Texto extraído do site INCB - www.newtoncbraga.com.br

Consumo racional de energia (EL057)

Cálculo de Consumo - Circuitos Para Economizar Energia – Energia Alternativa

O custo cada vez mais elevado da energia elétrica somado ao problema do seu racionamento traz para o usuário a preocupação em saber quanto vai pagar no fim do mês e mais do que isso, como reduzir este consumo para não ser punido pelas novas regras imposta para quem desperdiçar energia. O mais preocupante, na maioria dos casos, entretanto, não é somente o valor da conta, mas sim saber se o consumo marcado na conta está correto, e se não existem falhas nas leituras ou nos cálculos ou se a instalação possui algum problema ou algum eletrodoméstico que está desperdiçando energia. Como calcular o consumo de energia, como agregar recursos eletrônicos em sua casa para ajudar a economizar energia ou ainda como substituir a energia elétrica convencional por fontes alternativas de energia é o que veremos neste especial.

 

Obs. Este artigo é do ano 2001 quando já começavam a aparecer os primeiros problemas de consumo de energia em nosso país, com apagões em diversos lugares. O problema persiste e apesar das medidas que tivemos como, por exemplo, a adoção de lâmpadas de lEDs e econômicas, o que se denomina SamrtGrid que é o consumo consciente de uma forma mais atual, o artigo ainda ensina muito.

 

a) Medindo o Consumo

 As novas regras que regem o racionamento da energia e seu uso de forma racional leva à necessidade de se saber calcular o consumo de energia de qualquer estabelecimento, seja ele uma residência ou uma pequena industria de forma precisa.

Além da preocupação em se prever o consumo de energia no final do mês, é importante para o consumidor saber quanto vai pagar de energia a mais quando comprar algum equipamento para seu uso e eventualmente até escolher um modelo ou marca que seja mais econômico.

Geladeiras, aquecedores de ambientes, condicionadores de ar constumam trazer marcados de maneira bem visível (por exigência da legislação) os seus consumos.

No entanto, para o comprador, o valor em quilowatts-hora marcado em tais aparelhos não diz muito, pois o que realmente lhe interessa é quanto a mais vai pagar no final do mês.

Assim, ao comparar duas geladeiras, o máximo que o leitor pode saber é se uma é mais "gastona" do que outra, mas praticamente nada em termos de valores em dinheiro.

Como calcular o consumo de energia em nossos dias; como ler o "relógio" de energia é algo de interesse geral que os leitores, principalmente os que estão ligados à eletricidade, devem saber como fazer.

 

De onde vem a energia:

Não se pode criar energia, assim o que um motor consegue em termos de energia mecânica, uma lâmpada consegue em termos de energia luminosa ou um aquecedor consegue em termos de calor são resultado de energia elétrica que eles consomem.

A especificação da quantidade de energia que um aparelho consome é dada de uma forma indireta pela sua potência.

A potência é a quantidade de energia consumida em cada segundo e é medida em watts.

Para que o leitor tenha uma ideia da ordem de grandeza do watt (W), basta dizer que precisamos de 4,18 watts de energia aplicados durante 1 segundo a 1 grama de água para elevar sua temperatura de 1 grau, ou seja, para produzir 1 caloria.

Para aquecer 1 litro de água de 20 a 100 graus cent¡grados, por exemplo, precisamos de 80 000 calorias, que convertidas em watts por segundo resultam em 334 400 watts por segundo.

Se quisermos aquecer esta  gua em 1 segundo precisaremos de um aquecedor com essa enorme potência, o que na prática não é algo muito conveniente nem simples de manusear.

No entanto, se pudermos esperar uns 334 segundos, ou aproximadamente 5 minutos e meio, um aquecedor de 1 000 watts resolve nosso problema...

Assim, conforme o leitor pode perceber, para obtermos a quantidade de energia a ser gasta, devemos multiplicar a potência do aparelho pelo tempo que ele fica ligado.

Um aquecedor de 1 000 watts ligado dirante 334,4 segundos produz os 334 400 watts por segundo ou joules que correspondem à 80 000 calorias.

Evidentemente não são todos os aparelhos que produzem calor a partir da energia elétrica, e além disso seria muito mais prático trabalharmos com tempos medidos em horas em lugar de minutos.

Assim, expressamos a energia a empresa de energia elétrica entrega em nossa casa e a energia que consumimos em termos de quilowatts x horas, ou seja, milhares de watts multiplicados pelo tempo em horas.

Uma lâmpada que tenha uma potência de 100 watts, "consome" 100 watts-hora ou 0,1 quilowatts-hora (kWh) de energia por hora.

Durante 10 horas essa lâmpada consumirá 1 quilowatt-hora ou 1 kWh.

Veja então que, para calcular o consumo mensal ou durante um determinado período de um determinado aparelho basta multiplicar sua potência (consumida) pelo número total de horas que ele fica ligado no intervalo considerado.

Uma lâmpada de 100 watts que fique ligada durante 4 horas por dia durante 30 dias por mês consumirá:

 

Consumo = 100 x 4 x 30 = 12 000 watts-hora

Consumo = 12 quilowatts-hora

 

É pela soma dos consumos de todos os aparelhos que temos em casa que pagamos a conta de energia elétrica.

O número de quilowatts-hora que consumimos durante o mês (no intervalo entre as leituras do relógio) é marcado na conta de energia, conforme mostra a figura 1.

 

 Figura 1 – O consumo é indicado em kWh
Figura 1 – O consumo é indicado em kWh

 

 

Obs. O formato da conta pode variar conforme a concessionária

 

Veja então que, conhecendo a potência consumida por um eletrodoméstico qualquer e o tempo de acionamento desse aparelho no uso normal, podemos facilmente prever quanto a mais ele custará na nossa conta de energia.

Mas, cuidado: para aparelhos eletrônicos como amplificadores de som, não devemos confundir a potência de áudio de sua sa¡da com a potência elétrica que ele exige da rede de energia.

Um amplificador de 200 watts rms, por exemplo, não tem um rendimento de 100% na conversão de energia, o que significa que ele, quando opera à plena potência, consome mais do que isso.

Por outro lado, um amplificador que tenha uma potência de 1000 W PMPO na verdade pode não exigir de energia elétrica mais do que uns 250 W e isso somente quando estiver com o volume todo aberto.

 

Aparelhos de Maior Consumo

Os aparelhos de maior consumo são os que normalmente trabalham com calor quer seja retirando-o de um local e transferindo-o para outro como condicionadores de ar e geladeiras quer seja convertendo energia elétrica para sua proidução como chuveiros, aquecedores de ambiente, etc.

Assim, um primeiro ponto a ser analisado quando uma conta de energia está alta demais é verificar o modo como tais aparelhos estão sendo usados. Uma geladeira com problemas de vedação da porta pode fazer com que o consumo mensal deste eletrodoméstico aumente em ate 80 kWh enquanto que o uso desnecessário de condicionadores de ar pode ser igualmente grave para o consumo.

É importante que, quando se planeja uma instalação de trabalho que a ventilação e a iluminação sejam naturais e eficientes. Um pequeno investimento a mais num bom planejamento da arquitetura de um prédio pode facilmente ser devolvido pela economia de eletricidade que se faz em pouco tempo.

 

O "RELÓGIO DE LUZ"

Na entrada das instalações industriais, comerciais e domiciliares temos normalmente um medidor de consumo de energia ou "relógio" de luz que pode ser de um dos tipos mostrados na figura 2.

 

  Figura 2 – Um indicador de consumo (relógio de luz) antigo do tipo analógico
Figura 2 – Um indicador de consumo (relógio de luz) antigo do tipo analógico

 

 

Obs. Os medidores modernos são digitais e apresentam a indicação direta do valor em kWh que se encontrano momento de forma direta, sendo mais simples sua leitura. O modelo indicado era o mais comum na época em que o artigo foi escrito.

 

Estes relógios possuem indicadores que permitem formar os números correspondentes aos quilowatts hora consumidos. No entanto, como o relgio não é "zerado" quando uma leitura é feita, o valor em quilowatts-hora consumidos num mês é obtido subtraindo-se a leitura atual da anterior.

Por exemplo, se na leitura atual temos a indicação de 1550 kWh, e na anterior o valor marcado era de 1250, o consumo a ser considerado é de 300 kWh.

 

Mas, como ler esses valores?

Vamos tomar como exemplo o relógio mostrado na figura 2.

Os ponteiros apontam para os dígitos que formam o número de quilowatts da leitura atual. O que pode ocorrer é que um ponteiro não esteja exatamente num número, como mostra a mesma figura, mas sim entre dois deles, o que pode dificultar a leitura para a maioria das pessoas.

