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Materiais Elétricos Manoel Gibson M. Diniz Navas
Rio de Janeiro Fevereiro, 2006
Materiais Elétricos
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Sumário
Capítulo 1 - Normalização .............................................................................................................................. 6 1.1
Introdução ..................................................................................................................................................... 6
1.2
Unidade de Medidas ..................................................................................................................................... 6
1.3
Histórico......................................................................................................................................................... 7
1.4 Unidades de medida .......................................................................................................................................... 8 1.5
Normas Brasileiras...................................................................................................................................... 12
1.6
Unidades de medidas norte-americanas (ex imperiais) ........................................................................... 14
1.7
Unidades de medida - Regras de conversão.............................................................................................. 14
1.8
Exercícios ..................................................................................................................................................... 15 Capítulo 2 - Condutores e Isolantes .............................................................................................................. 19
2.1 Elementos da ciência dos materiais ............................................................................................................... 19 2.2 Propriedades elétricas..................................................................................................................................... 20 2.3 Características dos condutores e isolantes .................................................................................................... 21 2.4
Fios e Cabos ................................................................................................................................................. 23
2.5
Cabos Telefônicos........................................................................................................................................ 27
2.5.1
Fios Telefônicos Externos ..................................................................................................................... 35
2.5.2
Fio Telefônico Interno........................................................................................................................... 36
2.6
Cabos metálicos para redes locais ............................................................................................................. 37
2.7
Cabos coaxiais ............................................................................................................................................. 40
2.8
Cabos ópticos............................................................................................................................................... 48
2.9
Exercícios ..................................................................................................................................................... 50 Capítulo 3 - Resistores .................................................................................................................................. 52
3.1
Introdução ................................................................................................................................................... 52
3.2
Código de cores ........................................................................................................................................... 52
3.3
Valores e referências................................................................................................................................... 53
3.4
Resistores em alta freqüência..................................................................................................................... 54
3.5
Tipos............................................................................................................................................................. 55
3.6
Delimitação de potência.............................................................................................................................. 55
3.7
Resistores de fio, especiais, ajustáveis e variáveis ................................................................................... 56
3.8
Coeficiente de temperatura da Resistência ............................................................................................... 57
3.9
Exercícios ..................................................................................................................................................... 58 Capítulo 4 - Indutores ................................................................................................................................... 61
4.1
Introdução ................................................................................................................................................... 61
4.2 Características e tipos................................................................................................................................. 61 4.2.1 Indutores com núcleo de ar ................................................................................................................. 61 4.2.2 Indutores com núcleo de ferro............................................................................................................. 62 4.3
Transformadores......................................................................................................................................... 62
4.4
Materiais magnéticos .................................................................................................................................. 64
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Exercícios ..................................................................................................................................................... 69 Capítulo 5 - Capacitores................................................................................................................................ 70
5.1
Introdução ................................................................................................................................................... 70
5.2
Circuitos equivalentes................................................................................................................................. 72
5.3 Tipos de capacitores.................................................................................................................................... 73 5.3.1 Capacitor Eletrolítico de Alumínio ..................................................................................................... 73 5.3.2 Tântalo sólido...................................................................................................................................... 73 5.3.3 Tântalo úmido ..................................................................................................................................... 73 5.3.4 Folha de Tântalo.................................................................................................................................. 73 5.3.5 Eletrolíticos para aplicação em fontes de alimentação de computadores ............................................ 74 5.3.6 Dielétrico de Papel .............................................................................................................................. 74 5.3.7 Filme Plástico...................................................................................................................................... 74 5.3.8 Capacitores de Mica ............................................................................................................................ 75 5.3.9 Capacitores de Cerâmica ..................................................................................................................... 75 5.4 Características construtivas ....................................................................................................................... 76 5.4.1 Ondulação AC..................................................................................................................................... 76 5.4.2 Absorção do Dielétrico........................................................................................................................ 76 5.4.3 Fator de Dissipação ............................................................................................................................. 76 5.4.4 Coeficiente de Umidade ...................................................................................................................... 76 5.4.5 Impedância .......................................................................................................................................... 77 5.4.6 Tensão de Surto................................................................................................................................... 77 5.4.7 Resistência de Isolação........................................................................................................................ 77 5.4.8 Vida útil em operação ......................................................................................................................... 78 5.4.9 Fator de Potência................................................................................................................................. 78 5.4.10 Coeficiente de Temperatura ................................................................................................................ 78 5.4.11 Redução da especificação de temperatura - tensão ("derating").......................................................... 79 5.4.12 Tensão de Operação ............................................................................................................................ 79 5.4.13 Fator de Qualidade .............................................................................................................................. 79 5.5 Identificação e emprego.............................................................................................................................. 79 5.5.1 Identificação ........................................................................................................................................ 79 5.5.2 Aplicações ........................................................................................................................................... 83 5.6
Correção do Fator de Potência .................................................................................................................. 84
5.7
Exercícios ..................................................................................................................................................... 84 Capítulo 6 - Semicondutores......................................................................................................................... 87
6.1
Identificação de Transistores ..................................................................................................................... 87
6.2
Diodos........................................................................................................................................................... 89
6.3
Transistor .................................................................................................................................................... 91
6.4 Resistores não lineares................................................................................................................................ 92 6.4.1 Termistores.......................................................................................................................................... 92 6.5
Dispositivos de Controle ............................................................................................................................. 92
6.6
Componentes piezo-elétricos ...................................................................................................................... 93
6.7
Circuitos Integrados ................................................................................................................................... 93
6.8
Exercícios ..................................................................................................................................................... 93 Capítulo 7 - Especificação de componentes e dispositivos ........................................................................... 94 Bibliografia ................................................................................................................................................. 103 Formulário .................................................................................................................................................. 104
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Índice de Equações Equação 1: Resistência de barra condutora................................................................................................................. 21 Equação 2: Resistência - variação com a temperatura ................................................................................................ 21 Equação 3: Capacitância característica - cabo coaxial ................................................................................................ 45 Equação 4: Impedância característica - cabo coaxial .................................................................................................. 46 Equação 5: Velocidade relativa de propagação........................................................................................................... 47 Equação 6: Retardo de proagação ............................................................................................................................... 48 Equação 7: Indutância característica - cabo coaxial.................................................................................................... 48 Equação 8: Coeficiente de temperatura de resistor ..................................................................................................... 57 Equação 9: Indutor com núcleo de ar.......................................................................................................................... 62 Equação 10: Indutor com núcleo magnético ............................................................................................................... 62 Equação 11: Fluxo máximo em transformador ........................................................................................................... 63 Equação 12: Indutância – banda larga......................................................................................................................... 63 Equação 13: Relutância............................................................................................................................................... 65 Equação 14: Densidade de fluxo magnético ............................................................................................................... 65 Equação 15: Intensidade de campo magnético............................................................................................................ 66 Equação 16: Permeabilidade do vácuo........................................................................................................................ 66 Equação 17: Permeabilidade relativa .......................................................................................................................... 66 Equação 18: Permeabilidade versus polarização magnética ....................................................................................... 66 Equação 19: Força magneto motriz............................................................................................................................. 68 Equação 20: Força magneto motriz versus relutância................................................................................................. 68 Equação 21: Permissividade de dielétrico................................................................................................................... 71 Equação 22: Fator de dissipação ................................................................................................................................. 76 Equação 23: Coeficiente de umidade .......................................................................................................................... 76 Equação 24: Impedância total - módulo...................................................................................................................... 77 Equação 25: Fator de Potência.................................................................................................................................... 78 Equação 26: Coeficiente de temperatura..................................................................................................................... 78 Equação 27: Fator de qualidade .................................................................................................................................. 79 Equação 28: Correção do fator de potência ................................................................................................................ 84 Equação 29: Correção de fator de potência - ajuste à norma ...................................................................................... 84
Índice de Tabelas Tabela 1: Unidades legais no Brasil............................................................................................................................ 13 Tabela 2: Formação dos Múltiplos.............................................................................................................................. 13 Tabela 3:Formação dos Submúltiplos ......................................................................................................................... 14 Tabela 4: Conversões de medidas ............................................................................................................................... 14 Tabela 5: Resistividade a 25o C em 10 -6 Ω . cm ......................................................................................................... 20 Tabela 6: Coeficiente médio de temperatura............................................................................................................... 22 Tabela 7: Constante dielétrica relativa ao ar seco, 0o C, 760 mm de pressão.............................................................. 22 Tabela 8: Resistividade dos isolantes a 20o C, em ohms cm2 / cm.............................................................................. 22 Tabela 9: Rigidez dielétrica em quilovolts por centímetro de alguns isolantes .......................................................... 23 Tabela 10: Especificações de fios AWG..................................................................................................................... 24 Tabela 11: Especificação de cabos.............................................................................................................................. 26 Tabela 12: Código de cores - par telefônico................................................................................................................ 28 Tabela 13: Aplicações dos cabos APL ........................................................................................................................ 30 Tabela 14: Características mecânicas dos cabos CT-APL .......................................................................................... 31 Tabela 15: Características elétricas dos cabos CTP-APL ........................................................................................... 32 Tabela 16: Atenuação em dB/100 metros Normas ANSI/TIA/EIA 568 A, cabos paralelos para redes locais. .......... 38 Tabela 17: Atenuação em dB por 100 pés - cabos coaxiais ........................................................................................ 42 Tabela 18: Cabos do tipo Heliax - características ....................................................................................................... 43 Tabela 19: Cabos coaxiais de uso em telecomunicações e informática. ..................................................................... 44 Tabela 20: Constante dielétrica - cabo coaxial............................................................................................................ 45 Tabela 21: Parâmetro K .............................................................................................................................................. 46 Tabela 22: Parâmetro Ka ............................................................................................................................................. 47 Tabela 23: Velocidade de propagação relativa............................................................................................................ 47 Tabela 24: Características das fibras SM e MM ......................................................................................................... 49 Manoel Gibson Maria Diniz Navas
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Tabela 25: Características dos cabos ótico Fiber - Lan............................................................................................... 50 Tabela 26: Código de cores - resistores ...................................................................................................................... 53 Tabela 27: Série 5% e 10% ......................................................................................................................................... 54 Tabela 28: Série 10% e variação nominal ................................................................................................................... 54 Tabela 29: Intensidade máxima da corrente em mA ................................................................................................... 56 Tabela 30: Características de núcleos de ferro............................................................................................................ 64 Tabela 31: Código de cores - capacitores.................................................................................................................... 80 Tabela 32: Valor multiplicativo do terceiro dígito - capacitores................................................................................. 80 Tabela 33: Código de letras - capacitores ................................................................................................................... 81 Tabela 34: Tensão nominal por código de letras - capacitores.................................................................................... 81 Tabela 35: Aplicações dos capacitores........................................................................................................................ 83 Tabela 36: Identificação de semicondutores ............................................................................................................... 87 Tabela 37: Especificação de componentes e dispositivos ........................................................................................... 94
Índice de Figuras Figura 1: Cabos (a) energia (b) telefônicos ................................................................................................................. 24 Figura 2: Distribuição de pares em cabos telefônicos ................................................................................................. 29 Figura 3: Bloco de terminais ....................................................................................................................................... 29 Figura 4: Cabo CT-APL.............................................................................................................................................. 31 Figura 5: Cabo CT-APL, corte transversal.................................................................................................................. 31 Figura 6: Cabo CTS-APL-G ....................................................................................................................................... 33 Figura 7: Figura 8: Cabo CTP-APL-SN...................................................................................................................... 33 Figura 8: Fio Telefônico externo FE ........................................................................................................................... 35 Figura 9: Fio Telefônico Interno, FI............................................................................................................................ 36 Figura 10: Conector RJ-11 e código de cores. ............................................................................................................ 37 Figura 11: Cabo UTP .................................................................................................................................................. 38 Figura 12: Cabo coaxial .............................................................................................................................................. 40 Figura 13: Cabnos coaxiais - atenuação X freqüência ................................................................................................ 41 Figura 14: Tipos de cabos coaxiais ............................................................................................................................. 44 Figura 15: Cabo coaxial - dimensões .......................................................................................................................... 45 Figura 16: Fibra óptica................................................................................................................................................ 49 Figura 17: Dispositivo de emenda por fusão............................................................................................................... 50 Figura 18: Resistors ajustáveis SMD .......................................................................................................................... 56 Figura 19: Dispositivos de montagem em superfície (SMD) ...................................................................................... 56 Figura 20: Resistores fixos.......................................................................................................................................... 57 Figura 21: Indutor com núcleo a ar ............................................................................................................................. 62 Figura 22: Indutores e núcleos .................................................................................................................................... 64 Figura 23: Curva B versus H....................................................................................................................................... 69 Figura 24: Capacitores - fixos e variável .................................................................................................................... 71 Figura 25: Capacitância de placas paralelas................................................................................................................ 71 Figura 26: Capacitor eletrolítico ................................................................................................................................. 73 Figura 27: Capacitores cerâmicos ............................................................................................................................... 75 Figura 28: Identificação do valor do componente....................................................................................................... 82 Figura 29: Encapsulamentos de semicondutores......................................................................................................... 88 Figura 30: Regiões P e N - diodo ................................................................................................................................ 89 Figura 31: Junção PN - diodo...................................................................................................................................... 89 Figura 32: Diodos comerciais ..................................................................................................................................... 91 Figura 33: Circuitos integrados................................................................................................................................... 93
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Capítulo 1 - Normalização
1.1 Introdução
As unidades de medidas são padrões usados para avaliar grandezas físicas. São definidas arbitrariamente e têm como referência um padrão material. As grandezas podem ser mecânicas, ópticas, geométricas, acústicas ou luminosas. Medir significa comparar uma grandeza com uma unidade de referência da mesma espécie e estabelecer o número (inteiro ou fracionário) de vezes que a grandeza contém a unidade. Metrologia é a ciência que estuda, normatiza e codifica os conhecimentos relativos a medidas, padrões e unidades de medir, métodos, técnicas e instrumentos de medição.
