NECESSIDADE DE EQUIPAMENTO DE TESTE

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1 NECESSIDADE DE EQUIPAMENTO DE TESTE Sempre que montamos, instalamos, ou reparamos circuitos ou equipamentos elétricos/eletrônicos, deve-se conhecer a forma de medir as diversas grandezas elétricas, como por exemplo freqüência, potência, fator de potência, impedância, distorção, sensibilidade, corrente, tensão e resistência. Desde já devemos conhecer algumas destas grandezas considerando em alguns casos as mais importantes: corrente, tensão, resistência e potência. O Medidor de corrente Quando a corrente flui através de um condutor produz dois efeitos: 1. Origina um campo magnético em torno do condutor. 2. Produz calor no condutor. A quantidade de corrente que circula através do condutor determina a intensidade de campo magnético e a quantidade de calor produzida. Estes efeitos são utilizados nos medidores básicos de corrente: o medidor de corrente eletromagnético e o medidor de corrente térmico. De acordo com seus nomes, pode-se observar que o eletromagnético mede a quantidade do fluxo de corrente por meio do campo magnético e o térmico tem como base o calor produzido pelo fluxo de corrente. Campo magnético em torno do condutor quando circ. corrente. Calor produzido no condutor quando circula a corrente. REVISÃO DE ELETROMAGNETISMO O medidor de corrente eletromagnético é o que se usa com mais freqüência para medir corrente, tensão, resistência e potência. É fácil de compreender o seu funcionamento, já conhecendo os princípios básicos de magnetismo segundo qual funciona o instrumento. Sobre os princípio faremos uma breve revisão. Os campos magnéticos interatuam em várias formas: por exemplo, pólos iguais de ímã de ferro se repelem e pólos diferentes se atraem O mesmo ocorre com os pólos iguais e diferentes dos eletroimãs. 1

2 ATRAÇÃO Colocando uma a barra de ferro doce próximo de um solenóide magnetizado, a barra de ferro doce se magnetizará. As linhas de força magnéticas originadas no ferro se alinharão na mesma direção que as das. Como resultado, os pólos induzidos na barra de ferro também estarão na mesma direção. Portanto, cada um dos pólos do solenóide e da barra de ferro será atraída para o interior da bobina. O medidor de ferro móvel do tipo êmbolo, que será estudado adiante baseia-se neste princípio. A barra de ferro é se magnetiza e será atraída para o interior da bobina. REPULSÃO Uma vez atraída para o interior da bobina, o campo magnético concentra-se na barra. Agora suponha a colocação paralela das barras de ferro doce dentro da bobina para observar o que sucede. Quando a bobina magnetiza, ambas as barras se magnetizam com a mesma polaridade. Devido a isto, terão pólos de mesmo nome um frente ao outro e então repelem-se. Quando inverte a corrente na bobina, as polaridades das barras também inverterão, tendo pólos iguais um frente ao outro. Este princípio que os pólos iguais se repelem tem aplicação no medido de ferro móvel do tipo de repulsão que será estudado posteriormente. 2

3 Nos exemplos de interação de campo magnético vistos anteriormente, a bobina permanece fixa e o ímã de ferro se move. Sendo que também a bobina pode girar entre os pólos de um ímã permanentes estacionário, então se magnetiza e produz uma interação entre os pólos magnéticos do ímã permanente da bobina, fazendo com que o bobina gire. Os medidores de bobina móvel funcionam segundo este princípio que posteriormente será estudado. TIPOS DE MEDIDORES DE CORRENTE ELETROMAGNÉTICOS Os medidores básicos eletromagnéticos utilizados são os de bobina móvel e de ferro móvel. Ambos funcionam a base do eletromagnetismo. Cada medidor apresenta vantagens e desvantagens. MEDIDOR DE BOBINA MÓVEL Devido a sua precisão e estrutura sólida, o medidor de bobina móvel, dentre os medidores eletromagnéticos é o mais utilizado. Este medidor é utilizado para medir corrente, tensão, resistência e outras grandezas elétricas. Em sua forma mais básica o medidor de bobina móvel consta de uma bobina de fio muito fino na qual está fixado o ponteiro. O eixo permite a bobina girar livremente. Um ímã permanente envolve a bobina. Quando a corrente circula pela bobina, esta se magnetiza e a polaridade da bobina é tal que repele o campo do imã permanente. Isto faz com que a bobina gire sobre seus eixos e a distância que gira depende da quantidade de corrente que atravessa a bobina. Através do ponteiro e uma escala calibrada em unidades de corrente pode-se medir a quantidade de corrente que circula através do instrumento. 3