Assim, no desenho, o ponteiro do segundo d¡gito está entre o 5 e o 6. Qual valor considerar? No caso, sempre consideramos o menor, pois se o ponteiro está entre o 5 e o 6 ‚ porque o ponteiro seguinte provavelmente está no meio da escala de 0 a 9 ou seja, nas proximidades do 5.

Para o relógio com a aparência mostrada na figura 3, o procedimento é o mesmo.

 

   Figura 3 – Exemplo de leitura
Figura 3 – Exemplo de leitura

 

 Uma maneira de se controlar o consumo de energia ‚ sempre que for feita a leitura (normalmente existe um dia certo para isso - quando o cachorro deve ficar preso e o portão de acesso ao medidor aberto!), o morador ou proprietário do estabelecimento também anota num papel o valor da leitura (em muitos casos isso não precisa ser feito, pois na conta temos o valor medido e o valor anterior!).

Tirando a diferença dos valores temos o consumo e aí é só consultar na própria conta a tabela de preços dos quilowatts e conferir os valores cobrados.

No nosso país a tarifa é diferenciada por faixas de consumo. Assim, observando a conta vemos que para consumos de 0 a 30 kWh temos uma tarifa menor do que para 30 a 70 kW.

Vamos tomar um exemplo de cálculo com base numa conta comum e ver como isso ‚ feito:

 

a) Numa leitura numa residência foi registrado o consumo de 173 kWh. Quanto o morador dessa residência vai pagar (sem o imposto)?

A energia consumida de 0 a 30 kW custa R$ 0,06598 por kWh. Multiplicando por 30 temos:

 

30 x 0,06598 = 1,97

 

A energia consumida de 31 a 100 kWh custa R$ 0,11309 por kWh. Por isso temos 70 kWh (de 31 a 100) neste preço o que resulta em mais:

70 x 0,11309 = 7,91

 

Para a faixa de 101 a 200 kWh que correspondem a mais 100 kWh consumidos, o preço é de R$ 0,16965 por kWh o que resulta em:

 

73 x 0,16965 = 12,38

 

Somando todos os valores temos o Fornecimento de energia que no caso foi de R$ 22,26

 

Em São Paulo, sobre este valor incide 25% de ICMS (Imposto) que corresponde a mais R$ 3,03. Com a soma desses dois valores temos o Total a pagar que ser  de R$ 25,29.

 

Obs. Os valores são da época em que o artigo foi escrito.

 

Folclore

Existem diversas crenças populares e “simpatias” que são usadas para se tentar reduzir o valor da conta de energia. Uma delas é que colocando algumas garrafas de água perto do relógio de luz ele passa a “marcar menos” energia. Evidentemente não existe fundamento nenhum para isso. Na verdade, diante da necessidade se economizar podem ser imaginados os mais diversos artifícios para se tentar enganar o relógio e alguns podem até ser curiosos como a colocação de imãs, misturas de substâncias estranhas, etc. É o mesmo caso que observamos da colocação de “bom bril” na ponta de antenas de TV “para ajudar pegar melhor” que ainda é adotada por muitas pessoas...

Os leitores que sabem de algum procedimento deste tipo poderiam nos enviar seus relatos, pois realmente é uma curiosidade...

 

CONTROLANDO O CONSUMO

Evitar desperdício de energia é algo fácil, que pode reduzir bastante uma conta de energia, mas exige algo que nem sempre é simples de implantar: o hábito.

Os seguintes hábitos podem ajudar muito na reduço do consumo:

 

a) Apagar a luz de uma dependência da casa em que não haja ninguém. Muitas pessoas (e não são crianças) costumam deixar três ou quatro lâmpadas acesas na casa, mesmo estando sozinhas e ocupando apenas uma dependência! Duas horas por dia de economia numa lâmpada de 100 watt signficam 6 kWh a menos no final do mês!

 

b) Não deixar portas de geladeiras abertas por muito tempo. As geladeiras possuem um termostato que as liga somente quando a temperatura se eleva no seu interior pela entrada de ar quente do exterior com a porta aberta. Assim, o consumo desse eletrodoméstico depende muito da quantidade de vezes que a porta é aberta e fechada e pelos tempos em que ela permnece aberta. Sendo rápido ao tirar e colocar coisas na geladeira e principalmente não deixando sua porta aberta pode-se economizar facilmente alguns quilowatts por mês.

 

c) Controle o uso do chuveiro. O chuveiro é o eletrodoméstico de maior consumo numa residência: de 4 a 6 kW de potência!

Assim, o costume de se despir com o chuveiro ligado de modo a encontrá-lo quente, pode significar um aumento considerável nos gastos. Apenas 5 minutos por dia nesta operação significam 150 minutos por mês ou 2 horas e meia o que para um chuveiro de 6 kW significam 15 kWh a mais na conta! Se na sua casa 4 pessoas fazem isso todos os dias, o consumo "cresce" em 60 kWh! A substiuição do tradicional chuveiro elétrico pelo aquecimento central a gás ou mesmo elétrico com o uso racionalizado pode trazer uma boa economia de energia.

 

d) Saiba usar os eletrodomésticos de alto consumo

Existem muitos eletrdomésticos que realmente trazem conforto e comodidade, mas em alguns casos o consumo de tais aparelhos não é‚ dos menores. Os eletrdomésticos que produzem calor, em especial são os mais "gastões". Pequenos fornos de mesa, aquecedores de ambientes, fogareiros elétricos, torneiras elétricas são alguns exemplos. Estes aparelhos podem ter consumos na faixa de 0,8 a 2 kWh o que significa que devem ser usados com moderação.

 

e) Iluminação correta e lâmpadas corretas.

As lâmpadas incandescentes comuns são mais baratas que as fluorescentes e as eletrônicas, mas consomem mais energia. Por que não usar lâmpadas mais baratas nos locais em que elas são poucos usadas, para termos menor investimento na instalação com um gasto que não é significativo pelo tempo de uso e, por outro lado, fluorescentes ou lâmpadas eletrônicas nos locais em que elas são muito usadas, para termos menor consumo, com um investimento um pouco maior na instalação?

 

Cozinhas e escritórios devem usar fluorescentes, enquanto que salas de estar, dormitórios e banheiros podem usarb lâmpadas eletrônicas e banheiros ou corredores de pouco uso podem perfeitamente usar lâmpadas incandescentes comuns.

 

Para os que desejam realmente maior economia por que não pensar nas lâmpadas eletrônicas em toda a casa? Uma lâmpada deste tipo que consome apenas 9 W fornece tanta luz como uma incandescente de 75 W!

 

Consumo Médio de Alguns Aparelhos de Uso Comum:

arelho de som tipo 3 em 1 de 40 W (**)¬0,02mputador (***)¬0,1nitor de vídeo (***)¬0,04 a 0,1

Aparelho Consumo em kW por hora (kWh)
Lâmpada incandescente de 100 W 0,1
Lâmpada incandescente de 60 W 0.06
Lâmpada incandescente de 40 W 0,04
Lâmpada econômica de 22 W 0,022
Lâmpada econômica de 28 W 0,028
Lâmpada econômica de 32 W 0,032
Fluorescente de 40 W 0,04
Ventilador 50 a 150 W 0,05 a 0,15
Secador de cabelos 0,4 a 1,0
Geladeira (*) 0,15 a 0.3
Freezer (*) 0,5
Ferro de Passar Roupas 0.8 a 1.2
Forno de microondas de 800 W 0,8
TV de 14 a 20 polegadas 0,04 a 0,06
Secadora de roupas 0,6 a 1.0
Lavadoras de pratos 0,8
Máquina de lavar roupas 0,3
Secretária eletrônica 0,001
Carregador de celular 0,001
Liquidificador 0,2
Batedeira de bolos 0,2
Forno elétrico 1,2 a 1,5
Torneira Elétrica 1,2 a 2,4
Chuveiro Elétrico 2,2 a 4,0
Bomba de poço 0,3 a 0,5
Cortador de Grama 0,3 a 0,5
Mini Lava-Jato 0,4 a 0,6
Barbeador elétrico 0,01
Radio Relógio 0,005 a 0,01

(*) A geladeira só tem o alto consumo quando o motor do compressor está ligado. Uma vedação na porta imperfeita leva a geladeira a ligar muito mais vezes do que o normal, elevando assim o consumo. O consumo médio por mês para uma geladeira comum levado em conta o tempo que ela ficaligada é de 90 kWh.

