Tópicos:
- Introdução
- Núcleo atômico com elétrons
- Fluxo de elétrons
- Corrente, tensão e resistência
Introdução:
Todo técnico automotivo, desde assistente até especialista técnico, tem que lidar com eletrônica. Além da eletrónica dos sistemas de conforto e segurança como a iluminação, o motor do limpa pára-brisas e o sistema ABS, encontramos a eletrónica no controlo do sistema de gestão do motor e na forma de redes de comunicação (incluindo CAN bus). Cada vez mais veículos também estão recebendo um sistema de transmissão elétrico. Qualquer pessoa que queira entender de eletrônica deve começar pelo básico. Nesta seção começamos com uma breve explicação dos elétrons que circulam em torno de um átomo e passamos rapidamente para diagramas elétricos onde os conceitos básicos da eletrônica veicular são explicados de maneira prática.
Núcleo atômico com elétrons:
De acordo com o modelo atômico de Bohr, um átomo consiste em um núcleo contendo prótons e nêutrons, com elétrons orbitando ao seu redor em várias camadas. O átomo de cobre contém 29 prótons e 35 nêutrons em seu núcleo.
Os elétrons estão localizados em quatro camadas. A distribuição dos elétrons nessas camadas é chamada de configuração eletrônica. Cada camada possui um número máximo de lugares para elétrons. A primeira camada (K) tem espaço para dois elétrons, a segunda camada (L) para oito, a terceira camada (M) para dezoito e as outras camadas para 32 elétrons.
Os elétrons nas três camadas internas são elétrons ligados. Os elétrons da camada externa participam de ligações e reações químicas e também são chamados de “elétrons de valência”. O átomo de cobre contém um elétron de valência. Esses elétrons podem se mover livremente e passar para outro átomo. No caso do fio de cobre, as camadas externas se sobrepõem e o único elétron pode se mover através da camada do átomo vizinho.
Doar o elétron de valência é importante para este tópico. O salto do elétron de um átomo para outro possibilita a condução do material. Materiais como cobre, ouro e alumínio possuem um elétron de valência na camada externa. Em contraste, isolantes como plástico, vidro e ar não possuem elétrons de valência. Este material é, portanto, também não condutor.
Fluxo de elétrons:
Na próxima imagem vemos uma bateria, uma lâmpada, o condutor (fio de cobre) e um interruptor. Dependendo da posição da chave, a corrente pode ou não fluir através do circuito. O retângulo azul claro representa o condutor de cobre com os átomos de cobre (amarelo) e os elétrons saltantes da valência (verde).
- Chave aberta: os elétrons circulam em torno do átomo de cobre, mas não há fluxo de elétrons através do consumidor (a lâmpada). A lâmpada não está acesa;
- Interruptor fechado: como a bateria cria uma diferença de tensão, ocorre um fluxo de elétrons de menos para mais. A corrente flui através da lâmpada e acende devido ao fluxo de elétrons e à diferença de tensão.
A corrente se move de – (menos) para + (mais). Esta é a direção real do fluxo. Costumava-se pensar que a corrente passaria de mais para menos, mas isso não é correto. Ainda assim, por conveniência, nos apegamos a esta teoria e a chamamos de “direção técnica do fluxo”. A seguir manteremos esta direção técnica do fluxo, assumindo que o fluxo vai de mais para menos.
Corrente, tensão e resistência:
Nesta seção, ampliamos os três conceitos: corrente, tensão e resistência. Encontramos esses conceitos o tempo todo na tecnologia automotiva. Corrente, tensão e resistência têm, cada uma, sua própria quantidade, unidade e símbolo.
- I = Corrente = Ampére (A)
- U = Tensão = Volt (V)
- R = Resistência = Ohm (Ω)
Atual: Na seção anterior vimos o fluxo de elétrons através de um circuito. A quantidade de elétrons que fluem através de uma determinada área da seção transversal de um condutor elétrico em um segundo é chamada de corrente. A unidade de corrente é ampere (A). Uma corrente de 1 A é atingida quando 6,24 quintilhões (6.240.000.000.000.000.000) de elétrons fluíram através de uma seção transversal em um segundo. Quanto mais elétrons fluem em um determinado período de tempo, maior será a corrente.