O sistema métrico decimal é o primeiro sistema planejado de pesos e medidas. Sua elaboração começa no final do século XVIII e faz parte das reformas desencadeadas pela Revolução Francesa. Em 1790, a Academia Francesa de Ciências propõe que todas as unidades de comprimento existentes – côvado, braça, pé, milha, polegada etc. – sejam substituídas por uma única: o metro. As diferentes unidades de peso (massa) seriam substituídas pelo grama. Na época, o metro é definido como a décima milionésima parte da distância entre o pólo Norte e o equador, medida pelo meridiano que passa sobre Paris. O valor do grama é definido como a massa de um centímetro cúbico de água a 4oC de temperatura. Em 1960, essas definições são alteradas. O sistema métrico decimal é adotado oficialmente na França em 1795 e torna-se obrigatório em 1840.
1.2 Unidade de Medidas Podemos classificar em trê as unidades de medidas: •
sistema internacional
•
unidades de base
•
unidades suplementares e derivadas
a) Unidades de medida - Sistema Internacional A partir do século XIX, novas grandezas físicas são descobertas. Para medi-las, os cientistas inventam novos instrumentos de precisão e novas unidades de medidas. Para unificar e padronizar os subsistemas improvisados em uso nas diferentes áreas da ciência, a Conferência Internacional de Pesos e Medidas decide, em 1960, substituir o sistema métrico. O atual Sistema Internacional de Unidades (SI) compreende as unidades de base, as derivadas e as suplementares.
b) Unidades de base
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As unidades de base são selecionadas entre as que têm mais condições de satisfazer as necessidades da vida cotidiana e das ciências. Referem-se a comprimento (metro), massa (quilograma), tempo (segundo), corrente elétrica (ampère), temperatura (kelvin), quantidade de matéria (mol) e intensidade luminosa (candela).
c)
Unidades suplementares e derivadas As unidades suplementares, radiano e esterradiano, são usadas para medir ângulos e arcos. As unidades
derivadas são obtidas pela multiplicação de uma unidade de base por si mesma (m², por exemplo, unidade de área); pela associação entre duas ou mais unidades de base (m/s, para medir velocidade) ou, ainda, entre unidades de base e unidades derivadas (newton, por exemplo, unidade de energia, igual a mkgs-2).
1.3 Histórico Estimar e avaliar grandezas diversas são capacidades e habilidades desenvolvidas pela humanidade desde o início de sua evolução cultural. Na pré-história, o homem apenas compara volumes e peso, sem medi-los. Com o crescimento demográfico, o surgimento das cidades e dos sistemas de trocas, são fixadas unidades que permitam uma comparação mais precisa entre objetos. Até o final do século XVIII, todos os sistemas de medidas existentes são consuetudinários, ou seja, baseados nos costumes e nas tradições, por isso eram chamados Sistemas consuetudinários. Os primeiros padrões utilizados para medir são partes do corpo humano – palma da mão, polegada, braço ou uma passada – e utensílios de uso cotidiano, como cuias e vasilhas. Com o tempo, cada civilização define padrões e fixa suas próprias unidades de medidas. Daí a multiplicidade de sistemas de medição existentes desde a Antiguidade. As diferentes civilizações começam a padronizar as unidades de medidas já na Antiguidade. Antes disso, as medições não são muito precisas. O côvado egípcio, por exemplo, é uma medida de comprimento cujo padrão é a distância entre o cotovelo e a ponta do dedo médio, estando o braço e o antebraço dobrados em ângulo reto e a mão esticada. Com esse tipo de unidades, as medições podem dar resultados tão variados quantas são as diferenças individuais do corpo humano. A padronização é feita pela definição de unidades médias, fixadas através de padrões materiais construídos em pedra, argila ou ligas metálicas. O surgimento de padrões materiais de referência para as unidades de medidas marca o início da construção dos primeiros sistemas de pesos e medidas. Eles estão presentes nas civilizações da Assíria, Babilônia, Caldéia e Egito. Os padrões de peso mais antigos até hoje conhecidos datam do quarto milênio antes de Cristo. São pequenos cilindros de base côncava, com cerca de 13 gramas, encontrados nos túmulos de Amrah, no Egito. O sistema egípcio tem grande influência sobre os povos da Antiguidade. Do vale do Rio Nilo espalha-se pela Judéia, Ásia Menor e Grécia antiga, chega às colônias gregas da Península Itálica e, mais tarde, é levado pelos romanos para as diferentes regiões da Europa. Mistura-se, então, aos sistemas locais, assumindo novas características. A Inglaterra normatiza seu sistema consuetudinário de pesos e medidas logo após a promulgação da Carta Magna, em 1215. O sistema, usado por mais de 600 anos, também é adotado pelas ex-colônias inglesas. Os Estados Manoel Gibson Maria Diniz Navas
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Unidos usam o mesmo sistema inglês, com pequenas modificações. Atualmente, embora o Parlamento britânico tenha decidido pela adesão do país ao Sistema Internacional de Unidades, a população inglesa continua utilizando o antigo sistema em seu dia-a-dia. Nos Estados Unidos, o sistema métrico é oficialmente permitido desde 1866 e, em 1959, as unidades de medidas tradicionais passam a ser definidas em função do Sistema Internacional de Unidades. Nos anos 60, o país iniciou um movimento de conversão para o Sistema Internacional. A população, no entanto, tem resistido em abandonar as antigas medidas.
1.4 Unidades de medida O Sistema Internacional de Unidades (SI) é o mais aceito em todo o mundo. No entanto, ainda são usadas unidades tradicionais de origem consuetudinária ou de sistemas anteriores à elaboração do SI. a) COMPRIMENTO Metro (m), unidade SI: distância percorrida pela luz no vácuo em um intervalo de tempo igual a 1/299. 792. 458s. Unidades de comprimento tradicionais •
Quilômetro (km): 1. 000 m;
•
palmo: 22 cm;
•
braça: 2,2 m;
•
légua: 6 km;
•
légua brasileira: 6,6 km.
Unidades de comprimento inglesas •
polegada (in): 2,54 cm ou 0,0254 m;
•
pé (ft): 30,48 cm ou 0,3048 m;
•
jarda (yd): 91,44 cm ou 0,9144 m;
•
milha (mi): 1. 609 m;
•
milha náutica: 1. 852 m.
Distâncias astronômicas •
Ano-luz: distância percorrida pela luz no vácuo em 1 ano, igual a 9,46 trilhões de quilômetros ou 946 × 1010 km;
•
parsec: 3,258 anos-luz ou 30,82 trilhões de quilômetros ou 3. 082 × 1010 km;
•
unidade astronômica (uA): distância média entre a Terra e o Sol igual a 150 milhões de quilômetros ou 150 × 106 km.
b) ÁREA Metro quadrado (m²), unidade SI: área de um quadrado com lado igual a um metro. Unidades de área tradicionais •
Quilômetro quadrado (km²): 1.000.000 m²;
•
hectare (ha): 10.000 m²;
•
alqueire mineiro: 48.400 m²;
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•
alqueire paulista: 24.200 m².
Unidades de área inglesas •
polegada quadrada: 6,4516 cm² ou 0,00064516 m²;
•
pé quadrado: 929,03 cm² ou 0,092903 m².
c) VOLUME Metro cúbico (m³), unidade SI: cubo com arestas iguais a um metro. Unidade de volume tradicional: Litro (l): 0,001 m³. Unidades de volume inglesas •
galão inglês: 4,546 l ou 0,004546 m³;
•
galão norte-americano: 3,785 l ou 0,003785 m³.
d) ÂNGULO PLANO Radiano (rad ou rd), unidade SI: ângulo plano entre dois raios de um círculo que forma um arco de circunferência com o comprimento igual ao do raio. Unidades de ângulo plano tradicionais •
Grau (o): /180 rad;
•
minuto ('): /10. 800;
•
segundo ("): /648. 000 rad;
e) ÂNGULO SÓLIDO Esterradiano (sr), unidade SI: ângulo sólido que, tendo o vértice no centro de uma esfera, leva a um corte em sua superfície com área igual a de um quadrado com lados iguais ao raio da esfera. f) MASSA Quilograma (kg), unidade SI: massa do protótipo internacional do quilograma, um padrão construído com uma liga de platina e irídio. Unidades de massa tradicionais •
Quilate: 0,2 g ou 0,002 kg;
•
tonelada métrica (t): 1.000 kg.
Unidades de massa inglesas •
Libra ou pound (lb): 453,59 g ou 0,453 kg;
•
tonelada inglesa: 1.016 kg;
•
tonelada norte-americana: 907 kg;
•
onça (oz): 28,35 g ou 0,028 kg;
•
onça troy: 31,10 g ou 0,031 kg.
g) TEMPO Segundo (s), unidade SI: tempo correspondente a 9. 192. 631. 770 ciclos de radiações emitidas entre dois níveis de energia do átomo de césio 133. Unidades de tempo tradicionais •
minuto (min): 60s;
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•
hora (h): 60min ou 3. 600s;
•
dia (d): 24h ou 1.440min ou 86. 400s;
•
ano sideral: 365d 6h 9min 9,5s;
•
ano trópico: 365d 5h 48min 45,8s.
h) VELOCIDADE Metro por segundo (m/s), unidade SI: distância percorrida em um segundo. Unidades de velocidade tradicionais: quilômetro por hora (km/h), 1/3,6 m/s ou 0,27777 m/s. Unidades de velocidade inglesas •
milha por hora (mi/h): 1,609 km/h ou 0,4469 m/s;
•
nó (milha náutica por hora): 1,852 km/h ou 0,5144 m/s.