 (**) A potência sonora de um aparelho de som nada tem a ver com a potência elétrica consumida. É normal que um aparelho de 100 Wpmo tenha apenas 25 W rms num circuito com 50 % de rendimento o que leva a um consumo de apenas 50 kWh.

 (***) Os monitores e computadores possuem sistemas de gerenciamento de energia que os leva a uma condição de baixo consumo quando não estão sendo usados. Assim, mesmo ligados, se você fica muito tempo sem mexer no teclado ou mouse, o monitor “apaga a tela” e o próprio processador reduz a velocidade para reduzir o consumo de energia.

 

 

b) Unidades de Medida e Fontes de Energia

Os dois temas que vamos abordar a seguir são fundamentais para que os praticantes de eletrônica entendam o princípio de funcionamento de muitos circuitos e saiba de onde eles podem obter a energia para isso. A confusão de unidades é o principal fator que leva ao desentendimento por parte de muitos profissionais e estudantes de eletrônica. Neste artigo vamos procurar tirar algumas dúvidas simples que os leitores possam ter.

Eletricidade pode ser medida, e saber como isso se faz ‚ fundamental para quem pretende mexer com esta forma de energia.

Se o praticante de eletrônica não souber como se mede aquilo com que ele trabalha, como pode ele entender como funcionam os aparelhos que monta, que repara ou ainda ajusta, ou ainda o que é mais grave: que segurança ele pode ter no manuseio desses aparelhos?

A eletricidade não pode ser vista e isso é a principal causa das dificuldades que as pessoas têm para entender como ela pode ser medida.

O que se faz na prática é medir a causa (eletricidade) pelos efeitos que ela provoca. Dizem, até os mais bem humorados, que podemos medir a tensão de uma tomada enfiando os dedos nos seus furos: se sair fumaça por uma orelha temos 110 volts e sair pelas duas, temos 220 volts!

Evidentemente, existem outros métodos mais práticos de se medir a eletricidade, mas o mais importante é saber o que medir. O que significam os volts? Existem outras formas de medida? O que significam os Ω, amperes e watts?

É isso que vamos explicar a seguir:

 

AS GRANDEZAS

Grandeza é aquilo que pode ser medido. Uma dimensão, um peso, uma intensidade de luz, a temperatura, a intensidade de uma corrente elétrica são grandezas físicas.

Para que o leitor entenda bem porque em eletricidade existem diversas grandezas a serem medidas, é importante saber como a eletricidade se manifesta.

Quando uma lâmpada acende é porque, pelo fio que a alimenta passa um fluxo de cargas elétricas (pequenas partículas que podem ser associadas a elétrons, por exemplo).

Assim, uma grandeza que pode ser medida em eletricidade é a intensidade desse fluxo de cargas, que denominamos CORRENTE ELÉTRICA.

Da mesma forma que um cano grosso pode deixar passar um fluxo maior de água, podemos ter num condutor elétrico um fluxo mais intenso de cargas, ou uma corrente mais intensa conforme mostra a figura 4.

 

 Figura 4 – A intensidade da corrente
Figura 4 – A intensidade da corrente

 

 Assim, a grandeza CORRENTE ELÉTRICA pode ser associada à quantidade de cargas que passa por um determinado ponto do condutor em cada segundo (na verdade, em lugar de ponto devemos pensar na seção reta do condutor num local).

Ora, a corrente não flui pelo condutor sozinha, da mesma forma que a água num cano não flui se não houver uma certa pressão para empurrá-la.

A pressão, no caso da corrente elétrica é uma força de natureza elétrica que empurra as cargas pelo fio. Essa pressão nos leva a uma outra grandeza que é a TENSÃO ELÉTRICA.

Da mesma forma que no caso de um cano, podemos também pensar que a intensidade do fluxo de água depende da diferença que existe entre a entrada e a saída do cano, que vai justamente determinar a diferença de pressão entre estes pontos.

No caso do condutor, podemos falar numa diferença de pressões como uma DIFERENÇA DE POTENCIAL.

Assim, a corrente num condutor é sempre causada pela tensão que empurra as cargas ou pela DIFERENÇA DE POTENCIAL entre estes pontos o que é mostrado na figura 5.

 

 

Figura 5 – Diferença de potencial
Figura 5 – Diferença de potencial

 

 

Tanto a corrente como a tensão são grandezas, e portanto podem ser medidas. Ora, medir é comparar. Assim, precisamos ter meios de comparação com alguma referência, ou seja, com uma corrente ou tensão fixas que sirvam de padrão.

Esse padrão é a unidade de medida. Assim, para a corrente adotamos como unidade o AMPERE que é abreviado por A. Para a tensão e diferença de potencial, adotamos o VOLT que é abreviado por V.

 

OUTRAS GRANDEZAS E UNIDADES

Para cada grandeza devemos ter uma unidade apropriada. Como a unidade é escolhida pelos usuários pode perfeitamente ocorrer em que lugares diferentes, tenhamos unidades diferentes.

É o caso das medidas de comprimento que no nosso país são feitas em metros, mas que em outros pa¡ses podem ser feitas em pés, jardas, etc.

No caso da eletricidade, felizmente, as unidades são adotadas universalmente, em sua maioria, não havendo portanto muitos problemas de conversões.

No íem anterior vimos duas grandezas elétricas importantes: tensão que pode ser considerada a causa, e a corrente que pode ser considerada o efeito.

Além dessas, temos outras:

Quando uma corrente tenta passar por um condutor ela encontra uma certa oposição. Essa oposição é a RESISTÊNCIA ELÉTRICA. A unidade de resistência é o OHM. Assim, se a resistência de um fio for tal que precisamos de 1V para forçar a circulação de corrente de 1 ampere, sua resistência será de 1 ohm. O ohm é abreviado pela letra grega Ômega (?).

Uma outra grandeza importante em eletricidade é a potência elétrica. Quando uma corrente circula por um condutor ou um meio qualquer, existe um certo trabalho no sendo de se obter a movimentação de carga. Em outras palavras isso representa um certo dispêndio de energia que pode ser converter em calor, em força mecânica ou ainda em alguma forma de radiação. Existe portanto um trabalho da força elétrica que pode ser medido.

Em eletricidade é interessante indicar a quantidade de energia que é envolvida quando uma corrente circula por um determinado meio, mas em cada segundo.

A energia é medida em Joules e o tempo em segundos, mas a relação energia por unidade de tempo recebe a denominação de potência, assim joules por segundo, resulta numa unidade denominada WATT que é abreviada por W.

Os "watts" de um circuito indicam portanto a quantidade de energia que ele "exige" ou "fornece" em cada segundo.

 

 

FONTES DE ENERGIA

Conforme vimos nos ítens anteriores, para que uma corrente circule por um circuito qualquer é preciso que haja uma causa que é a tensão.

Tensão e corrente, em conjunto determinam assim qual é a quantidade de energia que deve ser transferida a um circuito para que ele funcione.

Ora, um princípio muito importante que rege todos os fenômenos físicos é aquele que diz que não se pode criar nem destruir nada na natureza, mas apenas fazer transformações. Assim, a energia que um circuito precisa para funcionar não pode ser criada a partir do nada, mas deve vir de dispositivos especiais denominados "fontes"(figura 6).

 

  Figura 6 – Fontes de energia elétrica
Figura 6 – Fontes de energia elétrica

 

 

Uma fonte não cria energia, mas transforma-a. Assim, as fontes de energia que são usadas para alimentar os aparelhos eletrônicos, na verdade devem transformar alguma outra forma de energia em energia elétrica.

Evidentemente, a quantidade de energia que é transformada deve ser no mínimo igual à quantidade de energia que o aparelho que vai ser alimentado precisa para funcionar.

Não podemos usar uma pilha que só fornece 1 ou 2W de potência para alimentar, por meio de qualquer tipo de dispositivo intermediário, uma lâmpada ou um amplificador que exige 10 ou 20W de potência conforme ilustrado na figura 7.

 

 Figura 7 – Princípio da conservação da energia
Figura 7 – Princípio da conservação da energia

 

 

Além dessa "transformação" ser impossível, temos de levar em conta que ocorrem perdas.

Observe que a potência se relaciona com a corrente e a tensão: a potência é o produto da tensão pela corrente.

Assim, se uma pilha pode fornecer uma corrente máxima de 1 A sob uma tensão de 1,5V, isso significa que sua "potência máxima" ‚ de 1 x 1,5 = 1,5 W.