Para obter informações sobre quanta energia os consumidores elétricos da tecnologia automotiva necessitam, aqui está uma lista onde a corrente é estimada em uma tensão de carga de 14 volts:
- Motor de arranque a gasolina: 40 – 80 A;
- Motor de partida do motor diesel: 100 – 300 A;
- Bobina de ignição: 3 a 6 A, dependendo do tipo;
- Injetor de combustível para motor a gasolina: 4 – 6 A;
- Bomba elétrica de combustível: 4 – 12 A, dependendo da pressão e vazão;
- Ventilador elétrico: 10 – 50 A;
- Lâmpada H7 (médios halogênio) de 55 Watts: 3,9 A;
- Lâmpada de xenônio de 35 Watts: 2,5 A;
- Lâmpadas LED (controladas por PWM e não através de resistor em série): 0,6 – 1 A;
- Aquecimento dos vidros traseiros: 10 – 15 A;
- Aquecimento dos bancos: 3 – 5 A por assento;
- Auto-rádio standard sem computador de bordo: ~5 A;
- Motor do limpador: 2 -5 A dependendo da potência;
- Motor do ventilador interno: 2 – 30 A dependendo da velocidade;
- Direção assistida elétrica: 2 – 40 A, dependendo da potência.
Voltagem: A voltagem é a força que faz os elétrons se moverem. A tensão é uma medida da diferença de força entre os elétrons em dois pontos. A tensão é medida em volts, abreviado para V. Na tecnologia automotiva trabalhamos com uma “tensão nominal” de 12 volts. Isso significa que a bateria e todos os consumidores elétricos são baseados em 12 volts. Porém, na prática vemos que a tensão nunca é exatamente de 12 volts, mas é sempre um pouco menor, mas muitas vezes maior. Além disso, a tensão com propulsão elétrica é muitas vezes maior. Os consumidores de um carro consomem tensão. Tomemos como exemplo o aquecedor do vidro traseiro: ele utiliza aproximadamente uma corrente de 10 amperes a uma tensão de 14 volts. O fluxo se torna niet é consumido e volta para a bateria. A tensão de 14 volts é usada no aquecedor do vidro traseiro para aquecer. No final (lado terra) ainda resta 0 volts.
Para obter informações sobre os possíveis níveis de tensão em um automóvel de passageiros, aqui está uma breve lista de tensões que podemos encontrar:
- Tensão da bateria: 11 – 14,8 v (bateria quase vazia até tensão máxima de carga do alternador);
- Tensão de abertura do injetor Piezo: brevemente 60 – 200 volts;
- Tensão do sistema de um veículo com propulsão elétrica (híbrido ou BEV): 200 – 800 volts.
Bancada: todo componente elétrico tem uma resistência interna. Este valor de resistência determina quanta corrente fluirá. Quanto maior a resistência, menor a corrente. O resistor tem a letra R e a unidade Ohm. Como unidade usamos o sinal ômega do alfabeto grego: Ω. Podemos usar um em um circuito elétrico resistência extra adicione para limitar a corrente.
Quando ocorre um curto-circuito, por exemplo quando um fio positivo toca a carroceria, há uma resistência muito baixa. A corrente aumenta imediatamente até que um fusível queime para evitar danos. Na lista a seguir vemos quanta resistência possuem os componentes que encontramos na tecnologia automotiva:
- Fio de cobre com 2 metros de comprimento e seção transversal de 1,25 mm²: 0,028 Ω;
- Lâmpada (lâmpada de 21 Watts): 1,25 Ω;
- Injetor de combustível do motor a gasolina (variante de alta impedância): 16 Ω;
- Seção de corrente de controle do relé: ~ 60 Ω;
- Seção de alimentação principal do relé: <0,1 Ω.
A resistência de um componente depende muitas vezes da temperatura: por exemplo, a resistência da lâmpada quando está ligada é muito maior do que durante a medição quando estava fria, em que a corrente diminui à medida que aquece.
Resumindo: a resistência de um componente elétrico determina quanta corrente fluirá. Pouca resistência significa que muita corrente fluirá. A tensão fornecida (geralmente em torno de 12 volts) é consumida no componente elétrico, resultando em 0 volts no lado terra. A energia não é consumida, por isso é tão alta no lado positivo quanto no lado terrestre.
Para compreender melhor os conceitos, às vezes é útil observar o exemplo do barril de água. O barril é cheio de água e fechado no fundo com torneira. A voltagem e o fluxo da água na torneira que permite a passagem de uma determinada quantidade de água dão uma boa ideia do que acontece com a eletricidade em um consumidor com resistência interna.
Voltagem:
Quando o barril está cheio de água, a pressão da água na torneira aumenta. A pressão da água pode ser comparada ao conceito de tensão na eletricidade. O sistema deve ser fechado, caso contrário a água escoará e não haverá mais pressão de água.
Atual:
Quando abrimos a torneira, a água começa a ‘correr’ pela torneira. O fluxo de água pode ser comparado ao conceito de corrente na eletricidade.
Bancada:
A torneira regula a resistência à passagem do fluxo de água. À medida que a torneira é aberta, a resistência diminui e a corrente aumenta.
O mesmo vale para a eletricidade. Com mais resistência no circuito elétrico, há menos corrente e vice-versa. A resistência não tem influência na tensão.