Velocidade da luz – 299. 792. 458 m/s (aproximadamente 3 × 108 m/s). i) VELOCIDADE ANGULAR Radiano por segundo (rad/s), unidade SI: velocidade de rotação de um corpo. Unidade de velocidade angular tradicional: rotação por minuto (rpm). j) ACELERAÇÃO Metro por segundo ao quadrado (m/s²), unidade SI: constante de variação de velocidade. l) ACELERAÇÃO ANGULAR Radiano por segundo ao quadrado (rad/s²), unidade SI: constante de variação de velocidade angular. m) FREQÜÊNCIA Hertz (Hz), unidade SI: número de ciclos completos por segundo (Hz = s-¹) n) FORÇA Newton (N), unidade SI: força que imprime uma aceleração de 1 m/s² a uma massa de 1 kg (kgm/s²), na direção da força. Unidade de força tradicional: Quilograma-força (kgf): 9,8N. o) ENERGIA Joule (J), unidade SI: energia necessária para uma força de 1N produzir um deslocamento de 1m (J = N/m). Unidades de energia tradicionais •
watt-hora (Wh): 3.600 J;
•
quilowatt-hora (kWh): 3.600.000 J ou 3.600 kJ,
•
eletrovolt (eV): 1,6021 × 10 J;
•
caloria (cal): 4,1 J;
•
quilocaloria (kcal): 4.184 J.
p) POTÊNCIA
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Watt (W), unidade SI: potência necessária para exercer uma energia de 1 J durante um segundo (W = J/s). O fluxo de energia (elétrica, sonora, térmica ou luminosa) também é medido em watt. Unidade de potência tradicional: horse-power (HP) ou cavalo-vapor (cv), 735,5 W. q) INTENSIDADE ENERGÉTICA Watt por esterradiano (W/sr), unidade SI: intensidade do fluxo de energia no interior de um ângulo sólido igual a 1sr. r) PRESSÃO Pascal (Pa), unidade SI: força constante de 1N sobre uma superfície plana de 1m² (Pa = N/m²). Unidades de pressão tradicionais •
milímetro de mercúrio (mmHg): 133,32 Pa;
•
atmosfera (atm): 101.325 Pa.
s) CORRENTE ELÉTRICA Ampère (A), unidade SI: corrente elétrica constante capaz de produzir uma força igual a 2 × 10 N entre dois condutores de comprimento infinito e seção transversal desprezível, situados no vácuo e com 1 m de distância entre si. t) CARGA ELÉTRICA Coulomb (C), unidade SI: quantidade de eletricidade com intensidade constante de 1A que atravessa a seção de um condutor durante 1s. Unidade de carga elétrica tradicional: Ampère-hora (Ah): 3. 600 C. u) DIFERENÇA DE POTENCIAL Volt (V), unidade SI: tensão elétrica existente entre duas seções transversais de um condutor percorrido por uma corrente constante de 1A, quando a potência dissipada entre as duas seções é igual a 1W (V = W/A). v) RESISTÊNCIA ELÉTRICA Ohm (Ω ), unidade SI: resistência de um elemento de um circuito que, submetido a uma diferença de potencial de 1V entre seus terminais, faz circular uma corrente constante de 1A ( = V/A). s) CAPACITÂNCIA ELÉTRICA Farad (F), unidade SI: capacitância de um elemento de um circuito que, ao ser carregado com uma quantidade de eletricidade constante igual a 1C, apresenta uma tensão constante igual a 1V (F = C/V). t) INDUTÂNCIA ELÉTRICA Henry (H), unidade SI: indutância de um elemento passivo de um circuito em cujos terminais se induz uma tensão constante de 1V quando percorrido por uma corrente que varia na razão de 1A por segundo (H = Vs/A ou Ws). u) TEMPERATURA Manoel Gibson Maria Diniz Navas
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Kelvin (K), unidade SI: fração de 1/273,16 da temperatura termodinâmica do ponto tríplice da água, que corresponde às condições de temperatura e pressão em que a água em estado líquido, o vapor de água e o gelo estão em perfeito equilíbrio. O ponto zero da escala (0ºK) é igual ao zero absoluto (− 273,15ºC). Unidades de temperatura tradicionais Escala Celsius (ºC): 0ºC = 273ºK; Escala Fahrenheit (F): 0ºF=255,33ºK ou −17,77ºC. v) QUANTIDADE DE MATÉRIA Mol (símbolo mol), unidade SI: quantidade de matéria de um sistema que reúne tantas entidades elementares (partículas que devem ser especificadas) quanto o número de átomos contidos em 0,012 kg de carbono. x) INTENSIDADE LUMINOSA Candela (cd), unidade SI: intensidade luminosa emitida em uma determinada direção por uma fonte de radiação monocromática com freqüência igual a 540 × 10¹² Hz e com uma intensidade energética de 1/683 watt por esterradiano. z) FLUXO LUMINOSO Lúmem (lm), unidade SI: fluxo luminoso com intensidade de 1cd emitido no interior de um ângulo sólido igual a 1sr (lm = cd/sr). aa) ILUMINAMENTO Lux (lx), unidade SI: iluminamento de uma superfície plana de 1 m² que recebe um fluxo luminoso perpendicular de 1lm (lx = lm/m²). ab) INFORMAÇÃO Bit: É a menor unidade de armazenamento de informações em computadores e sistemas informatizados. Byte: é a unidade básica de memória de computadores, igual a 8 bits contíguos. 1 Kilobit (kbit): 1. 024 bits de informação; 1 Kilobyte (kbyte): 1. 024 bytes. 1 Megabytes: 1. 048. 576 bytes.
1.5 Normas Brasileiras O Sistema Internacional de Unidades (SI) foi adotado oficialmente pelo Brasil pela Portaria no 26, de 19 / 8 / 1962, do Instituto Nacional de Pesos e Medidas (INPM) atual Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (INMETRO), depoisde homologado pela Resolução no 12 da 11ª Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM), realizada na França em 14 / 10 / 1960. Apresentaremos em seguida as unidades legais no país e a formação dos múltiplos e sub – múltiplos.
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Tabela 1: Unidades legais no Brasil Unidade
Símbolo
Metro
m
metro quadrado
Grandeza Comprimento
2
Área
3
m
metro cúbico
m
Volume
quilograma
kg
Massa
Grama
g
massa
Litro Mililitro
l ou L
volume ou capacidade
ml ou mL
volume ou capacidade
quilômetro
km
quilômetro por hora
km/h
Hora Minuto Segundo
comprimento (distância) velocidade
h
tempo
min
tempo
s
tempo
graus Celsius
o
C
temperatura
Kelvin
K
temperatura termodinâmica
Hertz
Hz
frequência
Newton
N
força
Pascal
Pa
pressão
Watt
W
potência
Ampère
A
corrente elétrica
Volt
V
tensão elétrica
candela
cd
intensidade luminosa
Tabela 2: Formação dos Múltiplos
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Prefixo
Símbolo
Fator de multiplicação
Exa
E
1018
Peta
P
1015
tera
T
1012
giga
G
109
mega
M
1 000 000 ou 106
quilo
K
1 000 ou 103
hecto
H
100 ou 102
deca
Da
10 ou 101
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Tabela 3:Formação dos Submúltiplos Prefixo
Símbolo
Fator de multiplicação
deci
d
0,1 ou 10-1
centi
c
0,01 ou 10-2
mili
m
0,001 ou 10-3
micro
µ
10-6
nano
n
10-9
pico
p
10-12
femto
f
10-15
atto
a
10-18
1.6 Unidades de medidas norte-americanas (ex imperiais)
A tabela abaixo apresenta as conversões das unidades norte americanas para as unidades empregadas no Brasil.
Tabela 4: Conversões de medidas Comprimento 1 inch = 25,4 mm (polegada) 1 inch = 2,54 cm
Área
Volume
1 in2 = 645,16 mm 2
2
2
2
Massa
1 in3 = 16.387,064 mm3 3
1 in = 6,4516 cm
3
1 in = 16,387 cm 3
1 grain = 0,0648 g 1 oz = 28,349 g
3
1 foot = 30,48 cm (pé)
1 ft = 929,03 cm
1 ft = 0,028316 m
1 lb = 453,59 g
1 yard = 0,9144 m (jarda)
1 ft 2 = 0,0929 m2
1 yd3 = 0,764555 m3
1 lb = 0,45359 kg
1 mile = 1,609 km (milha)
2
2
1 in = 16,387 ml
2
2
1 yd = 8.361,3 cm
3
1 nautical mile = 1,852 km
1 yd = 0,83613 m
1 ft3 = 28,32 l
12 inches (in) = 1 foot (ft)
1 acre = 4.047 m2
1 galoon = 3,785 l
2
2
36 inches = 3 feet = 1 yard (yd) 1 mi = 2,59 km 2
1 gallon (gal) = 4 quart (qt)
2
1 ft = 144 in
1 yd2 = 9 ft2 = 1296 in2 mile2 = 640 acres
1.7 Unidades de medida - Regras de conversão Para operar com unidades derivadas do Sistema Internacional, seus múltiplos e submúltiplos, ou ainda saber os valores de medidas em outros sistemas, basta procurar sua definição ou consultar a tabela de prefixos. Exemplos de conversão: Manoel Gibson Maria Diniz Navas
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Comprimento 20 km/h em m/s: 20 × (1. 000 m/3. 600 s) = 5,5 m/s 10m/s em km/h: 10 × (1/1. 000 km)/(1/3. 600) = 10 × (1/1. 000) × (3. 600/1) = 3. 600/1. 000 = 36 km/h Área mm² em cm² ou em m² (1 mm = 0,1 cm = 0,01 m): 1 mm² = 0,01 cm² = 0,0001 m² polegada quadrada em cm² (1 polegada = 2,54 cm): Polegada × polegada = 2,54 cm × 2,54 cm = 6,4516 cm² (resultado aproximado) cm² em polegada quadrada: 1 cm = 1/2,54 = 0,3937 1 cm² = 0,3937 × 0,3937 = 0,1549 polegada (resultado aproximado) 0,3 m² para cm²: 0,3 m² = 0,3 m × m = 0,3 × 100 cm × 100 cm = 3. 000 cm × cm = 3. 000 cm² 2. 500 dm³ em m³: 2. 500 dm × dm × dm = 2. 500 × 0,1 m × 0,1 m × 0,1 m = 2,5 m³ Temperatura Celsius para Kelvin: + 273.
Kelvin para Celsius: - 273.
Celsius para Fahrenheit: × 9/5 + 32.
Fahrenheit para Celsius: - 32 × (5/9).
Kelvin para Fahrenheit: × 9/5 + 255,33.
Fahrenheit para Kelvin: - 255,33 × (5/9).
1.8 Exercícios 1.
Uma sala de aula apresenta as seguintes dimensões: altura 3,0 metros, comprimento 4,5 metros e largura 3,5 metros. Determine: a.) o volume da sala em cm3; b ) a área interna total em mm2; c.) o volume de ar da sala fechada, em litros; d.) quantos latas de tinta de 2 litros são necessárias para pintar-se a sala internamente. Considere uma porta de acesso e uma janela de 2 m x 2 m. Cada lata de tinta permite cobrir-se uma área de 16m2.
2.
O piso de uma estação rádio base vai ser coberto por placas de 0,70 m x 0,70 m. Cada placa custa R$ 5,00. As dimensões do piso são 2,2 m x 3,5 m. Determine:
3.
a.
o área do piso em m2;
b.
a área do piso em cm2;
c.
a área do piso em mm2;
d.
o número de placas para forrar o piso;
e.
o custo para forrar o piso, considerando-se que o custo de instalação de cada placa é de R$ 0,50.
Uma estação rádio base instalada no alto de uma elevação possui as seguintes dimensões: 2,2 m x 3,5 m x 2,3 m, respectivamente largura , profundidade e altura. Determine. a.
a área externa em m2;
b.
a área externa em cm2;
c.
a área externa em mm2;
d.
o volume em m3;
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e.
o volume em litros;
f.
o volume em cm3;
g.
o volume em mm3;
h.
a vazão do ar condicionando em litros por segundo, para trocar completamente o ar da cabine em 4 (quatro) horas.
4.
5.
Determine a densidade em bits/cm2 dos seguintes meios armazenadores: a.
disco de 1,44 Mega;
b.
disco Zip de 100 Mega;
c.
CD;
d.
DVD.
