Existem circuitos elétricos nos quais, no instante em que são ligados circulam correntes muito mais altas que a corrente em regime estacionário. Pode se minimizar essa situação utilizando componentes cuja resistência é termicamente variável conectados de modo a reduzir essa corrente excessiva, a Philips componentes apresenta uma série de famílias desses componentes, chamados NTC, cuja utilização será abordada neste artigo.
CORRENTE DE PARTIDA
Corrente de partida (ou corrente de surto) é uma corrente muito elevada que percorre um circuito elétrico, fluindo através da carga, no momento em que o circuito é fechado. Isto ocorre com cargas que apresentam impedância muito baixa no momento do fechamento do circuito. Como exemplo disso podemos citar:
• Um capacitor não carregado;
• Um motor ainda não em movimento;
• Uma lâmpada incandescente ainda não quente.
Na figura 1, podemos ver a representação de um circuito elétrico básico e a curva característica da corrente de surto, para uma carga qualquer.
LIMITAÇÃO DA CORRENTE DE SURTO
Na prática, é desejável eliminar-se ou reduzir-se essa corrente excessiva no instante do fechamento do circuito pois a existência dela reduz o tempo de vida das chaves interruptoras, provoca queima de fusíveis e prejudica a vida útil dos motores e similares.
UTILIZAÇÃO DE NTC
Uma forma encontrada para a limitação da corrente de surto consiste na utilização, em série com o circuito elétrico, de dispositivos cuja resistência ôhmica, de alguma forma possa variar. A utilização de resistores variáveis com a temperatura, foi uma forma encontrada e os componentes do tipo NTC (do inglês coeficiente negativo de temperatura) mostraram-se adequados. Neles o valor da resistência ôhmica diminui à medida que a sua temperatura se eleva, quer por seu aquecimento próprio ou por agentes externos.
Na figura 2 vemos um exemplo de um circuito constituído por um NTC em série e a curva característica mostrando as duas situações. Cargas diferentes poderão constituir o tipo utilizado no circuito elétrico, tais como: cargas R, L, C. Vejamos um exemplo típico onde a carga apresenta característica resistiva. É o caso de uma Lâmpada incandescente.
Ela se constitui de um fio resistivo do tipo "Wolfran". Sua resistência quando frio é de apenas 4 Q e quando aquecido é de 40 Q, quando sua potência é de 300 W, em 110 V. Neste caso, suas condições de trabalho serão:
a) Condição de trabalho normal (estacionário):
I = 110 V / 40 ohms
I = 2,7 A
b) No instante do acendimento:
I = 110 V / 4 ohms
I = 27,5 A
Corrente esta que é elevada e prejudicial à vida útil da lâmpada e mesmo dos componentes do circuito, como chaves, fusíveis, etc.
Uma forma de minimizar o problema consiste em se colocar um dispositivo NTC em série com o circuito da lâmpada. Nestas condições teremos:
• Resistência de fio: “Wolfran"
• frio: 4 Ω
• aquecido: 40 Ω
• resistência do NTC à temperatura ambiente: R25 = 20 Ω
• aquecido: RNTC = 0,4 Ω (por efeito Joule)
Logo teremos:
1 - Chave fechada (instante inicial)
Corrente de partida limitada a:
I = [ 110 V / (4 ohms + 20 ohms) ]
I = 4,6 A
Potência dissipada no NTC
P = I2 x R
P = 420 W
2 - Após alguns milissegundos teremos:
Corrente estacionária:
Iest = [ 110 V / (40 ohms + 0,4 ohms) ]
I = 2,7 A
Potência dissipada:
P = (2,7)2 x 0,4
P = 2,9 W
(menor que 1% da potência da lâmpada)
Na figura 3 pode ser visto o diagrama esquemático desse circuito, com a indicação das tensões respectivas.
Observe que em regime estacionário quase não existe perda de energia na carga, uma vez que a tensão a ela é aplicada é praticamente a tensão de alimentação. Caso, no mesmo circuito da figura 3 fosse utilizado um NTC de valor resistivo menor à temperatura ambiente, por exemplo: R25 = 10 ohms e Rquente = 0,3 ohms, teríamos:
Onde se conclui que teríamos:
1 - Maior corrente de partida.
2 - Praticamente a mesma corrente estacionária.
3 - Maior potência de partida no NTC (logo, aquecimento mais rápido).
4 - Menor potência estacionária no NTC (logo, NTC de menor tamanho)
TIPOS DE APLICAÇÕES
De um modo geral, os circuitos se dividem conforme os tipos de cargas em:
• Cargas resistivas:
Lâmpada incandescentes
• Cargas indutivas:
Motores (aspirador, liquidificadores, etc); Ferramentas elétricas; Transformadores
• Cargas capacitivas:
Capacitores
Fontes de alimentação convencionais
Fontes chaveadas
Um exemplo de aplicação com carga resistiva já foi visto no caso da lâmpada.
Vejamos agora o que acontece quando a carga é indutiva, como por exemplo um motor elétrico. A situação sem o NTC está representada na figura 4. No instante da partida, (fechamento da chave), teremos apenas a resistência do cobre (muito baixa) e como consequência a corrente de partida será alta, ou seja:
Ipartida = 220 V / 10 ohms
Ipartida = 22A
potência de partida será:
Ipartida – 22A x 220 V
Ipartida = 4,8 KW
Esta elevada corrente de surto (partida) é prejudicial à vida útil da chave, costuma interromper o fusível bem como pode queimar o enrolamento do motor além de danificá-lo por efeitos mecânicos, tais como: a interação da ordem magnética das espiras que constituem o bobinado e que estão percorridos por corrente elevada e por conseguinte criam campos magnéticos bastante fortes ao redor, causando deformações mecânicas, podendo ainda haver deformações do bobinado por rotação elevada (efeito centrífugo).