4 MECANISMO BÁSICO MEDIDORES DE FERRO MÓVEL Barras de ferro doce se repelem quando colocadas dentro de uma bobina eletromagnética magnetizada. Este efeito se aplica aos medidores de ferro móvel para medir corrente elétrica. Estudaremos dois tipos de medidores de ferro móvel: l ) palheta radial - 2 ) êmbolo móvel. 1 - Basicamente, os medidores de palheta radial, funcionam a base de peças retangulares de ferro doce, chamadas palhetas, rodeadas de uma bobina. Uma palheta e fixa e outra pode girar livremente por estar fixada sobre eixos. A palheta que gira possui um ponteiro fixo a ela. Quando tem um fluxo de corrente na bobina, estabelece um campo magnético em torno desta e o campo magnético por sua vez, induz em ambas palhetas um campo magnético com a mesma polaridade. Isto faz as palhetas se repelirem e a móvel, junto com o ponteiro, girando uma distância proporcional a corrente que passa pela bobina. Igual ao medidor de bobina móvel, para indicar a corrente que circula através do instrumento, o ponteiro se movimenta frente a uma escala calibrada em unidades de corrente. MECANISMO MEDIDOR DE PALHETA RADIAL 4

5 2- O mecanismo do medidor de êmbolo móvel consiste basicamente em um núcleo móvel de ferro doce colocado parcialmente no interior de uma bobina fixa. O núcleo se conecta a um braço que está sobre um eixo que permite girar, entrando e saindo da bobina; tem um ponteiro conectado no mesmo ponto que o eixo, de maneira que gira igual ao êmbolo. Quando há corrente através da bobina, origina um campo magnético ao redor da bobina, que magnetiza o ferro e este será atraído para a bobina. A distância que o núcleo se movimenta com relação a bobina, dependerá da quantidade de corrente que circula por ela. Sendo o ponteiro fixo ao eixo do êmbolo, seu movimento frente a uma escala calibrada indicará a quantidade de corrente que atravessa a bobina. O medidor de êmbolo móvel foi o primeiro a ser inventado, porém pouco utilizado em razão de não ser tão preciso. MECANISMO DO MEDIDOR DE ÊMBOLO MÓVEL MEDIDORES DE CORRENTE TÉRMICOS Amperímetro térmico ( fio quente) Quando a corrente percorre um condutor produz calor no mesmo. O calor aumenta quando a corrente que o percorre aumenta. O amperímetro térmico aproveita este efeito para medir a corrente. Um fio dilata quando a temperatura aumenta. Quanto maior a temperatura maior é a dilatação. Portanto quanto maior for a corrente no fio, maior será sua dilatação. Unindo-se um segundo fio com mola, no que circula a corrente, sempre que este se expandir em função da temperatura o outro fio com a mola o esticará, movendo-o de sua posição normal. Colocando um ponteiro no segundo fio, o ponteiro também se moverá ao expandir o fio no qual circula a corrente. A distância que moverá o ponteiro depende da quantidade de corrente que percorre o fio. 5

6 Medidor de termopar Anteriormente já foi estudado medidores que funcionam seja a base de efeitos eletromagnéticos, e também de efeitos térmicos. O medidor de termopar aproveita ambos efeitos para medir a corrente. Basicamente, é uma combinação de amperímetro térmico ( fio quente ) e medidor de bobina móvel, acrescentando um dispositivo conhecido por termopar. O termopar consta de dois metais diferentes que unidos, produzem uma fem quando a junta é aquecida. O mecanismo deste medidor tem o elemento aquecedor que geralmente é um elemento térmico, que está conectado a junta do termopar. Como podemos observar na figura, a corrente que vai ser medida passa através do elemento aquecedor do termopar. Como no caso do amperímetro térmico, este alcançará uma temperatura que depende da quantidade de corrente que nele circula. O fio aquecendo a junção do termopar origina uma pequena tensão CC em seus terminais. Esta tensão faz circular uma corrente através do mecanismo do medidor de bobina móvel para indicar a quantidade de corrente que circula através do elemento térmico. O medidor de fio quente é pouco usado, mas o de termopar, graças à sua excelente resposta de freqüência ( até l Mhz ou mais ) encontra larga aplicação em diversos campos. A maior desvantagem dos medidores térmicos consiste na lentidão da resposta: como o ponteiro não mostra imediatamente um acréscimo repentino da corrente, o instrumento pode ser facilmente danificado por uma sobrecarga, antes que o operador possa desligar o circuito. Aplicações de medidores em CC e CA Movimento básico Mede CC Mede CA Observações Instrumento Bobina Móvel Sim Não Quase todas as medidas de CC efetuadas com este tipo de medidor Bobina móvel Não Sim Basicamente consiste em um - com retificador medidor de bobina móvel e - um retificador para transfor - mar CA em CC