Considerando os preços das mídias acima respectivamente de R$ 1,00, R$ 35,00 e R$ 2,00 e R$ 10,00, determine: a.
o custo de armazenamento por bit de cada meio;
b.
o custo do cm2 de armazenamento;
c.
a capacidade de armazenamento por cm2;
d.
qual a sua escolha como meio? Justifique.
6.
Durante uma cena de filme passada no inverno você ouve que a temperatura está a 40o. Explique.
7.
Um litro de um determinado solvente é diluído em 100 litros de tinta. Qual a porcentagem do solvente na tinta?
8.
Um litro de um determinado solvente é diluído em 99 litros de tinta. Qual a porcentagem do solvente na tinta?
9.
Qual a velocidade média em km/h do campeão mundial de 100 metros rasos? Porque um choque de veículo a 40 km/h pode ser fatal?
10. Sua amiga resolve andar na praia de salto alto. Ela pesa 50 kg e o salto é um cilindro de 1 (um) cm de diâmetro. O que vai acontecer? Porque? Qual a pressão exercida sobre a areia a cada passo? 11. Na especificação do fabricante de um determinado cabo coaxial a velocidade relativa de propagação é de 80%. Determine o retardo introduzido para uma distância de 200metros. Como este valor afeta a transmissão de dados em alta velocidade por cabos coaxiais? 12. O efeito das queimaduras sobre as pessoas pode ser avaliado pela área atingida. Avalie a área de um corpo humano. Justifique. 13. No carnaval do Rio de Janeiro é comum nas Escolas de Samba o desfile de mulheres desnudas, apenas com tinta sobre o corpo. Avalie o volume de tinta necessário para realizar-se tal trabalho. Justifique. 14. Você foi viajar de férias e esqueceu a lâmpada do seu quarto acesa. Quanto vai ser a conta extra? 15. Um choque a 40 km/h equivale a uma queda de que altura. Considere os choques inelásticos. Porque o cinto de segurança cede em caso de batida? 16. Uma tubulação telefônica apresenta diâmetro de 31/4”. Determine quantos pares de cabos telefônicos podem ser passados por essa tubulação. 17. Uma tubulação telefônica apresenta diâmetro de 31/4”. Determine quantos pares de cabos telefônicos podem ser passados por essa tubulação, considerando-se que já existe um cabo de TV a cabo. 18. Expresse a velocidade da luz em m/s, empregando notação exponencial e no máximo dois algarismos significativos. 19. Complete a tabela abaixo: Manoel Gibson Maria Diniz Navas
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k
106
G 10-3
10-6
da
E 10-12
n
20. Determine os valores pedidos. 1m3 =
mm3
1,5 mH =
H
12.000 pF =
nF
680 kΩ =
MΩ
2,5 mm =
0,0001 uF =
pF
1,2 MΩ =
kΩ
0,4 cm2 =
GHz
0,54 MHz =
m m2
1550 Hz =
MHz
1,8 GHz =
MHz
890 MHz =
60 mi/h =
km/h
4 mi =
km
10 km =
mi
10 km2 =
mi2
0,1 m3 =
mm3
1300 mm3 =
1000 m2 =
km2
1 km2 =
m2
m3
kHz
21. O Capitão Kirk, da espaçonave Enterprise ordenou velocidade de dobra 8. Determine o tempo necessário para alcançar-se esta velocidade. Considere que dobra 8 é 8 vêzes a velocidade da luz e a máxima aceleração suportada pelo ser humano é 10 g. Considere também que o sonho de voar acima da velocidade da luz é possível. 22. Preencha a tabela abaixo com as respectivas unidades. Intensidade luminosa:
Temperatura termodinâmica:
Corrente:
Potência:
23. Complete a tabela abaixo. 1,8 nF =
pF
2,2 kΩ =
MΩ
2,2 mH =
µH
1900 MHz =
GHz
24. Complete a tabela abaixo 1,1m3 =
mm3
120.000 pF =
nF
820 kΩ =
MΩ
12,5 mm =
m
15 mH =
H
0,00001 uF =
pF
1,8 MΩ =
kΩ
0,04 cm2 =
m2
1 kΩ =
Ω
0,1µH =
nH
2M2 =
kΩ
1.1 m2 =
mm2
0,0001 V =
nV
0,001 A =
100000000 V =
kV
0,00001 kV =
V
0,0000002 V =
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0,000001 MV =
mA
10000 pF =
nF
15 cm3 =
mm3
22K =
nF
20 µV =
V
0,000001 A =
mA
0,00001 A =
µV
0,000001 mA =
nA
0,0000001 kV =
V
V
220000000 pF =
mF
0,000000000001 F =
pF
µA
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1000000 mm3 = m3 1,9 GHz =
3000000 km/s =
Hz
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1,9 GHz =
km/h MHz
30 m/s = 0,01 GHz =
km/h MHz
890000000 Hz =
MHz
1900 kHz =
MHz
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Capítulo 2 - Condutores e Isolantes
2.1 Elementos da ciência dos materiais Os diversos materiais empregados nas telecomunicações e na eletrônica, podem ser divididos, quanto a característica de transporte de cargas elétricas, em condutores e isolantes. Esta divisão é algo simplista, já que os transistores e circuitos integrados que compõe os diversos equipamentos da indústria eletrônica são feitos de um material denominado semi-condutor. Para entender-se a diferença entre os materiais, nesta classificação necessitamos de uma análise na estrutura da matéria. Constata-se que os materiais denominados "metais" apresentam elétrons em órbitas mais externas do átomo que são arrancados de suas órbitas com relativa facilidade. Experimente unir os pólos de uma bateria de 1,5 volts com um fio telefônico e o resultados muito rápido é a total descarga da bateria. Adicionalmente, o aumento da temperatura do fio é reveladora que alguma coisa, ou muita coisa, passou por ali. São os elétrons. A bateria possui em um dos seus pólos, elétrons em excesso em relação ao outro pólo. Ao interligar-se os pólos por intermédio do fio, os elétrons da bateria foram "empurrando" os elétrons do cobre do fio metálico, que aceitam facilmente serem empurrados. Estatísticamente é pouco provável que um elétron de um pólo da bateria chegue ao pólo oposto. São os elétrons do metal que trafegam, que são arrancados de suas órbitas. Como o efeito aparente é que os elétrons da bateria foram fácilmente "conduzidos" de um pólo ao outro, diz-se então que o cobre é um "bom condutor". Um material isolante oferece uma restrição severa à passagem de corrente elétrica. Olhe para fora de sua casa, para o poste da concessionária de distribuição de energia elétrica. É muito provável que no poste exista uma ou mais hastes de vidro ou porcelana, para "isolar" a corrente e evitar curto circuitos na linha. E quem isola bem o que é? Exato, um bom isolante. E como você já percebeu, vidro e porcelana são excelentes isolantes. Seu professor de Circuitos Elétricos e o de Eletromagnetismo vão gastar algumas horas explicando essa diferença, entre condutores e isolantes. Você vai aprender que essa característica depende da temperatura e da freqüência, ou seja um fio pode ser um bom condutor em uma freqüência e um mau condutor em uma freqüência mais alta. Você vai aprender o conceito de profundidade pelicular, e descobrir que os elétrons gostam de se repelir mútuamente e por isso adoram viajar pelas camadas mais externas de um condutor. Você vai aprender que às vêzes os elétrons mal e mal viajam pelo condutor, sendo na verdade guiados por êle. Você sai aprender que algumas vêzes um condutor oco é tão bom condutor quanto um condutor maciço. E finalmente, se você ainda não ouviu falar, vai aprender o conceito da supercondutividade, quando materiais maus condutores à temperatura ambiente tornam-se mais do que condutores, tornam-se super condutores à temperaturas próximas do zero absoluto, cerca de - 273o C (bem frio!). Grandes recursos estão sendo aplicados na descoberta de materiais super condutores em temperaturas mais elevadas, idealmente próximo da temperatura ambiente. É uma boa oportunidade para ganhar-se um prêmio Nobel. Alguém se candidata? Se a linha divisória entre condutores e isolantes já é complicada, imagine que nessa área ainda existem os semicondutores. O semicondutores não são encontrados normalmente na natureza. São uma criação do homem (e da mulher também). Os materiais semicondutores são criados colocando-se, ou "dopando-se", materiais isolantes, como por exemplo o silício, com átomos de outros materiais, como por exemplo o boro, cuja última órbita contém elétrons Manoel Gibson Maria Diniz Navas
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a mais ou a menos do que a última órbita dos átomos de silício. O resultado? O mesmo que acontece em uma festa onde tem mais rapazes do que moças. Sempre tem alguém sobrando, o elétron, não você. E adivinhe o que vai acontecer com este elétron triste, sozinho? Ele está louco para ser atraído por um potencial positivo, por exemplo o pólo de uma bateria, ou ser empurrado pelo pólo oposto. E o que é isso? Uma condução. Na verdade não é tão simples assim. Os dispositivos semicondutores são formados por sanduíches de placas dopadas com falta e excesso de elétrons. Um sanduíche com três placas, sendo a do meio (o presunto) diferente das externas (o pão), tem um nome famoso: transistor. Os computadores atuais possuem milhões de transistores nos seus chips da CPU. Apresentaremos a seguir as características elétricas de materiais condutores e isolantes, normalmente purificados em processos industriais ou fabricados por ligas de materiais diferentes. Os materiais condutores são empregados em fios e cabos, empregados na eletrônica, nas telecomunicações e na eletricidade. São usados também em chaves, interruptores, conectores e antenas. Os materiais isolantes ou mau condutores são empregados para proteção contra curto circuito entre cabos de alimentação e de sinais, material de deposição para circuitos impressos, proteção e segurança. Materiais como o ouro, a prata e a platina são excelentes condutores, porém como desvantagem possuem custo elevado. O cobre e o alumínio não são tão bons condutores mas apresentam custo menor. Os fios de cobre de uma companhia telefônica são provávelmente seu produto de maior valor. O vidro e a porcelana são bons isolantes mas frágeis. A alternativa é o emprego de materiais como fibra de vidro, baquelite e plásticos. A questão da emissão de gases tóxicos quando da queima é uma preocupação mais. No próximo item serão apresentadas as características elétricas de diversos materiais empregados na engenharia elétrica, eletrônica e nas telecomunicações. Conhecer o material de trabalho é de fundamental importância para o profissional. Muitas vêzes questões de segurança ou risco à vida humana estão presentes.
2.2 Propriedades elétricas A tabela abaixo apresenta a resistividade de diversos metais e ligas.
Tabela 5: Resistividade a 25o C em 10 -6 Ω . cm Metal ou liga
Resistividade, 10 -6 Ω .
Metal ou liga
Resistividade, 10 -6 Ω . cm
cm Aço
5,0
Ferro
10,2
Alumínio
2,6
Ferro - níquel
84,0
Bronze
5,0
Magnésio
4,3
Carvão
0,6
Manganina
44,0
Cobre
1,6
Mercúrio
94,0
Cromo - níquel
50,0
Nicromo
89,1
Chumbo
20,4
Níquel
9,1
Constantan
49,0
Platina
10,9
Duralumínio
5,0
Tântalo
16,5
Estanho
13,0
Zinco
5,6
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A resistência de uma barra é função da resistividade do material, da área da seção reta e do comprimento da haste. Estes três parâmetros relacionam-se conforme a equação abaixo:
l R=ρ Ω A Equação 1: Resistência de barra condutora Onde:
R: resistência da haste, em ohms ρ: resistividade do material, em ohms.cm l: comprimento da haste, em cm A: área da seção reta, em cm2 A resistência de um pedaço de metal depende do material, do coeficiente médio de temperatura e da temperatura de trabalho. Costuma-se usar como temperatura de referência para a medida de resistência 25o C. A resistência, o coeficiente médio de temperatura e a temperatura relacionam-se conforme a equação abaixo.