Podemos perfeitamente alimentar um inversor que produza uma tensão de 150V com esta pilha, mas isso não vai significar que a potência se eleve. Quando aumentamos a tensão, a potência deve ser manter, o que significa que a corrente cai proporcionalmente. Assim, a nova corrente que se pode obter com 150 V ser  de apenas 0,01 A, pois:

 

150 x 0,1 = 1,5 W

 

Confusão “Federal”

O próprio texto da Medida Provisória que estabelece o racionamento de energia em nosso país mostra como a confusão entre as unidades de energia é comum. As autoridades que redigiram este texto confundiram a potência medida em watts com a tensão em volts, coloc ando em diversos pontos coisas como :”lâmpadas de 100 V de potência” em lugar de “100 W”, o levou à necessidade do mesmo ser devolvido para nova redação antes de ser publicado...

 

Diversas são as formas de energia que podem ser convertidas em eletricidade. Essas "formas" determinam os tipos de fontes mais usadas:

 

a) QUÍMICA

Reaçõäes químicas podem liberar energia e esta energia pode ser obtida diretamente na forma de eletricidade. As pilhas e baterias são exemplos de fontes químicas de energia elétrica. Nelas, energia liberada numa reação química é transformada em energia elétrica conforme mostra a figura 8.

 

   Figura 8 – Pilhas e baterias
Figura 8 – Pilhas e baterias

 

 

Se as reações forem irreversíveis, as pilhas devem ser jogadas fora tão logo a energia liberada termine. No entanto, existem casos especiais em que a reação pode ser "invertida". Isso ocorre com pilhas e baterias recarregáveis. Nelas, a eletricidade pode "voltar" para a bateria num processo de recarga.

No entanto, a recarga não é “de graça”. No processo de recarga precisamos “devolver” para a pilha ou bateria a energia que ela forneceu.

 

b) MECÂNICA

A força de um motor, pressão da água, força do vento ou mesmo esforço físico de uma pessoa podem ser usados para produzir eletricidade. Neste caso, o que temos é a conversão de energia mecânica em energia elétrica.

Diversos são os dispositivos que podem ser usados nesta conversão e eles se constituem em fontes de energia.

Os geradores usados nas usinas de energia elétrica, os dínamos e alternadores usados nos carros, os dínamos de bicicletas são alguns exemplos de fontes de energia deste grupo.

 

c) TÉRMICA

O calor é uma forma de energia. Existem dispositivos que podem converter calor em energia elétrica, se bem que seu rendimento seja muito pequeno. Eles são os pares termoelétricos que na verdade só são usados em instrumentação.

 

d) LUMINOSA

Luz ou ondas eletromagnéticas de comprimentos de onda muito pequenos podem ser convertidas em eletricidade, pois consistem numa forma de energia.

As pilhas solares ou foto-células que são placas de silício especial são tipos de fontes que convertem luz em eletricidade, conforme mostrado na figura 9.

 

    Figura 9 – Painel solar
Figura 9 – Painel solar

 

 

Se bem que seu rendimento não seja grande, ou seja, a quantidade de energia que fornece é pequena, sua utilização pode ser interessante em dispositivos de baixo consumo como relógios, calculadoras, brinquedos, etc.

 

e) OUTRAS

Existem outras formas de energia que podem ser convertidas em eletricidade como por exemplo a atômica. A energia liberada na desintegração de substâncias radioativas ou mesmo na fusão de elementos, pode fornecer grande quantidade de energia.

No caso das usinas, a transformação em eletricidade desta energia não é direta.

Conforme mostra a figura 10, o processo de transformação para se chegar a eletricidade tem várias fases.

 

  Figura 10 – Usina nuclear
Figura 10 – Usina nuclear

 

 

Na primeira fase, a desintegração da substância radioativa produz calor (energia térmica) que aquece a água de condutores fechados. Essa água sob pressão transfere seu calor para uma segunda caldeira fazendo com que a água dessa segunda caldeira ferva.

O vapor gera pressão que então movimenta uma turbina. Temos neste caso a transformação de calor em energia mecânica.

Na turbina é que está acoplado o gerador (alternador) que produz a energia elétrica. Temos então a transformação da energia mecânica em energia elétrica.

Veja que a água que está em contacto com a substância radioativa no primeiro circuito de transferência de energia não deve ser liberada na atmosfera, mas sim recuperada num "condensador". Isso ‚ importante porque qualquer coisa que tome contacto com a substância radioativa (que é o combustível do reator) se torna também radioativa e isso ocorre com essa água.

 

c) Fontes Alternativas de Energias

CÉLULAS À COMBUSTÍVEL- UM NOVO CONCEITO NA PRODUÇÃO DE ENERGIA

Energia fácil e barata sem poluição tanto para movimentar veículos como para produzir eletricidade de uso comercial e residencial. Este é o novo conceito que começa a ser explorado em algumas aplicações práticas e deve estar disponível em maior escala já nos próximo anos ao consumidor comum graças a tecnologia da célula à combustível.

Gerando energia elétrica diretamente a partir da combustão de gases como o gás comum, hidrogênio e outros, este sistema gera energia limpa com alto rendimento. Veja a seguir de que modo funcionam as células à combustível e o que elas prometem para o futuro como fonte alternativa de energia.

Um dos problemas da produção de eletricidade a partir de fontes disponíveis atualmente como a dos rios, atômica, eólica, térmica e solar ‚ que os processos usados só têm bom rendimento na produção de energia em grande escala. Assim, nossas fontes de energia são centralizadas exigindo grandes redes de distribuição que, além de custarem caro representam um ponto crítico no sistema, pois apresentam perdas consideráveis.

A possibilidade de se gerar energia elétrica em pequena escala a um baixo custo, usando processos que não sejam poluentes, é procurada há muito tempo.

Pequenos geradores alimentados a gás poderiam alimentar residências e movimentar veículos com um rendimento muito maior, sem poluição e eliminariam a necessidade de uma ampla rede de distribuição de energia.

Na verdade, nos locais em que existem redes de distribuição de gás encanado, já se pensa em utilizar esta forma de combustível para gerar eletricidade como ocorre na California onde a crise de energia já está se manifestando de forma tão intensa como no nosso país.

Outra possibilidade importante é a movimentação de veículos. Usando o hidrogênio como combustível é poss¡vel obter energia em grande quantidade e barata e mais do que isso: o produto da queima do hidrogênio é a água pura que não causa qualquer tipo de poluição!

Mas, para gerar energia elétrica diretamente a partir da queima de um combustível não é tão simples, e a tecnologia exigida só agora toma um grande impulso.

Para gerar eletricidade a partir da queima de combustível são usados dispositivos denominados "células à combustével" e é delas que falaremos mais intensamente a partir de agora.

 

O QUE SÃO AS CÉLULAS À COMBUSTÍVEL

Para gerar eletricidade a partir da queima de um combustível o processo tradicional utiliza uma série de dispositivos intermediários que reduzem o seu rendimento, encarecem sua elaboraçãÆo e tornam seu tamanho proibitivo para a maioria das aplicações, principalmente as que envolvem a produção de pequenas quantidades de energia.

Assim, conforme mostra a figura 11, o que se faz tradicionalmente é queimar um combustível para movimentar um motor e este motor acionar um dínamo ou alternador.

 

  Figura 11 – Usina termoelétrica
Figura 11 – Usina termoelétrica

 

 

A cada transformação de energia ocorre uma perda, e além disso os combustíveis usados atualmente para se movimentar os motores são altamente poluentes como o óleo diesel, gasolina, ou mesmo a queima de carvão ou lenha.

Será que não existe algum meio de se obter eletricidade a partir da queima de um combustível num processo direto único sem dispositivos intermediários?

A descoberta da célula à combustível não é recente. Em 1839 Sir William Robert Grove dscobriu que a dissociação de vapor de água em hidrogênio e oxigênio podia ser obtida num eletrodo de platina aquecido.

Novos materiais e novas técnicas desenvolvidos principalmente a partir da subida da Gemini IV (que tinha um sistema de células a combustível capaz de gerar 12 kW de energia elétrica), estão levando a possibilidade de se gerar eletricidade diretamente a partir de um processo qu¡mico em que entrem gases comuns.

 

COMO FUNCIONAM AS CÉLULAS À COMBUSTÍVEL

Se bem que o conhecimento do princípio funcionamento da célula à combustível seja bastante antigo, o entendimento de como ela realmente funciona é relativamente recente.

Enquanto uma bateria comum leva o seu combustível e o comburente em seu interior de uma maneira que não podem ser substituido, mas eventualmente apenas recompostos pelo processos de recarga, uma célula à combustível é diferente, conforme podemos ver pela figura 12.