7 Ferro móvel Sim Sim Termopar Sim Sim Usado quase exclusivamente para medir correntes de Ra - diofrequências Medidor com retificador de meia onda Em um retificador de meia onda, um semiciclo da corrente passa pelo medidor e o outro pelo díodo retificador. Sendo pulsativa a corrente no medidor, o ponteiro do medidor não terá tempo suficiente para acompanhar estas flutuações devido a sua inércia. Portando, o ponteiro do medidor manterá em uma posição que corresponde ao valor médio da corrente que circula por ele. O valor médio da corrente para uma alternação é 0,637 do valor máximo; para a seguinte alternação é zero e esta alternação não passa pelo medidor; portanto, a corrente média para um ciclo completo é igual a soma de ambas as alternações dividida por dois ou seja 0,637/2 = 0,3l8 do valor máximo. O ponteiro do medidor oscila até a posição que na escala representa 0,3l8 do valor máximo da corrente que circula através do medidor. Para que a leitura tenha significado, a escala geralmente é calibrada para indicar valor RMS (eficaz). Portanto, os pontos da escala estão calibrados a 0,707 dos valores máximos equivalentes. Medidor com retificador de onda completa Em um medidor com retificador de onda completa, a corrente circula através do medidor na mesma direção em ambos semiciclos da onda senoidal de C.A. Isto se obtém com quatro díodos retificadores em uma disposição chamada retificador em ponte. Conforme indicado na figura podemos observar que tanto com o semiciclo positivo ou negativo na entrada a corrente ( C.C. pulsativa ) circula na mesma direção no medidor. O fluxo médio de 7

8 corrente através do medidor com retificador de onda completa é o dobro do que com o retificador de meia onda, portando a corrente média é 0,637 do valor máximo. Também neste caso a escala é geralmente calibrada em valores eficazes; 0,707 da corrente do máximo que é medida. RESPOSTA DE FREQÜÊNCIA A resposta de freqüência de um medidor de bobina móvel ou de ferro móvel está limitada principalmente pela reatância indutiva da bobina. A reatância do bobina é XL = 2 fl, portanto ao aumentar a freqüência, também aumenta a reatância indutiva da bobina, o que ocasiona uma diminuição da corrente da bobina. Normalmente os medidores de C.A. são calibrados para 60 Hz. Os medidores de ferro móvel podem ser usados até aproximadamente 100 Hz. Para freqüências mais altas as leituras perderão a precisão. Os medidores de bobina móvel apresentam uma resposta de freqüência ligeiramente melhor. A freqüência do medidor de tipo retificador está limitada principalmente pela capacitância existente nos retificadores, existindo capacitância, ao aumentar a freqüência a reatância capacitiva do retificador diminui de acordo com a seguinte equação : Xc= 1 e se comporta como uma trajetória de C.A. de baixa resis 2 fc tência no retificador. As leituras do medidor com retificador são de aproximadamente l/2 a 1% mais baixas para cada l Khz que aumente a freqüência. Devido a isto os medidores com retificador geralmente não são utilizado para medir freqüências superiores a Hz. ESCALAS PARA MEDIDORES DE BOBINA MÓVEL Os medidores de bobina móvel tem uma escala linear. Na escala linear as distâncias entre os números são iguais. A distância que o ponteiro desvia sobre a escala é diretamente proporcional a quantidade de corrente que circula através da bobina do medidor. Escala linear 8

