tomada de força ou numa rede de energia.

Evidentemente, um multímetro de categoria mais alta pode ser usado nas aplicações de categorias mais baixas, mas não ao contrário.

 

As Tensões Máximas

Dentro de cada categoria existem tensões-limite de trabalho que determinam o transiente máximo que o instrumento pode suportar.

A tabela abaixo dá o modo como os instrumentos são testados:

Cat II 600 V Transiente de 4 000 V de pico Fonte de 12 ohms
Cat II 1000 V Transiente de 6 000 V de pico Fonte de 12 ohms
Cat III 600 V Transiente de 6 000 V de pico Fonte de 2 ohms
Cat III 1000 V Transiente de 8 000 V de pico Fonte de 2 ohms
Cat IV 600 V Transiente de 8 000 V de pico Fonte de 2 ohms
Cat IV 1000 V Transiente de 12 000 V de piso Fonte de 2 ohms

 

Observe que, por essa tabela, um multímetro da categoria II, na escala de 600 V deve ser capaz de suportar transientes de 4 000 V de pico.

Pelo que vimos, o que determina basicamente a qual categoria deve pertencer o multímetro que um profissional vai utilizar é o grau de proximidade da central de distribuição e as intensidades de corrente e tensão envolvidas.

Quando o leitor for adquirir um multímetro para uso profissional deve estar atento à categoria a que ele pertence. Muitos multímetros de baixo custo sequer indicam a que categoria pertence.

O leitor pode usá-los em trabalhos menos perigosos como análise de circuitos alimentados por pilhas e baterias numa bancada, mas se seu trabalho envolver medidas em equipamentos ligados à rede de energia ou na própria rede de energia, cuidado: é sua segurança que está em jogo.

Assim, deve-se ter o máximo cuidado com a escolha do instrumento, pois eles possuem as proteções necessárias para que transientes que possam ocorrer nestes sistemas não venham causar acidentes com os operadores.

Um multímetro da categoria I, projetado para trabalhar com sinais ou um multímetro da categoria II, projetado para trabalhar na análise de redes domésticas e tomadas de alimentação de eletrodomésticos comuns nunca deve ser usado no trabalho de análise de equipamentos de uma indústria ou de uma instalação de fornecimento de energia de alta potência.

Observe bem a que categoria pertence o multímetro digital que você vai comprar se ele se destina ao seu uso profissional.

 

 


Índice Geral

Parte 1 - Unidades - Energia

Parte 2 - Diodos

Parte 3 - Transistores Bipolares de Potência

Parte 4 - MOSFETs de Potência

Parte 5 - Os IGBTs

Parte 6 - Tiristores – O SCR 

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