 

 

 Figura 12 – Célula a combustível
Figura 12 – Célula a combustível

 

 

Na célula à combustível, o combustível (um gás, como o hidrogênio) e o comburente (o oxigênio) são "bombeados" para o seu interior e na combinação de ambos em eletrodos especiais resulta em eletricidade que pode ser usada para alimentar um circuito externo.

As vantagens deste sistema são inúmeras mas a principal está na possibilidade do fornecimento de energia de forma constante e ilimitada.

O que ocorre é que a capacidade de armazenamento de energia das baterias comuns é pequena, exigindo-se para o caso dos veículos baterias muito grandes, pesadas e caras para se obter uma autonomia apenas razoável. Na célula à combustível, o elemento que converte energia é pequeno, e a energia ‚ armazenada externamente na forma do combustível em tanques usado podendo ser fornecida continuamente e reposta com facilidade.

As células a combustível são classificadas por muitos como "dispositivos de estado sólido" que convertem energia química em energia elétrica sem a necessidade de dispositivos mecânicos.

No tipo básico, existem eletrodos porosos à base de platina (que funciona como catalisador da reação) para onde é bombeado o hidrogênio, conforme mostra a estrutura da figura 13.

 

 

   Figura 13 – O funcionamento de uma célula à combustível
Figura 13 – O funcionamento de uma célula à combustível

 

 

Ocorre, entretanto que os poros do eletrodo poroso, normalmente uma membrana de um polímero são menores que os átomos de hidrogênio que então não conseguem passar na forma normal.

Forçados a perder um elétron, os átomos se convertem em ions carregados positivamente que, pela ação do catalisador passasm e se combinam com o oxigênio, liberando energia e formando  gua e ao mesmo tempo dotando o catodo de uma carga positiva. Do outro lado permanece o elétron que assim "carrega" o anodo negativamente.

Neste processo, a presença de cargas de polaridades diferentes no anodo e no catodo tornam disponíveis energia elétrica para um circuito externo. A diferença de potencial obtida por célula deste tipo é da ordem de 1,23 volt sem carga caindo para 0,6 V com carga.

Este tipo de célula ‚ denominado SPFC ou PEM (Proton Exchange Membrane ou Membrana de Troca de Prótons).

Mas, a principal vantagem deste tipo de célula está no seu elevado rendimento que pode chegar aos 60% o que é muito mais do que o rendimento obtido por um motor a combustão t¡pico que não passa de 25% e além disso o fato de que o produto da combustão é vapor d'água!

Alguns cuidados devem ser tomados com o hidrogênio usado como combustível que é a remoção do enxofre e do monóxido de carbono que é capaz de "envenenar" o catalisador de platina afetando o funcionamento da célula.

Diversas são as empresas que trabalham hoje no desenvolvimento de células do tipo PEM. Dentre elas podemos destacar a ECN na Holanda, a Sere De Nora na Itália, e a Siemens e a Dornier na Alemanha além da Rolls Royce e VESL. No Canadá destacamos a Ballard Power System e nos Estados Unidos a Energy Partners.

Esta empresa possui em sua linha de produtos células de 5 kW de potência, fornecendo correntes de 240 A sob tensão de 20 V quando alimentadas por hidrogênio sob pressão de 30 psi (o que equivale a aproximadamente 2 atmosferas). Esta célula pesa apenas 45 kg.

Um ônibus que é movimentado com esta célula já se encontra em produção pela Mercedes-Benz e dele falaremos mais adiante ainda neste artigo.

 

OUTROS TIPOS DE CÉLULAS

a) MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)

Um outro tipo de célula à combustível é a que usa carbonato fundido como combustivel sendo denominada MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) e que tem a estrutura básica mostrada na figura 14.

 

   Figura 14 – Estrutura de uma célula MCFC
Figura 14 – Estrutura de uma célula MCFC

 

 

Nesta célula temos um eletrodo que é aquecido a uma temperattura de aproximadamente 650 graus centígrados. Nesta temperatura o sal usado como eletrólito funde-se e se torna condutor de corrente elétrica, permitindo que íons de carbonato migrem para o anodo. Neste trajeto os íons encontram-se com o hidrogênio ocorrendo então uma reação química. Nesta reação forma-se água e dióxido de carbono (CO2).

Ao mesmo tempo, os íons de carbonato e o oxigênio reagem para recolocar em ciruclação os íons de carbonato que migraram para o anodo.

Veja que nesta reação o dióxido de carbono funciona apenas como um suporte na cadeia de interações iônicas.

Uma das dificuldades que os projetistas destas células encontram está na degeneração do eletrodo de óxido de níquel (catodo) que, em contato com o eletrólito alcalino logo se estraga.

Este tipo de célula tem uma eficiência na faixa dos 50 aos 60%, gera mais calor que o tipo PEM, e está sendo estudada com especial atenção por algumas empresas japonesas como a Hitachi, Toshiba e Mitsubishi.

Nos Estados Unidos um consórcio de empresas liderada pela M-C Power realiza estudos com este tipo de célula pensando em torná-la comercial o mais rápido possível.

A vantagem deste tipo de célula está na possibilidade de funcionar com gás natural, metanol, propano, etanol em mistura com o hidrogênio o que amplia sua gama de aplicações práticas.

 

b) SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)

Este tipo de célula, ainda em fase de desenvolvimento tem uma eficiência na faixa de 50 a 60%.

Nesta célula o comhustível, que pode ser gás natural ou outro tipo de gás combustivel, é bombeado para um anodo juntamente com vapor de  gua. Ocorre então uma reação química em que monóxido de carbono e hidrigênio são produzidos .

Na temperatura elevada em que o processo ocorre, íons de oxigênio são produzidos e levados pelo eletrólito formando assim uma corrente elétrica que se dirige ao anodo. Os íons que chegam ao anodo podem então entregar seus elétrons formando assim água e devolvendo ao anodo os elétrons para fechar o percurso da corrente.

A Whestinghouse, nos Estados Unidos, é a principal empresa que trabalha no desenvolvimento deste tipo de célula.

 

c) PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)

Este tipo de célula se caracteriza pela altíssima densidade de energia que pode fornecer, mais de 200 mA por centímetro quadrado, sob tensão de 0,66 volts, com um rendimento na faixa de 40 a 45 %. Muitas células são "empilhadas" de modo a se obter mair tensão e assim poder alimentar um circuito externo.

A desvantagem está na necessidade de hidrogênio como combustível num grau de pureza elevado, pois não pode conter substâncias como o monóxido de carbono ou enxofre que podem afetar o catalisador de platina.

 

APLICAÇÕES DIFERENTES

No futuro prevê-se que a utilização das células à combustível não se limite à propulsão. Geradores pequenos, de baixo custo, podem ser instalados em residências que então não precisarão mais dispôr de energia vinda por meio de fios e uma usina distante. A eletricidade para o consumo local seria gerada quer seja por gás engarrafado quer seja por gás encanado, que já est  disponível numa grande quantidade de locais.

Assim, existe um plano interessante que está em andamento, que consiste em se dotar residências de uma cidade escolhida da California com pequenos geradores à base de células a combustível que utilizariam gás encanado.

Com um bom rendimento, usando uma forma de energia que ainda não é tão escassa como a hidroelétrica, estes pequenos geradores poderiam resolver um grave problema de sobrecarga dos sistemas de fornecimento convencionais que ameaçam alguma regiões dos Estados Unidos (e aqui também).

Os leitores que desejam ter um bom romance tratando do grave problema que é o de geração e distribuição de energia que ronda algumas regiões dos Estados Unidos, especificamente a California devem ler o romance "Colapso" de Arthur Hailey (Rio Gráfica Editora).

Os recentes "blackouts" de São Paulo e a vinda do racionamento também mostram que aqui mesmo em nosso país, também estamos nos aproximando de um ponto crítico na geração e fornecimento de energia que talvez tenham como solução a nova tecnologia da célula à combustível.

 

UMA IDEIA PARA O FUTURO

Talvez, nos próximo anos, a energia elétrica de que disporemos em nossa casa seja obtida de uma completamente diferente de hoje.

Em lugar de usinas centralizadas que gerem grande quantidade de energia elétrica a partir da energia hidroelétrica, atômica, marés, eólica ou outra tenhamos algo diferente.

As grandes usinas farão a eletrólise da água gerando grandes quantidades de hidrogênio que seriam engarrafados ou canalisados, servindo como combustível limpo para células de todos os tipos que gerarção toda a eletricidade que precisamos, conforme mostra a figura 15.