9 Quando toda a corrente nominal de um medidor de bobina móvel circula na bobina, o ponteiro percorre toda a escala ; quando a metade da corrente nominal do medidor percorre a bobina, o ponteiro se deslocará até a metade da medida da escala, etc. A razão é que o fluxo magnético produzido pela bobina aumenta na proporção direta à corrente; de maneira que a interação dos campos também aumenta proporcionalmente, para dar uma leitura linear. Isto não ocorre com os instrumentos de ferro móvel. ESCALAS PARA MEDIDORES DE FERRO MÓVEL A escala do medidor de bobina móvel é linear. Se a quantidade de corrente em um medidor se duplica, a distância em que o ponteiro se desloca também se duplica. Se a corrente no medidor se triplica a deslocação do ponteiro também se triplica. Esta relação não se aplica aos medidores de ferro móvel. Em lugar disto, a deslocação aumenta segundo o quadrado da corrente. Se a corrente que passa através do medidor se duplica, a intensidade do campo magnético em cada palheta duplica e, portanto, a repulsão em cada palheta duplica também. A repulsão combinada das palhetas se quadruplica. Portanto, o deslocamento do ponteiro varia segundo o quadrado da corrente e não na forma linear. Escala quadrática ESCALAS PARA MEDIDORES DE TERMOPAR Sabemos que um medidor de termopar consta de um dispositivo chamado termopar e um medidor de bobina móvel. Quando circula a corrente através do elemento aquecedor do termopar, é produzida uma tensão nos extremos livres do termopar. Esta tensão faz circular uma corrente contínua através do medidor de bobina móvel o ponteiro oscila uma quantidade proporcional a quantidade de corrente que circula através do elemento aquecedor do termopar. A quantidade de oscilação é proporcional a quantidade de calor produzida no elemento térmico. Por sua vez, a quantidade de calor produzida no elemento térmico é proporcional ao quadrado da corrente que circula pelo elemento térmico. RESISTÊNCIA INTERNA E SENSIBILIDADE ( P = I / R ). Portanto o medidor de termopar usa escala quadrática. Todas as bobinas de medidores apresentam certa quantidade de resistência cc. A quantidade de resistência depende do número de espiras da bobina e a bitola do fio usado. A intensidade do campo magnético que envolve uma bobina aumenta de acordo com o aumenta o número de espiras da bobina. Portanto, se uma bobina tem um grande número de espiras, uma pequena corrente pode originar um campo magnético suficientemente intenso para que a bobina oscile em toda a escala. 9

10 A quantidade de corrente necessária para que o ponteiro oscile em toda a escala do medidor é a sensibilidade do medidor e constitui uma característica muito importante de qualquer medidor. As sensibilidades típicas dos medidores de corrente variam desde um 5 ua até 10mA. Podemos notar que a sensibilidade do medidor é a máxima corrente que o aparelho pode medir. Qualquer corrente maior que esta, provavelmente danificará o medidor. PRECISÃO DO MEDIDOR A precisão de um medidor especifica-se como porcentagem de erro a oscilação de plena escala. Por exemplo, Por exemplo, se a precisão específica de um medidor de 100 ma. é especificada como 2 %, então o medidor não só pode ter uma precisão de 2 miliamperes em uma leitura de 100 miliamperes, sendo que poderia ser imprecisa até em 2 miliamperes para qualquer leitura de um valor menor que a de oscilação total da escala. Portanto, a precisão de um medidor diminui progressivamente quanto mais próximo o ponteiro estiver do final da escala. Por exemplo, em uma leitura de 50 miliamperes o medidor pode ter 2 miliamperes, na realidade só é preciso em até 4 %. Em uma leitura de 10 miliamperes, o medidor poderia ter um erro de 2 miliamperes, o que daria uma precisão real da leitura de 20 %. Quando são utilizadas outras posições do seletor com circuitos adequados, pode-se melhorar a precisão do medidor. AMPERÍMETRO Os medidores básicos, por si próprios, não podem resistir correntes, elevadas. Dos normalmente utilizados podem medir no máximo em torno de 10 ma. A maior parte do equipamento com que trabalhamos as correntes ultrapassam este valor. Como é possível medir correntes mais elevadas? A forma mais prática de medir é fazer que apenas uma parte da corrente passe pelo medidor, derivando o restante. Isto se consegue ligando um resistor, chamado derivador ( shunt ), em paralelo com a bobina do medidor. O circuito está calculado de maneira que uma porcentagem específica da corrente total do circuito passe através da bobina, portanto, a corrente total do circuito pode-se calcular facilmente e, pode-se marcar na escala do medidor. Por exemplo, se no medidor só conduz 10% da corrente total do circuito o restante passa pelo derivador, a corrente marcada na escala será 10 vezes maior que a corrente que passa pelo medidor. Toda bobina de medidor tem uma resistência definida à CC. Quando um resistor derivador é associado a uma bobina, a corrente se divide pela bobina e pelo derivador, tal como ocorre entre dois resistores associados em paralelo. Utilizando um derivador de resistência adequada, a corrente que circula através da bobina do medidor será limitada ao valor que pode ser manejado com facilidade, o restante da corrente circulará através do derivador. Os derivadores podem ser colocados dentro da caixa do medidor ou fora, segundo a corrente que vai ser medida com com este aparelho. Os medidores que medem até 30 A geralmente tem derivadores internos. Os medidores que podem medir acima de 30 A geralmente estão dotados de derivadores externos para não danificar o medidor pelo calor produzido no derivador. EQUAÇÀO DO DERIVADOR Uma combinação de medidor e derivador é igual a um circuito de 2 resistores ligados em paralelo, assim podemos escrever que ISH. RSH = IM. RM. Em conseqüência, sendo conhecidos três destes valores, pode-se calcular o quarto. Normalmente, a sensibilidade e resistência do medidor estão marcados na parte frontal do medidor ou no seu manual de instruções. O valor da corrente que circula no derivador ( ISH ) é simplesmente 10