Rt = R25o C * (1 + α * ∆t ) Ω Equação 2: Resistência - variação com a temperatura Onde:
Rt: resistência da haste do material, à temperatura "t"; o
R25 C: resistência da haste do material, à temperatura de 25o C;
α: coeficiente médio de temperatura ∆t: diferença de temperatura entre "t"e 25o C.
2.3 Características dos condutores e isolantes A tabela abaixo apresenta o valor do coeficiente médio de temperatura para diversos materiais.
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Tabela 6: Coeficiente médio de temperatura Condutor
Coeficiente médio de
Condutor
Coeficiente médio de
temperatura, α
temperatura, α Alumínio
0,0037 a 0,0041
Chumbo
0,0041
Prata
0,0036
Cádmio
0,0041
Ferro trifilado
0,0045
Mercúrio
0,0007
Aço, 99% de ferro
0,0045
Bronze de alumínio (5-10% de Al)
0,001
Mercúrio
0,00087
Latão em fio (30% de Zn)
0,0015
Níquel
0,0037
Platina
0,024
Ouro
0,0036
Manganin (86% Cu, 12% Mn, 2% Ni)
0,00001
Cobre eletrolítico
0,004
Tungstênio
0,00051
Cobre puro
0,0042
Grafite
0,00008
0,0039 a 0,0043
Estanho
0,0044
Zinco
A tabela abaixo apresenta valores de constante dielétrica relativa ao ar seco para diversos materiais.
Tabela 7: Constante dielétrica relativa ao ar seco, 0o C, 760 mm de pressão Isolante
Constante dielétrica, εr
Isolante
Constante dielétrica
Papel seco
1,5
Quartzo
4,5
Breu
1,9
Glicerina
5,6
Parafina
1,9 a 2,3
Esteatite
5,9
Mica
2,5 a 7,0
Baquelite
6 a 10
Borracha vulcanizada
2,7 a 3,1
Mármore
6,3
Vidro
3 a 10
Álcool
16 a 31
Porcelana
4,4
Poliestireno
2,6
Polietileno
2,3
Teflon
2,1
A tabela abaixo apresenta valores de resistividade para diversos isolantes na temperatura de 20º C.
Tabela 8: Resistividade dos isolantes a 20o C, em ohms cm2 / cm Isolante
Resistividade média, cm2 /
Isolante
Resistividade média, cm2 / cm
cm Amianto
1,6 x 105
Papel parafinado
1018
Ardósia
2,5 x 108
Parafina
1015 a 1019
Madeira
109
Polietileno
3 x 1017
Borracha
8 x 109
Porcelana
1012 a 1014
Ebonite
1015
Quartzo
5 x 1018
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Óleo isolante
1012 a 1015
Resina
5 x 1018
Mármore
108 a 1010
Esteatite
1020
Mica
1012
Poliester
1015
Papel
109 a 1015
Vidro
2 x 1012 a 9 x 1012
A tabela abaixo apresenta valores de rigidez dielétrica para diversos materiais.
Tabela 9: Rigidez dielétrica em quilovolts por centímetro de alguns isolantes Material
Rigidez dielétrica, kV/cm
Material
Rigidez dielétrica, kV/cm
Amianto
24 a 40
Papel parafinado
400 a 500
Baquelite
120 a 130
Parafina
120 a 140
Madeira
30 a 60
Borracha
20
Quartzo
100 a 400
Ebonite
230
Esteatite
150 a 300
Mármore
14
Vidro
60 a 120
Poliestireno
500-700
Mica Polietileno
600 a 700 1200
Porcelana
Teflon
50
1000-2000
2.4 Fios e Cabos Em telecomunicações os sinais elétricos podem ser transportados por fios metálicos ou fibras óticas. Nos fios metálicos a informação é transportada na forma de variações de tensão. Na fibra ótica a informação é transportada na forma de energia luminosa. Dois fios paralelos, geralmente de cobre, formam um par metálico, podendo ser recobertos por uma capa isolante ou não. Como exemplo de pares de fios citam-se o cabo paralelo de televisão, o fio de alimentação de CA, o fio telefônico no interior de residências e os cabos planos ("flat cables"), encontrados no interior dos microcomputadores. Em sistemas telefônicos empregam-se cabos constituídos de dezenas ou até milhares de pares metálicos. Em sistemas de maior capacidade empregam-se cabos constituídos por fibras óticas. Outro tipo de cabo empregado em sistemas de alta capacidade ou de alta freqüência é o cabo coaxial. A figura 1 apresenta diversos tipos de cabos metálicos. Observe o isolamento entre os condutores. Para cabos que transportam elevados níveis de corrente o diâmetro da seção reta é de fundamental importância. Por isso o cabo do aparelho de ar condicionado possui um diâmetro várias vezes superior ao fio que liga seu aparelho telefônico ao conector na parede. Os tipos de cabos mostrados na figura abaixo, acima, são empregados em sistemas telefônicos. Observe o grande número de pares paralelos nos cabos com capa externa preta, adequados para instalações externas, aéreas ou subterrâneas. Os cabos com capa externa cinza destinam-se a instalações internas, podendo ser multi pares ou com apenas um par. A capa metálica, interna à capa preta, é uma blindagem elétrica, destinando-se a proteger o cabo de Manoel Gibson Maria Diniz Navas
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Materiais Elétricos
interferências elétricas externas. O cabo com um par de fios, no meio da figura , na parte debaixo, é do tipo par trançado. Neste tipo de cabo, mais resistente à interferência do que o par paralelo, os fios são torcidos entre si. O menor diâmetro dos fios é explicado pela menor intensidade de corrente que normalmente circula pelos condutores, no máximo 100 mA, e tensão máxima de 48 volts. Em alguns sistemas específicos pode-se encontrar tensões de até cerca de 200 volts, sob baixas correntes no entanto.
(a) Cabos metálicos de energia
(b) Cabos Telefônicos
Figura 1: Cabos (a) energia (b) telefônicos No Brasil emprega-se atualmente a especificação de fios condutores pela sua área da seção reta expressa em milímetros quadrados, por exemplo 1,5 mm2. No entanto ainda é comum encontrar-se a especificação de fios na especificação Norte americana, AWG ou "American Wire Gauge". A tabela abaixo apresenta alguns parâmetros de fios, a partir da especificação AWG.
Tabela 10: Especificações de fios AWG Especificação do fio
Diâmetro
Área
Mils (1)
CM (2)
AWG
Espiras por
Ohms por Diâmetro
Corrente
Área
polegada
1000 ft a
máxima
mm2
(3)
25o C
em mm
contínua a 700 CM / A (4)
1
289,3
83.694,49
-
0,1239
7,348
119,564
42,40
2
257,6
66.357,76
-
0,1563
6,543
94,787
33,62
3
229,4
52.624,36
-
0,1971
5,827
75,178
26,66
4
204,3
41.738,49
-
0,2485
5,189
59,626
21,14
5
181,9
33.087,61
-
0,3134
4,620
47,268
16,76
6
162,0
26.244,00
-
0,3952
4,115
37,491
13,30
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Materiais Elétricos
Especificação do fio
Diâmetro
Área
Mils (1)
CM (2)
AWG
Espiras por
Ohms por Diâmetro
Corrente
Área
polegada
1000 ft a
máxima
mm2
(3)
25o C
em mm
contínua a 700 CM / A (4)
1.
7
144,3
20.822,49
-
0,4981
3,665
29,746
10,55
8
128,5
16.512,25
-
0,6281
3,264
23,589
8,37
9
114,4
13.087,36
-
0,7925
2,908
18,696
6,64
10
101,9
10.383,61
-
0,9987
2,588
14,834
5,26
11
90,7
8.226,49
-
1,2610
2,304
11,752
4,17
12
80,8
6.528,64
-
1,5880
2,052
9,327
3,31
13
72,0
5.184,00
-
2,0010
1,829
7,406
2,63
14
64,1
4.108,81
15,2
2,5240
1,628
5,870
2,08
15
57,1
3.260,41
17,0
3,1810
1,450
4,658
1,65
16
50,8
2.580,64
19,1
4,0180
1,290
3,687
1,31
17
45,3
2.052,09
21,4
5,0540
1,151
2,932
1,04
18
40,3
1.624,09
23,9
6,3890
1,024
2,320
0,82
19
35,9
1.288,81
26,8
8,0460
0,912
1,841
0,65
20
32,0
1.024,00
29,9
10,1280
0,813
1,463
0,52
21
28,5
812,25
33,6
12,7700
0,724
1,160
0,41
22
25,3
640,09
37,6
16,2000
0,643
0,914
0,32
23
22,6
510,76
42,0
20,300
0,574
0,730
0,26
24
20,1
404,01
46,9
25,6700
0,511
0,577
0,21
25
17,9
320,41
52,6
32,3700
0,455
0,458
0,16
26
15,9
252,81
58,8
41,0200
0,404
0,361
0,13
27
14,2
201,64
65,8
51,4400
0,361
0,288
0,10
28
12,6
158,76
73,5
65,3100
0,320
0,227
0,08
29
11,3
127,69
82,0
81,2100
0,287
0,182
0,065
30
10,0
100,00
91,7
103,7100
0,254
0,143
0,051
31
8,9
79,21
103,1
130,9000
0,226
0,113
0,040
32
8,0
64,00
113,6
162,0000
0,203
0,091
0,032
33
7,1
50,41
128,2
205,7000
0,180
0,072
0,025
34
6,3
36,69
142,9
261,3000
0,160
0,057
0,020
35
5,6
31,36
161,3
330,7000
0,142
0,045
0,016
36
5,0
25,00
178,6
414,8000
0,127
0,036
0,013
37
4,5
20,25
200,0
512,1000
0,114
0,029
0,010
38
4,0
16,00
222,2
648,2000
0,102
0,023
0,008
39
3,5
12,25
256,4
846,6000
0,089
0,018
0,006
É uma figura aproximada, já que depende da espessura do isolante que envolve o fio.
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Materiais Elétricos
2.
700 CM por ampère é uma valor adequado para o projeto de pequenos transformadores, no entanto, valores de 500 a 1000 CM também podem ser usados. Especial cuidado deve ser tomado quando não há ventilação ou o ambiente é confinado. Neste caso o calor gerado poderá reduzir a vida útil dos componentes.
3.
Mils: milésimo da polegada
4.
Circular Mil, CM, é uma unidade de área, igual à de um círculo cujo diâmetro é de um milésimo da polegada (π/4 mils quadradas). A área CM de um fio é o quadrado de seu diâmetro em mil. A tabela 10 abaixo apresenta a especificação de fios, em mm2, em função da carga para tensão monofásica de 127 VCA.
O exemplo mais comum de cabo paralelo é o cordão de alimentação de eletrodomésticos. Serve para transportar energia na faixa de 60 Hz. Seu diâmetro é função da corrente circulante. Aparelhos de ar condicionado, microondas, chuveiros elétricos, máquinas de lavar louça e máquinas de lavar roupa consomem elevados níveis de energia, requerendo portanto elevados níveis de corrente. Vários incêndios foram iniciados, com perdas materiais e de vidas humanas porque não foi respeitado o nível máximo de corrente suportado pelos cabos de alimentação e tomadas. Jamais instale um equipamento destes em sua casa sem verificar primeiro se o diâmetro do fio é adequado e se existe um circuito limitador de corrente eficiente, como por exemplo um disjuntor, ou para o caso específico do chuveiro elétrico, um relé diferencial. Apresentaremos a seguir os diversos tipos de cabos telefônicos empregados.