 

    Figura 15 – O hidrogênio como combustível
Figura 15 – O hidrogênio como combustível

 

 

Obs. O artigo é de 2001, mas na época em que o revisamos e republicamos (2014) essa tendência tomou corpo e o processo já está em uso para fornecer hidrohgnio para carros elétricos que operam com células à combustível.

 

d) Circuitos Para Economizar Energia

A seguir, damos alguns circuitos interessantes e idéias que podem ser usados tanto para economizar energia como tamnbém como sistemas de emergência em caso de corte desta energia.

 

REDUTOR DE CONSUMO COM DIODO

As lâmpadas incandescentes e dispositivos de aquecimento são grandes vilões no consumo de energia. Produzir luz pelo aquecimento de um filamento é um desperdício já eu para cada 100 W de energia consumida apenas 20 a 25 W são convertidos em luz. O restante, perde-se em calor.

A recomendação básica é trocar as lâmpadas incandescentes por equivalentes de menor potência fluorescentes ou eletrônicas. No entanto, as instalações fluorescentes e as lâmpadas eletrônicas são bem mais caras que as lâmpadas incandescentes comuns o que pode significar um problema para as pessoas de menor poder aquisitivo.

Uma solução que propomos para o caso das lâmpadas incandescentes sem a necessidade de troca é a redução de sua potência nos momentos em que a potência máxima não é necessária. Assim, numa sala de estar em que exista uma lâmpada de 100 W, pode-se perfeitamente no caso de ninguém estar lendo ou praticando alguma atividade que não necessite de máxima luz, reduzir a luminosidade e com isso o consumo para pouco mais de 50 W. (50% de redução é bem mais do que o exigido pelo programa do governo!).

Isso pode ser feito com pouco investimento: um diodo e um interruptor duplo, conforme mostra a figura 16.

 

 Figura 16 –Circuito economizador de energia
Figura 16 –Circuito economizador de energia

 

 

Obs. Este circuito não deve ser usado com lâmpadas econômicas ou fluorescentes

 

O interruptor S1 continua a controlar o acendimento da lâmpada (liga/desliga). O interruptor S2 controla o consumo e a luminosidade em dois níveis. Quando fechado deixa passar os dois semiciclos e a lâmpada acende com máxima potência. Quando aberto, a lâmpada passa para a condição de “baixo consumo” com o diodo deixando passar apenas metade dos semiciclos da alimentação. A lâmpada acende com brilho reduzido e consome menos energia.

Com o diodo 1N4004 (110 V) ou 1N4007 (220 V) pode aplicar este circuito à lâmpadas de até 100 W.

O mesmo circuito pode ser usado para reduzir o consumo de eletrodomésticos que produzam calor a partir de energia, levando-os a uma condição de espera de baixo consumo. Basta então instalar o diodo e os interruptores numa caixinha conforme mostra a figura 17 e usar a posição de menor potência quando necessário.

 

 

    Figura 17 – Usando com eletrodomésticos
Figura 17 – Usando com eletrodomésticos

 

Obs. Não use com eletrrodomésticos que possuam recursos eletrônicos, como circuitos de controle.

 

Podemos usar este circuito para manter o ferro de soldar em condição de “meio consumo” mas quente ou ainda aquecedores de mamadeiras, cafeteiras, etc desde que seu consumo não ultrapasse 100 W. Para maior potência, até 500 W troque o diodo pelo 1N5404 (110 V) ou 1N5407 (220 V).

Observamos que este circuito não pode ser usado com aparelhos eletrônicos, lâmpadas fluorescentes ou eletrônicas.

 

Material:

D1 – Diodo 1N4004 (110 V) ou 1N4007 (220 V) – para o caso de potências até 100 W

S1, S2 – Interruptores simples

 

Luz de Emergência (II)

Uma versão mais sofisticada do sistema anterior faz uso de pilhas recarregáveis de Nicad pequenas ou médias e mantém estas pilhas em cargas constante até o momento do corte. Neste momento, o circuito entra em ação e a lâmpada acende.

O circuito completo para esta versão é dado na figura 18.

 

   Figura 18 – Circuito da luz de emergência
Figura 18 – Circuito da luz de emergência

 

 

A montagem numa pequena placa de circuito impresso é mostrada na figura 19.

 

     Figura 19 – Placa para a montagem
Figura 19 – Placa para a montagem

 

 

O trimpot deve ser ajustado para que ao ser desligado da rede de energia o transistor entre em condução fazendo com que a lâmpada acenda.

Para este caso, como as pilhas são recarregáveis e possuem uma capacidade de armazenamento de energia maior, pode-se empregar lâmpadas de um pouco mais de potência. Lâmpadas de 6 V de até 200 mA são as recomendadas neste caso.

O circuito funciona tanto na rede de 110 V como de 220 V sem necessidade de alteração nos valores dos componentes.

 

D1 – 1N4002 – diodo de silício

R1 – 470 Ω x 1 W – resistor

C1 – 470 µF/25 V – capacitor eletrolítico

K1 – Relé de 12 V – 50 a 100 mA de bobina

B1 – Bateria de Nicad ou Selada

F1 – Fusível de 500 mA

T1 – Transformador com primário conforme a rede local e secundário de 12 V com 150 mA ou mais de corrente

X1 – Lâmpadas de acordo com a bateria

Placa de circuito impresso, caixa para montagem, cabo de força, fios, solda, suporte de fusível, etc

 

INVERSOR CMOS PARA FLUORESCENTES

Como obter alta tensão para alimentar lâmpadas fluorescentes ou mesmo lâmpadas incandescentes a partir de uma bateria de 12 V com um bom rendimento? Se bem que tenham sido publicados centenas de circuitos com esta finalidade, o que descrevemos neste artigo, pela sua configuração em contrafase usando FET de potência tem um bom rendimento e merece ser analisado.

Sua potência pode superar os 30 watts, dependendo do transformador usado, o que permite que ele seja usado num excelente sistema de iluminação de emergência ou ainda em barcos e trailers para iluminação.

A finalidade de um inversor ou conversor DC/AC como também pode ser chamado, é gerar uma alta tensão alternada para alimentação de aparelhos que normalmente operam na rede de energia, isso a partir de fontes de tensão contínua de baixa tensão como por exemplo baterias de carro, baterias recarregáveis de Nicad e mesmo pilhas comuns ou recarregáveis.

O circuito que descrevemos se destina a aplicações automotivas (ou ainda em barcos), e em sistemas de iluminação de emergência já que a tensão de entrada usada é de 12 volts e sua saída de alta tensão, por não ser estabilizada não é recomendada para alimentação de aparelhos eletrônicos mais sensíveis ou eletrodomésticos que usem motores, pois a frequência é diferente dos 60 Hz.

No entanto, pelo seu bom rendimento, este inversor pode ser usado com lâmpadas fluorescentes comuns, mesmo aquelas que já estejam fracas demais para funcionar na rede de energia. O que ocorre neste caso é que as lâmpadas enfraquecidas pelo uso já não acendem pois os picos da rede doméstica, mesmo com a presença do reator e starter não são mais suficientes para ionizar o gás no seu interior.

Um inversor, como o descrito neste artito, entretanto, produz pulsos de tensão de valores muito altos, que superam facilmente os 400 V, e isso é suficiente para ionizar o gás mesmo de lâmpadas fracas que ainda podem funcionar por um bom tempo.

Mas, o que é interessante neste circuito é a configuração que usa componentes CMOS de alto rendimento um fator importante neste tipo de aplicação.

 

COMO FUNCIONA

Para abaixar ou elevar uma tensão é preciso usar configurações eletrônica e componentes especiais. Um destes componentes é o transformador.

No entanto, os transformadores comuns não funcionam com tensões contínuas. A corrente aplicada nos enrolamentos de um transformador, para haver indução no outro enrolamento deve variar rapidamente de intensidade.

Uma maneira de se conseguir isso é com a ajuda de um circuito eletrônico denominado oscilador.

No nosso projeto o oscilador tem por base um circuito integrado CMOS 4093 onde a frequência dos sinais produzidos depende de C1 e é ajustada em P1.

Através de P1 podemos ajustar essa frequência, para algo em torno de 500 Hz, que é a frequência em que os transformadores comuns, como o usado no projeto apresentam melhor rendimento.

Uma das portas NAND do 4093 é usada como oscilador enquanto que as três outras como inversores. Uma delas apenas inverte o sinal enquando que as outras duas invertem e desinvertem de modo que nos pinos 10 e 11 temos sinais digitais (retangulares) complementares. Estes sinais são então aplicados diretamente a comporta (gate) de dois transistores FET de potência.

Os transistores são ligados de tal forma que, quando um conduz o outro permanece desligado.