11 a diferença da corrente total a ser medida e a oscilação efetiva de toda a escala do medidor. Por exemplo, desejando ampliar as faixas de medidas de um medidor de 1 ma a 10 ma, ISH terá que ser de 9mA, de maneira que o medidor mesmo não terá que suportar uma corrente de 1 ma. Normalmente desejamos calcular a resistência do derivador, podemos expressar a equação de maneira que Rsh sempre seja a incógnita. Portanto, a equação básica pode ser convertida para: R = IM RM ISH A partir desta equação, pode-se calcular os derivadores para ampliar as posições da chaves seletora de um medidor de corrente. Cálculo do derivador Suponha que deseja-se ampliar de 10 miliamperes a faixa de um medidor de 1 miliampere e que o medidor tenha uma resistência de 27 ohms. Isto significa que no circuito terá uma corrente de 10 miliamperes quando o ponteiro estiver no final da escala. 11

12 Como o medidor só pode conduzir 1 miliampere com oscilação de toda escala, o derivador deve conduzir o restante da corrente, 9 miliamperes. RSH = IM RM = 0,001 x 27 = 3. ISH 0,009 Leitura de um medidor com derivador No exemplo anterior a corrente no derivador é nove vezes maior do que a corrente que circula no medidor. Isto é exatamente a forma que a corrente se comporta em dois resistores em paralelo: o fluxo de corrente em cada resistor é inversamente proporcional a sua resistência. Cálculo da resistência de derivadores de alcance múltiplo Alguns medidores de corrente de alcance múltiplo tem várias faixas diferentes para medidas de corrente. A resistência do derivador para cada faixa é calculada da mesma maneira que o derivador para um medidor simples. Calcule: RSH1 - RsH2 - RSH3 12

13 ASSOCIAÇÃO DO AMPERÍMETRO EM UM CIRCUITO Os medidores de corrente sempre devem ser associados em série com a fonte de potência e a carga, nunca em paralelo com as mesmas. Um medidor de corrente é um dispositivo de resistência muito baixa e a bobina pode queimar facilmente, conectando o medidor aos terminais de uma fonte de potência, resistor ou qualquer outro componente de circuitos. A maior parte dos componentes de circuitos tem uma resistência muito mais elevada que o medidor de corrente. Associando um medidor de corrente em paralelo com um destes componentes, poderia ser provocado um curto circuito, o que resultaria em um fluxo de corrente elevada através do medidor. Esta alta corrente poderia danificar o medidor e o shunt. O segundo ponto importante que devemos ter em mente é que deverá ser considerada a polaridade em se tratando de C.C. Em outras palavras deve-se conectar o terminal negativo do medidor ao terminal negativo ou do potencial mais baixo do circuito e o terminal positivo ao positivo do circuito ou ao ponto de potencial mais alto do circuito. A corrente no medidor deve circular de (-) para (+). Estando o medidor conectado de maneira oposta, a bobina do medidor movimentará em direção contrária e o ponteiro atingirá o pino de retenção esquerdo podendo até dobrar o ponteiro. Associação correta Associação incorreta O terceiro ponto importante que devemos observar, que para associar um amperímetro a um circuito é de conhecermos o valor aproximado da corrente a ser medida para não danificar o medidor pela medida da corrente superior a sensibilidade nominal do instrumento. Quando em dúvida do valor da corrente a ser medida utilizar inicialmente a escala mais alta, diminuindo se necessário até a mais adequada. 13