Tabela 11: Especificação de cabos Aparelho Chuveiro
Torneira elétrica
Ar condicionado
Disjuntor(A)
Fio (mm2)
40
6,0
50
10,0
2.500
25
2,5
3.200
30
4,0
até 1.000
10
2,5
7.500 a 10.000 BTU
15
2,5
10.001 a 14.000 BTU
25
2,5
10
2,5
1.200 VA a 1.500 VA
15
2,5
1.501 VA a 2.000 VA
20
2,5
2.001 VA a 2.500 VA
25
2,5
2501 VA a 2.800 VA
30
4,0
15
2,5
10
2,5
Característica (W) 4.400 a 5.400
Geladeira / freezer Lava – louça
Micro ondas
Lavadora de roupas Manoel Gibson Maria Diniz Navas
600 VA a 1.000 VA
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Materiais Elétricos
1.001 VA a 1.200 VA
15
2,5
4000 W
40
6,0
5000 W
50
10,0
15
2,5
Secadora de roupas
Ferro elétrico
2.5 Cabos Telefônicos Os cabos telefônicos possuem diversos pares de fios, de algumas dezenas a alguns milhares. A fim de que consiga identificar um determinado par de uma ligação, é empregado um código de cores. Os cabos são divididos em cinco gamas e seis cores. O código de cores apresenta a seguinte identificação: 1: azul 2: laranja 3: verde 4: marrom (ou pardo) 5: cinza As gamas são identificadas como: 1a gama: branca 2a gama: vermelha 3a gama: preta 4a gama: amarela 5a gama: violeta Os pares são identificados pela seqüência gama-cor. Assim, os primeiros cinco pares são: 1o par ou par número 1: branco e azul 2o par ou par número 2: branco e laranja 3o par ou par número 3: branco e verde 4o par ou par número 4: branco e marrom (ou branco e pardo) 5o par ou par número 5: branco e cinza Considerando que existem apenas cinco gamas e cinco cores você deve estar se perguntando como identificar milhares de cabos. A resposta é: muito difícil! A cada 25 pares a seqüência se repete. A identificação é feita abrindo-se o cabo em camadas, de fora para dentro. Alguns fabricantes facilitam nossa vida e fazem amarrações. A tabela abaixo mostra as cores do pares de cabos de 1 a 100.
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Materiais Elétricos
Tabela 12: Código de cores - par telefônico Cores
Par
Par
Par
Par
Branca e Azul
1
26
51
76
Branca e Laranja
2
27
52
77
Branca e Verde
3
28
53
78
Branca e Marrom
4
29
54
79
Branca e Cinza
5
30
55
80
Vermelho e Azul
6
31
56
81
Vermelho e Laranja
7
32
57
82
Vermelho e Verde
8
33
58
83
Vermelho e Marrom
9
34
59
84
Vermelho e Cinza
10
35
60
85
Preto e Azul
11
36
61
86
Preto e Laranja
12
37
62
87
Preto e Verde
13
38
63
88
Preto e Marrom
14
39
64
89
Preto e Cinza
15
40
65
90
Amarelo e Azul
16
41
66
91
Amarelo e Laranja
17
42
67
92
Amarelo e Verde
18
43
68
93
Amarelo e Marrom
19
44
69
94
Amarelo e Cinza
20
45
70
95
Violeta e Azul
21
46
71
96
Violeta e Laranja
22
47
72
97
Violeta e Verde
23
48
73
98
Violeta e Marrom
24
49
74
99
Violeta e Cinza
25
50
75
100
A figura abaixo mostra algumas dessas amarrações para diversos cabos
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Materiais Elétricos
Figura 2: Distribuição de pares em cabos telefônicos
Os cabos telefônicos são terminados em blocos terminais. Dê uma olhada no seu prédio. Pergunte ao síndico, ou encarregado, onde fica o DG, como é conhecido o Distribuidor Geral. Lá você vai ver os cabos coloridos que entram e saem e os cabos laranja e preto, conhecidos como "jumpers"que fazem a interligação de entrada e saída dos blocos terminais. É muito provável, quase certo, que no seu andar exista uma pequena caixa que contém blocos terminais, semelhantes ao apresentado na figura abaixo.
Figura 3: Bloco de terminais
Os cabos saem do DG, vão até essas pequenas caixas terminais nos andares e daí para os apartamentos. Não se surpreenda se também descobrir alguns cabos coaxiais. A empresa distribuidora de sinais de TV via cabo tem autorização para usar a tubulação telefônica para passar os cabos de CATV. Os cabos paralelos são também largamente encontrados em redes telefônicas, na impedância de 600 ohms. Estes cabos são apropriados para o transporte de energia na faixa de freqüência da voz humana, não sendo adequados para o transporte de sinais digitais não modulados de média (acima de cerca de 100 kbps) ou alta velocidade, a média (acima de algumas dezenas ou poucas centenas de metros) ou longas distâncias. Os cabos telefônicos podem ser encontrados em cabos de apenas um par, como os que chegam em uma residência ou em cabos múltiplos de 2400 pares. Os cabos podem ainda ser para uso interno ou externo. Veremos a seguir as características básicas de alguns cabos telefônicos externos empregados em telefonia.
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Materiais Elétricos
Lembre-se que o sistema telefônico instalado foi originalmente desenvolvido para o tráfego de sinais de voz. Não era intenção o transporte de sinais digitais em alta velocidade. Na verdade, muitas das soluções para estender-se o alcance das ligações de voz ou de cancelamento de eco são extremamente prejudiciais ao tráfego de dados. Na próxima vez que for surfar na Internet lembre-se disso, antes de irritar-se com a lentidão da linha em baixar aquela imagem fantástica e cheia de cores. Leia seu contrato. A companhia telefônica se compromete em fornecer um serviço de voz. Os dados são por sua conta e risco. Os cabos telefônicos externos apresentados a seguir possuem em sua identificação a sigla "APL", caracterizando a capa de proteção externa. A sigla APL significa"Aluminium Polyethylene Laminated"ou laminação de alumínio e polietileno. A capa APL é constituída por uma lâmina de 0,2 mm de alumínio, recoberta em ambos os lados por uma película de 0,04 mm de polietileno, aplicada longitudinalmente sobre o núcleo do cabo. No conjunto assim formado é então extrudada uma cobertura de polietileno que em conseqüência do calor da aplicação, funde o filme de polietileno da lâmina de alumínio, fazendo com que o alumínio e o polietileno constituam uma única peça que limita fortemente a penetração de umidade. A capa APL é chamada de barreira de umidade. As vantagens da capa APL são as seguintes: a.
grande resistência à penetração de umidade;
b.
maior flexibilidade do que os antigos cabos de chumbo;
c.
mais leves, facilitando a tração, permitindo lances maiores e menor número de emendas;
d.
aumento da resistência à corrosão da capa;
e.
reduz o efeito de retração da capa de polietileno nas emendas;
f.
acrescenta segurança adicional contra indução eletrostática dos cabos de energia;
g.
apresenta grande resistência à pressão, tanto interna (pode se pressurizado), quanto externa;
h.
o menor peso facilita o manuseio das bobinas.
Tabela 13: Aplicações dos cabos APL Tipo CT-APL
CTP-APL
Construção
Uso
Isolação em papel e ar
Cabo tronco
Capa APL
Cabo primário
Isolação em polietileno ou polipropileno
Instalação Subterrânea em dutos
Subterrânea em dutos ou aérea
Capa APL CTP-APL-G
Isolação em polietileno ou polipropileno Capa APL - geleado
CTP-APL-AS
Isolação em polietileno ou polipropileno
Cabo secundário
Subterrânea em dutos ou diretamente enterrada Aérea
Capa APL - auto suportado
Apresentaremos a seguir os principais cabos empregados em ligações telefônicas externas. Manoel Gibson Maria Diniz Navas
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Materiais Elétricos
a)
CT - APL São constituídos por condutores de cobre nu, isolados com papel e ar, núcleo enfaixado com fita de papel e protegido com capa APL. A capa APL é formada de uma fita de alumínio politenada lisa, aderida à capa externa de polietileno preta. São indicados preferencialmente para instalações subterrâneas em dutos. São encontrados em cabos de 200 a 2400 pares, conforme o diâmetro desejado. A figura abaixo mostra uma visão geral de um cabo CT-APL
Figura 4: Cabo CT-APL
Observe que o isolamento entre os condutores é de papel. E como você bem sabe, papel adora beber água e ficar encharcado e cabos telefônicos odeiam ficar molhados porque começa haver perda do sinal e linhas cruzadas. A gíria empregada para dizer-se que entrou água no cabo é "o cabo bebeu". A figura abaixo mostra um corte em um cabo CT-APL. Observe a dificuldade de encontrar-se o par 79.
Figura 5: Cabo CT-APL, corte transversal
A tabela abaixo apresenta as principais características mecânicas e elétricas destes cabos.
Tabela 14: Características mecânicas dos cabos CT-APL a) CT-APL-40 (0,40 mm)
b) CTP-APL-65 (0,65 mm)
Número de
Diâmetro
Peso líquido
Acond.
Número de
Diâmetro
Peso líquido
Acond.
pares
externo
nominal
Bobina (m)
pares
externo
nominal
bobina (m)
nominal
(kg/km)
nominal
(kg/km)
35,0
1.690
(mm) 200
24,0
Manoel Gibson Maria Diniz Navas
725
500
200
500
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Materiais Elétricos
300
28,5
1.030
500
300
42,5
2.450
400
400
31,5
1.330
500
400
48,0
3.210
400
600
37,5
1.900
400
600
58,0
4.710
400
900
44,5
2.790
400
900
69,0
6.930
400
1200
50,0
3.640
400
1500
56,0
4.490
400
1800
60,0
5.340
400
2400
69,0
7.040
400
c) CT-APL-50 (0,50 mm)
d) CT-APL-90 (0,90 mm)
Número de
Diâmetro
Peso líquido
Acond.
Número de
Diâmetro
Peso líquido
Acond.
pares
externo
nominal
Bobina (m)
pares
externo
nominal
bobina (m)
nominal
(kg/km)
nominal
(kg/km)
(mm) 200
27,5
1.040
500
200
48,5
3.070
400
300
32,5
1.480
500
300
58,0
4.500
400
400
37,0
1.930
500
400
67,0
3.940
400
600
43,5
2.810
400
450
71,0
6.640
400
900
52,0
4.120
400
1200
60,0
5.430
400
Tabela 15: Características elétricas dos cabos CTP-APL Diâmetro do
Resistência elétrica
Capacitância mútua
Tensão entre
Atenuação a 800 Hz,
condutor
máxima do condutor em
nominal
condutores CC,
dB / km
mm
CC, ohms / km
nF / km
kV
0,40
147,2
50
0,55
1,7
0,50
94,0
50
0,55
1,4
0,65
55,8
50
0,55
1,1
0,90
29,3
50
0,75
0,8
Manoel Gibson Maria Diniz Navas
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Materiais Elétricos
b) CTS-APL São constituídos por condutores de cobre nu, isolados por uma camada de polietileno expandido revestida por uma película de polietileno sólido (foam-skin), núcleo enfaixado com material não higroscópico e protegido por uma capa APL. São indicados para instalações subterrâneas em dutos. Estão disponíveis em cabos de 10 a 3600 pares, nos diâmetros de 0,40 mm e 0,50 mm. c)
CTS-APL-G São constituídos por condutores de cobre nu, isolados com uma camada de polietileno expandido revestida por uma película de polietileno sólido, núcleo completamente preenchido com material resistente à penetração de umidade, enfaixado com material não higroscópico e protegido com capa APL. São indicados para instalações subterrâneas em dutos ou diretamente enterrados. Estão disponíveis em cabos de 0,40 mm e 0,50 mm, 10 a 2400 pares. rtyrtyrtytr
Figura 6: Cabo CTS-APL-G
d) CTP-APL-SN São constituídos por condutores de cobre estanhado, isolados com polipropileno, núcleo enfaixado com material não higroscópico e protegido por uma capa APL. São indicados para fabricação de cotos, para uso em armários de distribuição, caixas terminais e entradas de edifícios. Estão disponíveis em cabos de 0,50 mm, de 10 a 600 pares.