Assim, com a alternância dos níveis lógicos na saída do circuito integrado, temos a condução dos transistores também de modo alternado conforme mostra a figura 20.

 

Figura 20 – Obtendo saídas complementares
Figura 20 – Obtendo saídas complementares

 

 

Num semiciclo do sinal, temos então a corrente circulando num sentido do enrolamento de baixa tensão do transformador e no semiciclo ou nível complementar do sinal, temos a corrente circulando no sentido oposto.

A circulação de corrente de boa intensidade no enrolamento de baixa tensão do transformador faz com que seja induzida uma alta tensão, de mesma frequência, no enrolamento de alta tensão, o qual está ligado a uma tomada de saída.

Veja que, pelo fato dos sinais serem retangulares, com pequena alteração na etapa final dada a indutância do enrolamento do transformador, a tensão obtida na saída do circuito não é senoidal e tem picos bastante elevados.

Este fato deve ser levado em conta, pois impede o uso do aparelho na alimentação de aparelhos eletrônicos sensíveis. Entretanto, lâmpadas incandescentes e lâmpadas fluorescentes devem funcionar satisfatoriamente neste aparelho, dentro de certa faixa de potência.

Lâmpadas fluorescentes de 15 a 40 watts são as recomendadas, pois fornecem os melhores resultados em termos de rendimento.

 

MONTAGEM

Na figura 21 temos o diagrama completo do aparelho.

 

 

Figura 21 – Diagrama completo do inversor
Figura 21 – Diagrama completo do inversor

 

 

Na figura 22 temos a disposição dos componentes numa placa de circuito impresso.

 

  Figura 22 – Placa para a montagem do inversor
Figura 22 – Placa para a montagem do inversor

 

 

Para os circuitos integrados será conveniente usar soquetes DIL. Para os transistores será  importante usar radiadores de calor que consistem em chapinhas de metal dobradas em "U".

O transformador, que fica fora da placa, deve ter enrolamento primário de 110 ou 220 V e secundário de 12 V com corrente na faixa de 2 a 3 amperes.

O fusível é importante para proteger o aparelho em caso de problemas de funcionamento e a própria instalação elétrica do carro se ele for usado com sua bateria.

O conjunto cabe facilmente numa pequena caixa plástica e para uso no carro temos duas opçõese conexão. Uma delas ‚ por meio de duas garras jacaré grandes (do tipo para prender em baterias) e que devem ser de cores diferentes para que a polaridade seja seguida. A outra possibilidade consiste em se usar um conector do tipo que pode ser encaixado no acendedor de cigarros do carro.

Outras opções de conexão dependem da fonte de energia usada e da aplicação, como por exemplo nos sistemas de iluminação de emergência.

Para ligação à lâmpada fluorescente pode ser usado um plugue comum e não se necessita nem de reator e nem de starter, conforme mostra a figura 23.

 

    Figura 23 – Conexão da lâmpada fluorescente
Figura 23 – Conexão da lâmpada fluorescente

 

 

Será importante que o fio de conexão à lâmpada fluorescente seja bem isolado, pois a alta tensão gerada por este aparelho causa choques bastante desagradáveis em caso de um toque acidental. Na verdade, uma aplicação possível para este aparelho é como eletrificador de cercas.

Os resistores são de 1/8 W ou maiores e o capacitor C1 tanto pode ser de poliéster como cerâmico.

 

PROVA E USO

Basta ligar o aparelho numa bateria ou mesmo fonte de corrente contínua de 12 V com pelo menos 3 A de capacidade e uma lâmpada fluorescente de 15 a 40 watts na saída. Ajusta-se então P1 para a frequência que proporcione maior brilho da lâmpada fluorescente.

É importante observar que a medida da tensão de sa¡da com um mult¡metro não fornece uma indicação precisa que possa ser confiável. O que ocorre é que os multímetros são calibrados para formas de onda senoidais em suas escalas alternadas e este aparelho fornece tensões de formas de onda dotadas de pulsos. Assim, a indicação obtida nada ter  a ver com a tensão real de saída do inversor.

 

Semicondutores:

CI-1 - 4093 - circuito integrado CMOS

Q1, Q2 – IRF640, IRF620 ou qqualquier equivalente para pelo menos 200 V – Transistor de Efeito de Campo de Potência

Resistores: (1/8 W, 5%)

R1 - 10 k Ω

P1 - 100 k Ω - trimpot

Capacitores:

C1 - 22 nF - cerâmico ou poliéster

C2 – 1 000 µF/16 V - eletrolítico

Diversos:

T1 - Transformador com primário de 110V ou 220V e secundário de 12V x 3 A - ver texto

X1 - Tomada comum de força

F1 - 5 A – fusível

Placa de circuito impresso, caixa para montagem, radiadores de calor para os transistores, suporte de fusível, conector de acendedor de cigarros de carro ou garras, soquetes para os circuitos integrados, fios, solda, etc.

 

CONTROLE DE ILUMINAÇÃO DIFERENTE

O circuito apresentado é uma solução diferente para o controle de duas lâmpadas incandescentes ou mesmo sistemas de aquecimentos podendo ser usado em ambientes domésticos com duas lâmpadas, vitrines de lojas, mostruarários e em muitas outras aplicações. Com ele é possível gerenciar o consumo de energia comutando lâmpadas de potências diferentes com mais facilidade.

Apresentamos um circuito que utiliza uma chave de 1 pólo x 4 posições no controle de duas lâmpadas mas usando apenas um fio de conexão para estas lâmpadas (o que significa o aproveitamento da fiação existente).

Na primeira posição o circuito é alimentado com corrente alternada e com a presença dos diodos, cada lâmpada recebe apenas metade dos semiciclos da alimentação acendendo com potência reduzida (posição ecônomica).

Na segunda posição, apenas os semiciclos positivos são apicados ao circuito, o que significa que o diodo D3 é polarizado no sentido direto curto-circuitando a lâmpada X1 que permanece apagada. No entanto, como D4 é polarizado no sentido inverso, a lâmpada X2 é alimentada e acende.

Na terceira posição D3 é plarizado no sentido inverso e D4 é polarizado no sentido direto. X2 é curto-circuitada e a lâmpada X1 recebe alimentação acendendo com potência reduzida.

Na quarta posição não há circulação de corrente e as lâmpadas permanecem apagadas.

Utilizando lâmpadas de potências diferentes podemos ter uma posição com potência máxima e duas outras posições com potências reduzidas diferentes, para a ecnomia de energia em diversos graus.

A tabela abaixo resume o que ocorre:

Chave S1 X1 X2
1 acesa acesa
2 apagada acesa
3 acesa apagada
4 apagada apagada

Veja que as lâmpadas operam com metade da corrente normal o que significa brilho reduzido em todos os casos. Para se obter a potência normal, temos duas possibilidades:

 

a) usar lâmpadas de menor tensão que a da alimentação

b) Acrescentar um capacitor de 10 µF a 20 µF depois dos diodos, conforme mostra a figura 24.

 

 Figura 24 – Acrescentando capacitores
Figura 24 – Acrescentando capacitores

 

 

Neste caso os capacitores devem ter uma tensão de trabalho que seja pelo menos o dobro da tensão da rede de energia ou, para 110 V usar capacitores de 200 V e para 220 V usar capacitores de 400 V.

Na figura 25 temos o circuito básico deste projeto.

 

Figura 25 – Circuito completo do controle
Figura 25 – Circuito completo do controle

 

 

Obs. Eeste circuito só serve para lâmpadas incandescentes

 

Os diodos devem ser do tipo 1N4004 a se a rede for de 110 V e 1N4007 se a rede for de 220 V. Estes diodos podem ser usados com lâmpadas incandescentes de até 100 watts.

Para potências maiores os diodos devem ser trocados por tipos de maior corrente.

A chave pode ser de qualquer tipo de 1 pólo x 4 posições. Os tipos rotativos são os mais fáceis de encontrar.

Veja que os diodos das lâmpadas podem ser instalados junto aos própriosa soquetes sem a necessidade de solda na maioria dos casos.

Será interessante prever o uso de um fusível de 2 amperes em série com a alimentação do circuito para o caso de algum diodo entrar em curto.

Também observamos que o circuito pode ser usado em sinalizaão com lâmpadas incandescentes de 6 ou 12 V alimentadas a partir de um pequeno transformador.

 

Atenção:

Este circuito não se aplica a lâmpadas eletrônicas ou fluorescentes. A presença do reator eletrônico impede que elas funcionem normalmente com um sinal de meia onda.