Adotando-se como elemento de proteção um NTC em que R25 = 50 Ω, a nossa corrente de partida será:
Ipartida = [ 220 V / (10 ohms + 50 ohms) ]
Ipartida = 3,7 A
A figura 5 nos apresenta o diagrama esquemático da situação. Após alguns poucos segundos, o motor está girando e teremos:
O NTC se aqueceu, logo sua resistência é baixa (fórmula) A impedância do motor, por razões magnéticas se eleva. A nova situação é mostrada na figura 6. Onde teremos que:
ZL = 2π x f x L
ZL = 6,28 x 60 Hz x 0,5 H
ZL ≌ 188 ohms
desse valor conclui-se que
Iestac. = [ 220 V / (188 ohms + 0,5 ohms) ]
Iestac. ≌ 1,2 A
Na figura 7 podemos ver o diagrama da corrente do motor sem NTC e com o NTC. Vejamos agora uma aplicação do NTC como proteção no caso de carga capacitiva.
Na figura 8 vê-se a representação do circuito de uma fonte de alimentação protegida por um NTC em que R25 = 15 Ω No momento em que a chave é ligada, o capacitor está descarregado, ocasionando um elevado surto de corrente.
Sem NTC a corrente será limitada apenas pela resistência série (Rs) (que deve ser de valor baixo para não prejudicar o desempenho do sistema) e pela queda de tensão nos diodos (na ordem de 2 x 1 V).
Logo a corrente de partida (surto) será:
I = [ (110 V – 2 V) / 2,5 ohms ]
I ≌ 43 A
Esse valor de corrente é excessivo para os diodos e para a chave, comprometendo sua duração. Usando-se um NTC como o citado à corrente de surto fica limitado a:
I = [ (110 V – 2 V) / (2,5 ohms + 15 ohms) ]
I ≌ 6,2 A
Já em regime estacionário, o valor de NTC quente é baixo (apenas 0,5 ohm) introduzindo baixa perda de energia. No caso desta aplicação, é necessário levar-se em conta o valor do capacitor pois dele dependerá o tempo da corrente de partida, e quanto maior for o valor do capacitor maior será o tempo da corrente de carga. Desse modo, os NTC devem ter seu tamanho adequado (potência) de modo a suportar essa energia durante o tempo de partida.
SELEÇÃO DO NTC
Para escolher o NTC adequado a uma dada aplicação tem-se de levar em conta alguns critérios importantes; tais como:
Boa limitação da corrente de surto -isto exige R25 do NTC a maior possível. Perda mínima de potência na carga durante o estado estacionário, onde Rquente do NTC seja a menor possível significando a razão K = Rquente / R25 menor possível.
Corrente estacionária tão alto quanto necessário.
Para podermos combinar estas três condições na escolha do NTC é necessário considerarmos o equilíbrio entre a potência aplicada e a potência dissipada, onde temos: Energia aplicada = Energia dissipada (extraída) (o que representa a condição de equilíbrio), onde:
I2Estac. X Rquente = D x (TNTC - TA)
e como
K = Rquente / R25
teremos então:
*I2Estac. X R25 = [ D x (TNTC - TA) ] / K
e como precisamos alto R25 e elevada corrente estacionária, o desempenho do NTC está determinado por:
• Elevado fator de dissipação "D"
O que exige: Disco de tamanho grande (o que encarece)
Terminais de 0,8 a 1 mm
Revestimento de cor preta
• Elevado TMAXNTC
O que exige:
Material cerâmico de alta qualidade (estável em altas temperaturas)
Solda com alto ponto de fusão Revestimento que suporta alta temperatura
• Baixa razão k
Baixa resistência quando quente
Temperatura elevada
A solução adotada pela Philips Componentes foi escolher a temperatura de 230°C para o caso de Rquente, (enquanto outros NTC são especificados para 130°C).
Um detalhe importante é que esta temperatura mais elevada significa uma resistência menor com consequente menor dissipação de potência.
Quanto aos procedimentos de montagem, pelo fato de o NTC aquecer-se bastante (cerca de 230°C) os seus terminais não devem ser muito curtos para que se mantenha suficiente distância da placa de circuito impresso.
Estudos feitos constataram que a uma distância de 14 mm do centro do disco do NTC, a temperatura nos terminais pode chegar a 120°C.
Em resumo, os parâmetros importantes ao se selecionar um NTC são:
• Tipo de carga: R, L ou C
• Em caso de carga capacitiva, o valor de C
• A impedância do circuito no momento de ligar
• A corrente máxima quando em regi-me estacionário
• A tensão da rede
• A máxima corrente de surto, ou R25 do NTC
A título de informações adicionais, o fabricante do componente fornece uma série de curvas para cada família de NTC, curvas essas que auxiliam na escolha do dispositivo adequado e que são relacionados a seguir:
• Curva temperatura x corrente
• Curva resistência x temperatura
• Curva tensão x corrente
• Curva resistência x corrente
CORRENTE MÁXIMA DE PARTIDA
Após ensaios feitos com diversos tipos de limitadores de corrente de surto, concluiu-se que os dispositivos que fazem partes das famílias abordadas neste artigo conseguem suportar correntes transientes superiores a oito vezes a máxima corrente estacionária do circuito.