Figura 7: Figura 8: Cabo CTP-APL-SN
e)
CTP-APL São constituídos por condutores de cobre nu, isolados com polietileno ou polipropileno, núcleo enfaixado com material não higroscópico e protegido por uma capa APL. São indicados preferencialmente para instalações aéreas. Estão disponíveis em cabos de 10 a 600 pares, em 0,40 mm, 0,50 mm, 0,65 mm e 0,90 mm.
f)
CTP-APL-G
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São constituídos por condutores de cobre nu, isolados com polietileno ou polipropileno, tendo o núcleo preenchido completamente com material resistente à penetração de umidade, enfaixado com material não higroscópico e protegido por uma capa APL. São indicados preferencialmente para instalações subterrâneas em dutos ou diretamente enterrados. Estão disponíveis em cabos de 10 a 600 pares, em 0,40 mm, 0,50 mm, 0,65 mm e 0,90 mm. g) CTP-APL-AS São constituídos por condutores de cobre nu, isolados com polietileno ou polipropileno, núcleo enfaixado com material não higroscópico e protegido por uma capa APL. São indicados exclusivamente para instalações aéreas. Possuem auto-sustentação através de uma cordoalha de aço incorporada à capa externa. Estão disponíveis em cabos de 10 a 100 pares, em 0,40 mm, 0,50 mm, 0,65 mm e 0,90 mm. h) CTP-APL-ASF São constituídos por condutores de cobre nu, isolados com polietileno ou polipropileno, núcleo enfaixado com material não higroscópico e protegido por uma capa APL. Possuem auto-sustentação através de elementos de material dielétrico incorporados diretamente na capa externa. São indicados exclusivamente para instalações aéreas, em vãos de até 60 metros entre postes. Estão disponíveis em cabos de 10 a 100 pares, em 0,40 mm, 0,50 mm, 0,65 mm e 0,90 mm. i)
CCE São constituídos por condutores de cobre nu, isolados com polietileno ou polipropileno, com capa interna de polietileno ou copolímero preto, blindagem de fita de cobre, núcleo enfaixado com material não higroscópico e capa externa de polietileno ou copolímero preto. São indicados para uso externo enterrados, em ligações de assinantes, orelhões e cabines. Estão disponíveis em cabos de 2 a 6 pares, em 0,50 mm (CCE-50) e 0,65 mm (CCE-65)
j)
CCE-APL São constituídos por condutores de cobre nu, isolados com polietileno ou polipropileno, núcleo enfaixado com material higroscópico e protegido por uma capa APL. São indicados para instalações aéreas ou subterrâneas em dutos. Estão disponíveis em cabos de 2 a 6 pares, em 0,50 mm (CCE-APL-50) e 0,65 mm (CCE-APL-65)
k) CCE-APL-ASF São constituídos por condutores de cobre nu, isolados com polietileno ou polipropileno, núcleo enfaixado com material higroscópico e protegido por uma capa APL. Possuem auto-sustentação através de elementos de material dielétrico incorporados diretamente na capa externa. São indicados para instalações aéreas, em vãos de até 120 metros entre postes. Estão disponíveis em cabos de 220 pares, em 0,40 mm (CCE-APL-ASF-40), 0,50 mm (CCE-APL-ASF-50), 0,65 mm (CCE-APL-ASF-65) e 90 mm (CCE-APL-ASF-90). l)
CCE-APL-G São constituídos por condutores de cobre nu, isolados com polietileno ou polipropileno, tendo o núcleo preenchido completamente com material resistente à penetração de umidade, enfaixado com material não higroscópico e protegido por uma capa APL. São indicados preferencialmente para instalações subterrâneas em
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dutos ou diretamente enterrados. Estão disponíveis em cabos de 2 a 6 pares, em 0,50 mm (CCE-APL-G-50) e 0,65 mm (CCE-APL-G-65).
2.5.1.1 Cabos Telefônicos Internos Os cabos telefônicos internos são empregados dentro de edificações, protegidos da umidade. Apresentam como característica mais visível uma capa externa de cor cinza. Para a identificação dos pares emprega-se o mesmo código de cores apresentado para cabos telefônicos externos. a)
CI São constituídos por condutores de cobre estanhado, isolados em PVC, núcleo enfaixado com material não higroscópico, fio de continuidade de cobre estanhado (0,60 mm), blindagem coletiva com fita de alumínio e capa externa na cor cinza. São indicados para uso interno em centrais telefônicas e demais edificações. Estão disponíveis em cabos de 10 a 1200 pares, em 0,40 mm (CI-40), 0,50 mm (CI-50) e 0,60 mm (CI-60).
b) CCI São constituídos por condutores de cobre estanhado, isolados em PVC, núcleo enfaixado com material não higroscópico e capa externa de PVC na cor cinza. São indicados para uso interno em edifícios comerciais, industriais e outros. Estão disponíveis em cabos de 1 a 6 pares, com 0,5 mm. O cabo CCI-50-1-T é constituído por um par torcido junto com um fio terra de cobre estanhado de 0,50 mm de diâmetro nominal.
2.5.1
Fios Telefônicos Externos
Os fios telefônicos externos são cabos constituídos por um par de fios. A capa externa é mais resistente do que a empregada nos fios internos, já que é submetida a condições ambientais adversas tais como: chuva, trepidação, poeira, umidade, esforços mecânicos e ventos.
a)
FE São constituídos por dois condutores de liga de cobre paralelos isolados com material termoplástico. São indicados para instalações aéreas com derivação a partir das caixas de distribuição até as entradas de assinantes. Estão disponíveis nos diâmetros do condutor de 1,0 mm (FE-100, isolação de PVC) e 1,6 mm (FE160, isolação de PE).
Figura 8: Fio Telefônico externo FE
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b) FEB-D São constituídos por dois condutores de cobre estanhado, isolados em material termoplástico, torcidos, capa externa em material termoplástico9 contendo elementos de sustentação em material dielétrico incorporados à capa externa. São indicados para instalações aéreas como derivação a partir das caixas de distribuição até as entradas de assinantes. Estão disponíveis em cabos de 0,65 mm (FEB-D-65) e 90 mm (FEB-D-90). c)
FEB-M São constituídos por dois condutores de cobre estanhados e isolados em material termoplástico, torcidos, capa externa em material termoplástico e elemento de sustentação metálico incorporado a capa externa. São indicados para instalações aéreas como derivação a partir das caixas de distribuição até as entradas de assinantes. Estão disponíveis em cabos de 0,65 mm (FEB-M-65) e 0,90 mm (FEB-M-90).
2.5.2
Fio Telefônico Interno Os fios telefônicos internos são empregados no interior de edificações, sendo então protegidos de umidade
e esforços mecânicos. Apresentaremos alguns tipos de fios telefônicos internos. Embora este seja o nome empregado pela indústria, o correto seria chamar-se de cabos telefônicos internos. FI-60 É constituído por um par torcido de condutores de cobre estanhado e isolados com PVC. É indicado para uso interno na ligação de aparelhos domiciliares, instalações em tubulações ou fixados em rodapés. Está disponível em cabos de 0,60 mm (FI-60).
Figura 9: Fio Telefônico Interno, FI
Equipamentos telefônicos que seguem o padrão adotado nos EEUU, empregam um conector diferente do adotado no Brasil. O conector de telefonia mostrado abaixo, o RJ-11, é encontrado na maioria dos equipamentos telefônicos comprados nos EEUU ou que seguem a norma desse pais. Observe que nas ligações telefônicas residenciais geralmente são empregados apenas dois fios, ou seja o par número um, branco e azul. O correspondente nos equipamentos importados é o par verde e vermelho, na posição central do conector, conforme indicado na figura abaixo. Em sistemas que com dois pares de fio utilizam – se os pares branco e azul e branco e laranja. Ainda conforme indicado na figura abaixo os correspondentes são verde e vermelho, e amarelo e preto, respectivamente.
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Figura 10: Conector RJ-11 e código de cores.
O conector macho é ligado ao cabo do equipamento e o conector fêmea fica no "espelho" da parede. É possível encontrar-se no comércio adaptadores para que não seja necessário cortar-se o fio e fazer uma nova ligação, ao ligar-se um equipamento importado à um conector de parede nacional. Outro cabo telefônico comum de encontrar-se é o cordão espiralado. Este cordão pode ser adquirido a metro em lojas especializadas em equipamentos de telefonia. A ligação dos fios deste cabo ou do cabo de dois pares a um conector RJ-11, é realizada por meio de um alicate específico, normalmente conhecido como "alicate de crimpar". Considerando-se que existem outros conectores semelhantes, mas não compatíveis mecânicamente com o RJ-11 de 4 fios, como por exemplo, o RJ-11 de 6 fios, o RJ-45 ou o MMJ. Certifique-se de estar usando o alicate correto.
2.6
Cabos metálicos para redes locais O parâmetro básico que caracteriza a qualidade de uma rede de dados é a taxa de erros de bits. Em alguns
sistemas parâmetros como taxas de blocos errados e retardo também são empregados. O grande desafio da indústria é produzir cabos de baixo custo que permitam transportar elevadas taxas de dados sob longas distâncias. O limite distância x velocidade é função de características construtivas do cabo, como espaçamento entre os condutores, material condutor e dielétrico, torção entre os condutores e ambiente de trabalho. Este é o maior empecilho para a popularização de redes de dados de média e alta capacidade domiciliares. Cabos paralelos são muito susceptíveis à interferência, tanto gerando como sendo interferidos. Como vantagens tem - se o baixo preço e facilidade de emendas e conexões. Algumas características para o transporte de dados são melhoradas torcendo-se os pares de fios. Obtém-se assim o "par trançado" ("twisted pair", ou TP), tão empregado em redes locais. Atualmente empregam-se os cabos de categoria 5, que permitem tráfego em até 100 MHz, a curtas distâncias. Para distâncias superiores às encontradas dentro de um escritório podem ser utilizados repetidores. No entanto o número de repetidores e sua distância são limitados pela própria concepção da rede Manoel Gibson Maria Diniz Navas
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Ethernet. Melhorias adicionais incluem o processo de torção, o número de torções por centímetro, a disposição dos fios no cabo e emprego de blindagem. O cabo atualmente empregado em redes locais é o UTP (cabo torcido não blindado, "unshielded twisted pair"), categoria 5 ou UTP CAT.5. É um cabo de bitola AWG 24, isolamento de PE, com 4 pares, impedância nominal de 100 ohms e adequado para uso em redes locais de até 100 Mbps. A capacitância mútua entre um par é de no máximo 5,6 pF / 100 metros.
Figura 11: Cabo UTP
A tabela abaixo apresenta os valores limites de atenuação para cabos de rede local, categoria 5.