 

D1 a D4 - 1N4004 (110V) ou 1N4007 (220 V) - diodos retificadores de silício

S1 - Chave de 1 pólo x 4 posições

X1, X2 - Lâmpadas incandescentes de até 100 W

Diversos:

Fios, slda, botão para a chave, fusível de entrada, soquete para as lâmpadas.

 

Alerta:

Nunca abra células de Nicad. O cádmio é tóxico não devendo ser manuseado. Mesmo as baterias que já não servem não devem ser jogadas no lixo comum. Casas especializadas em telefonia celular aceitam baterias gastas para serem levadas a um processo de eliminação que impeça que o Cádmio passe para o meio ambiente onde pode ser responsável por perigosa poluição.

 

 

DIMMER

O controle linear da potência aplicada a uma carga alimentada pela rede de energia pode ajudar muito a economizar energia. Aplicando apenas a potência necessária à aplicação eliminamos o desperdício de energia.

Os dimmers são controles lineares de potência e podem ser usados com motores, lâmpadas, aquecedores e outros equipamentos que admitem uma tensão variável para seu funcionamento.

Podemos perfeitamente reduzir o brilho de uma lâmpada ou a temperatura de um elemento de aquecimento quando necessário, economizando assim energia.

Na figura 26 damos o diagrama de um dimmer usando um Triac TIC226 para 8 amperes.

 

Figura 26 – Circuito completo do dimmer
Figura 26 – Circuito completo do dimmer

 

 

Este dimmer pode ser usado para reduzir a velocidade de ventiladores, a temperatura de aquecedores até 800 W ou o brilho de lâmpadas incandescentes.

A montagem pode ser feita numa pequena placa de circuito impresso conforme mostrado na figura 37 e o Triac deve ser dotado de um radiador de calor.

 

 

Figura 27 – Placa para o dimmer
Figura 27 – Placa para o dimmer

 

 

O Triac deve ser sufixo B se a rede for de 110 V e D se for 220 V. O capacitor eventualmente precisará ter seu valor alterado de modo a compensar as tolerâncias dos demais componentes no sentido de obter a regulagem da potência na faixa de 0 a aproximadamente 100%.

Este circuito também não deve ser usado com eletro-eletrônicos sensíveis à variações de tensão, lâmpadas fluorescentes e eletrônicas. Seu uso deve limitar-se a eletrodomésticos com motores, lâmpadas incandescentes e elementos de aquecimento.

 

Triac – TIC226B (110 V) ou TIC226D (220 V) – Triac com radiador de calor

NEON – Lâmpada neon comum

R1 – 4,7 k Ω x ½ W – resistor

P1 – 220 k Ω – potenciômetro

C1 – 150 nF/250 V – capacitor de poliéster

Placa de circuito impresso, fios, solda, etc.

 

 

LANTERNA DE EMERGÊNCIA

Lanternas são deixadas para situações de emergência, quando um corte na energia ocorre ou quando algum acidente provoca a interrupção no seu fornecimento. No entanto, o maior problema, que nem sempre é previsto e queé importante quando se pensa em segurança, é encontrar a lanterna quando o corte ocorre. Um sinalizador de baixíssimo consumo pode ser agregado à lanterna, mantendo um LED piscando o que facilita sua localização em situações de emergência. Veja como ter uma lanterna com este recurso neste artigo.

Descrevemos um circuito de sinalizador com LED com consumo extremamente baixo (da ordem de 0,77 mA) e que pode ser instalado numa lanterna ou ainda usado com outros recursos (caixas de socorro, saídas de emergência, extintores, etc) que tenham de ser encontrados numa situação de corte de energia com facilidade.

O leitor que tiver uma lanterna fora de uso, com problemas de oxidação de contactos ou ainda maus contactos na chave de acionamento, pode aproveitar a lâmpada e o refletor e montar uma luz de emergência que use este sinalizador. Mais ainda, pode aproveitar baterias recarregáveis de telefones sem fio e outros aparelhos fora de uso que as tenha em bom estado para montar sua própria lanterna de emergência.

Uma adaptação do circuito mais as pilhas ou bateria e a lâmpada pode resultar num sistema de luz de emergência bastante eficiente para ter junto a cabeceira de sua cama, na sua pequena empresa ou escritório ou em outro local apropriado.

O LED deste sistema, que pode ser montado numa caixa pástica conforme mostra a figura 28, pisca numa frequência de 1 Hz com um consumo de energia extremamente baixo.

 

  Figura 28 – Sugestão de montagem
Figura 28 – Sugestão de montagem

 

 

No entanto suas piscadas são suficientemente fortes para facilitar a localização rápida da lanterna em situações de emergência.

O mesmo circuito pode ainda ser adaptado para ser usados em paineis de máquinas que precisem ser localizados no escuro ou que devam ter uma sinalização permanente.

 

Características:

Tensão de alimentação: 3 V

Consumo do sinalizador: 0,77 mA

Frequência do LED: 1 Hz (aprox.)

Número de componentes do sinalizador: 3

 

COMO FUNCIONA

A lanterna é obtida ligando-se duas pilhas ou bateria recarregável de 3 (2 módulos ou células), via interruptor S1 a uma lâmpada de 3 V com refletor. O tipo de pilha depende do consumo da lâmpada.

Uma sugestão consiste no uso de baterias de Nicad que podem ser aproveitadas de aparelhos fora de uso.

O sistema de sinalização tem por base um circuito integrado LM3909 da National Semiconductor que consiste justamente num oscilador de muito baixo consumo para o acionamento de LEDs.

Projetado justamente para ser usado em sinalização, este componente precisa apenas de um capacitor externo para acionar um LED. O valor deste capacitor determina a frequência das piscadas e também o consumo.

Uma carcaterística importante deste circuito integrado é que ele pode funcionar com tensões de alimentação a partir de 1,2 V, ou seja, apenas uma pilha. Isso leva a possibilidade de uso inclusive em chaveiros, para que eles possam ser localizados com facilidade mesmo no escuro.

Uma chave de carro que caia no estacionamento mal iluminado poderia ser encontrada com facilidade se o chaveiro for dotado deste sistema de sinalização com LED,

 

Importante

Diante da ameaça do apagão a disponibilidade de lanternas, velas e outras fontes de luz alternativas em caso de emergência deve ser considerada. O acesso aos locais em que se encontram tais fontes precisa ser achado com facilidade. Uma idéia é reunir todo este material numa caixa ou local em que este circuito seja instalado. Em caso de corte de energia à noite, pelas piscadas do LED a caixa de emergência poderá ser encontrada com facilidade.

 

MONTAGEM

Na figura 29 temos o diagrama completo do aparelho.

 

 Figura 29 – Diagrama da lanterna
Figura 29 – Diagrama da lanterna

 

 

O circuito integrado pode ser soldado diretamente na placa com os demais componentes, conforme mostra a figura 29. Existe até a possibilidade da montagem ser feita sem placa com os componentes diretamente soldados nos pinos do integrado, já que são poucos e isso possibilitaria uma versão compacta.

 

Obs. Numa versão moderna use LED branco de alta potência com resistor em série em lugar da lâmpada.

 

 

Figura 30 – Placa para a montagem
Figura 30 – Placa para a montagem

 

 

Para as pilhas deve ser usado um suporte apropriado, observando-se sua polaridade. O LED é vermelho (ou de qualquer outra cor) e pode ficar na parte posterior da caixa para maior facilidade de visualização.

O capacitor deve ter uma tensão mínima de trabalho de 3 V lembrando que, quanto menor for esta tensão menor será também seu tamanho o que é importante para se obter uma montagem bem compacta. Uma possibilidade a ser considerada quando o tamanho é importante é o uso de um capacitor de tântalo.

Valores entre 100 µF e 470 µF podem ser usados, havendo alteração na frequência e intensidade das piscadas, além do consumo.

 

PROVA E USO

Para provar o aparelho basta colocar as pilhas no suporte. O LED deve piscar de imediato. Acionando-se S1 a lâmpada principal deve acender com seu brilho normal.

A lanterna com sinalizador deve ser deixada então em local visível de modo que, havendo um corte de energia, ela possa ser facilmente localizada pelas piscadas do LED.

 

CI-1 - LM3909 - circuito integrado

LED1 - LED vermelho comum (ou de outra cor)

C1 - 220 µF/3 V - capacitor eletrolítico

S1 - Interruptor simples

B1 - 3 V - 2 pilhas comuns ou recarregáveis - ver texto

X1 - 3 V - lâmpada de lanterna

Diversos:

Caixa para montagem, placa de circuito impresso, suporte de pilhas, refletor para lâmpada com soquete, fios, solda, etc.