Tabela 16: Atenuação em dB/100 metros Normas ANSI/TIA/EIA 568 A, cabos paralelos para redes locais. Freqüência, MHz
Atenuação, dB/100 m
1,0
1,8
10,0
6,6
62,5
17,1
100,0
22,1
A indústria oferece atualmente cabos que excedem a especificação acima, operando a até 400 MHz, com uma atenuação de 42 dB/100 m, nesta freqüência. Outros parâmetros empregados para caracterizar este tipo de cabo são o SRL (perda de retorno estrutural), o Next, o Power Sum Next e o ACR Power Sum Next. Os cabos de dados são caracterizados pelos seguintes parâmetros: a)
Atenuação: expressa em dB/100 metros, é a perda de potência que o sinal sofre ao longo do caminho entre o transmissor e o receptor, quanto maior o valor da atenuação maior é a perda;
b) SRL: perda de retorno estrutural, expressa em dB, é a imunidade à reflexão do sinal transmitido que um cabo apresenta. Esta imunidade previne o enfraquecimento do sinal original pelo sinal refletido. Quanto maior o valor da SRL melhor será o cabo, pois o cabo chegará com mais potência ao receptor; c)
NEXT: é a imunidade á interferência que um sinal trafegando em um par recebe dos outros pares. Esta interferência distorce o sinal recebido e aumenta a taxa de erro; quanto maior o valor, maior a imunidade e melhor o cabo;
d) ACR: expressa em dB, é a medida conjunta da perda de potência por atenuação da magnitude do sinal associada à distorção na qualidade deste sinal. A diferença entre o valor de NEXT e do valor da Atenuação define então o ACR. Quanto maior o valor do ACR maior a capacidade de transmitir o sinal com menor taxa de erro de bits. Manoel Gibson Maria Diniz Navas
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e)
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Power Sum Next: expresso em dB, é a imunidade à interferência que um sinal trafegando em um par recebe de todos os outros pares simultâneamente. A interferência distorce o sinal recebido e aumenta a taxa de erro. Quanto maior o valor do Power Sum Next maior a imunidade e melhor o cabo. Este parâmetro avalia a possibilidade de transmissão simultânea nos quatro pares do cabo.
f)
Desequilíbrio resistivo: diferenças entre as resistência dos condutores;
g) Desequilíbrio capacitivo: diferenças entre as capacitâncias dos cabos. Um outro tipo muito comum de cabo paralelo é encontrado dentro dos computadores pessoais. É o cabo plano, ou "flat-cable", adequado para taxas de algumas centenas de kbps, à distâncias de alguns centímetros. O diâmetro do fio é importante já que um fio com diâmetro maior (ou número AWG menor), apresenta uma menor atenuação à passagem dos sinais de dados. Isto se reflete na menor degradação do sinal e na possibilidade de maiores distâncias, respeitadas as normas específicas do sistema. Existem diversas alternativas para cabos de redes. É fundamental conhecer-se as características e as reais necessidades para uma escolha correta. O fator determinante para a necessidade de empregar-se um cabo blindado, de maior custo, é o ambiente de trabalho. Os cabos blindados são mais resistentes à interferência eletro-magnética, sendo adequados para ambientes com elevados níveis de ruído elétrico. Dentre as fontes de ruído encontradas em ambientes de escritório e fábrica citam-se: lâmpadas fluorescentes, máquinas elétricas, motores, geradores, compressores de ar condicionado, controladores de velocidade com tiristores, fotocopiadoras, máquinas de solda à ponto, motores de ar condicionado e de elevadores, computadores. A blindagem pode ser uma fina lâmina de alumínio ou uma teia de cobre trançado. Para escritórios ou comércio movimentados use o cabo com blindagem de lâmina. Para ambientes de fábrica ou com elevados níveis de ruído elétrico use o cabo com blindagem de cobre trançado. Para ambientes de escritórios mais tranqüilos, use cabo não blindado. a)
Cabos Riser e Plenum A preocupação com a segurança, particularmente incêndios em prédios, levou ao desenvolvimento de cabos
especiais. O cabo Riser é empregado dentro de colunas, já que possui um revestimento não combustível. Isto evita que o incêndio em um andar alastre-se para os andares superiores conduzido pela fiação. O cabo Plenum é empregado entre os andares de um edifício. Possui um revestimento retardante à chama. Adicionalmente, a fim de evitar perdas humanas por envenenamento, não emite gases tóxicos quando é queimado.
b) Condutor retorcido e condutor sólido Os cabos com condutor retorcido são mais maleáveis, permitem re-instalação e são adequados para ambientes de constantes mudanças, para ligação entre os equipamentos e as tomadas nas paredes. A atenuação é mais elevada. Daí a restrição de distância. O cabo sólido apresenta menor atenuação e é indicado para interligar-se os gabinetes de cabeamento. Um condutor sólido apresenta severas restrições para dobras e raios de curvatura. Não é adequado para re-instalação. É adequado para instalações horizontais, apoiado em alguma superfície.
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2.7
Cabos coaxiais Os cabos coaxiais apresentam melhores características de atenuação e largura de banda, quando
comparados com os pares paralelos. Como desvantagem tem-se o custo mais elevado, maior peso e maiores raios de curvatura, o que fazem sua instalação mais demorada e de maior custo. Adicionalmente à instalação do cabo, a cada terminação precisamos instalar conectores, normalmente soldados, para melhor fixação mecânica e contato elétrico, uma complicação a mais. A emenda em cabos coaxiais, caso não sejam empregados conectores, implica em alteração da impedância característica, com o conseqüente aumento dos níveis de atenuação e risco de eco. Com a crescente popularização dos sistemas de TV a cabo, o custo deste material tem-se reduzido. No entanto, em instalações domiciliares emprega-se material de baixa qualidade e conectores "crimpados", ou seja fixados por pressão empregando-se uma ferramenta especial, o alicate de crimpar. A razão é a imperiosa necessidade de instalações de baixo custo. Estes mesmos sistemas, quando da instalação externa, empregam cabos com características de baixa atenuação, boa resistência mecânica e conectores soldados protegidos do meio ambienta com fita de fusão. Os cabos são instalados subterrâneamente ou em postes. A fim de evitar-se esforço mecânico, os cabos coaxiais são suportados por cabos de aço, denominados "cabos mensageiros". A mesma técnica é empregada em pares de cabos telefônicos instalados em postes
Figura 12: Cabo coaxial
A atenuação de diversos cabos coaxiais em função da freqüência é mostrada na figura abaixo.
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Figura 13: Cabnos coaxiais - atenuação X freqüência
Na figura acima é mostrado a variação da atenuação com a freqüência. De forma geral, cabos coaxiais com maior diâmetro tendem a apresentar menores valores de atenuação, sendo por isso empregados em lances com maior comprimento. São menos flexíveis e mais pesados. Cabos coaxiais mais finos tendem a apresentar menor peso, maior flexibilidade porém maior atenuação, sendo empregados em curtas distâncias ou em instalações terminais (ponta final). A trança do cabo coaxial deve ser o mais “fechada” possível, para reduzir irradiação do sinal e reduzir o valor da atenuação. Ao comprar um cabo coaxial para TV a cabo por exemplo, atente para este detalhe. A tabela a seguir fornece o valor de atenuação para diversos tipos de coaxiais encontrados no comércio, em função da freqüência de trabalho, para um comprimento de 100 pés ("feet"). O diâmetro é especificado em polegadas.
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Tabela 17: Atenuação em dB por 100 pés - cabos coaxiais Tipo
Diâmetro 150 MHz 220 MHz
450 MHz
900 MHz
1,5 GHz
2 GHz
5,8 GHz
LDF6-50
1,550"
0,34
-
0,617
0,907
1,22
1,45
2,5
LMR-1700
1,670"
0,347
0,427
0,427
0,632
1,27
1,50
-
Helliax LDF5
1,090"
0,458
-
0,834
1,23
1,66
1,97
-
LMR-1200
1,200"
0,481
0,589
0,864
1,26
1,69
1,99
-
LMR-900
0,870"
0,619
0,755
1,10
1,60
2,12
2,49
-
LMR-600
0,590"
0,964
1,18
1,72
2,50
3,31
3,90
7,3
HELIAX FSJ4
0,630"
0,845
-
1,51
2,20
2,93
3,45
-
LMR-500
0,500"
1,22
1,49
2,17
3,13
4,13
4,84
-
HELIAX FSJ4
0,520"
1,29
-
2,32
3,38
4,50
5,31
-
LMR-400
0,405"
1,5
1,8
2,7
3,9
5,1
6,0
10,8
Beldon 9913
0,405"
1,6
1,9
2,8
4,2
5,6
6,7
13,8
Ultra-Link
0,405"
1,5
-
2,7
4,19
-
6,7
-
RG213 / RG214
0,405"
2,8
3,5
5,2
8,0
10,1
15,2
28,6
HELIAX FSJ1
0,300"
2,23
-
3,93
5,69
7,47
8,73
-
LMR-240
0,240"
3,0
3,7
5,3
7,6
9,9
11,5
20,4
ProFlex 800
0,242"
-
-
7,8
-
-
-
-
Beldon RG8X
0,242"
4,7
6,0
8,6
12,8
15,9
23,1
40,9
LMR-200
0,195"
4,0
4,8
6,9
9,9
12,9
15,0
-
Ultra-Link
0,195"
5,1
-
9,5
14,0
-
36,0
-
RG-58
0,195"
6,2
7,4
10,6
16,5
21,1
32,2
51,6
LMR-100
0,150"
8,9
10,9
15,8
22,8
30,0
35,0
-
A série LDF é constituida por dielétrico espandido (esponjoso), condutores externos corrugados, mais conhecidos pelo nome comercial HELIAX, fabricados pela Andrew Corp. A série RG está disponível em diversos fabricantes. As tabelas abaixo apresentam algumas características mecânicas e elétricas de dois cabos do tipo Heliax, 50 ohms, retardante à chama, para aplicações de baixa potância e de cabos de aplicação geral em telecomunicações e informática.
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Tabela 18: Cabos do tipo Heliax - características FSJ1 - 50A
FSJ2-50A
1/4
3/8
0,067
0,12
Raio mínimo, mm
25
25
Tensão máxima, kg
68
95
Velocidade relativa de propagação, %
84
83
79,4
79,7
20400
13400
Tensão máxima de pico, kV
0,8
7,14
Potência máxima, kW
6,4
13,2
1600
2300
Indutância, µH/m
0,2
0,061
Resistência DC do condutor interno, ohms/km
9,8
4,23
Resistência DC do condutor externo, ohms/km
6,5
4,99
Atenuação, dB/100m, 30 MHz
3,22
2,14
Atenuação, dB/100m, 150 MHz
7,32
4,9
Atenuação, dB/100m, 450 MHz
12,9
8,73
Atenuação, dB/100m, 824 MHz
17,8
12,1
Atenuação, dB/100m, 1500 MHz
24,5
16,8
Atenuação, dB/100m, 2300 MHz
30,9
21,4
Atenuação, dB/100m, 4000 MHz
42,0
29,4
Atenuação, dB/100m, 6000 MHz
53,2
37,4
Atenuação, dB/100m, 10000 MHz
71,5
51,1
Característica Diâmetro externo nominal, polegadas Peso, kg/m
Capacitância, pF/m Máxima freqüência de operação, MHz
Tensão de ruptura DC, V
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Tabela 19: Cabos coaxiais de uso em telecomunicações e informática. Cabo
Zo,
VF,
Capacitância
Diâmetro
coaxial
ohms
%
pF/metro
externo, mm
Material dielétrico
Tensão máxima
Aplicação
de operação (RMS), V
RG-58
50
66
101
5,0
Polietileno
1900
Radiocomunicação
RGC-58
50
82
82
5,0
Polietileno C
900
Celular
RG-213
50
66
101
10,3
Polietileno
4500
Radiocomunicação
RGC-213
50
82
82
10,3
Polietileno C
500
Celular
RG-59
75
66
67
6,1
Polietileno
2300
Radiocomunicação
RGC-59
75
82
54
6,0
Polietileno C
400
CATV
RGC-11
75
82
54
6,9
Polietileno C
1000
CATV
RGE-62
93
66
47
6,6
Polietileno
750
Sistema IBM
Com exceção dos cabos RGC58 e RGC-213, que empregam Polietileno expanso ou expandido, os demais cabos empregam como isolante externo PVC, retardante à chama. Polietileno C; polietileno expanso, εr = 1,5, Vr = 0,82 Polietileno sólido: εr = 2,3, Vr = 0,66 VF: Velocidade de fase, expressa em porcentagem. As figuras abaixo mostram alguns tipos de cabos coaxiais. Observe o dielétricos.e a espiral em hélice.
Figura 14: Tipos de cabos coaxiais
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Uma característica dos cabos coaxiais é a capacitância por unidade de comprimento. A equação abaixo fornece o valor da capacitância em pF / m de cabos coaxiais.
C=
1000 × ε r D 18 × ln d
pF / m
Equação 3: Capacitância característica - cabo coaxial Onde:
C: capacitância, pF / m εr: constante dielétrica do meio; D: diâmetro externo, m; d: diâmetro interno, m. A figura abaixo apresenta as dimensões empregadas na equação acima e nas seguintes.
Figura 15: Cabo coaxial - dimensões
Apresentamos em seguida alguns valores de constantes dielétricas de materiais normalmente empregados como dielétricos em cabos coaxiais.
Tabela 20: Constante dielétrica - cabo coaxial Material PE sólido (polietileno)
2,3
PE Expanso
1,55
PTFE
2,1
PVC
3a6*
PE anti chama
2,3
Teflon FEP
2,15
(*): variável com a freqüência Manoel Gibson Maria Diniz Navas
Constante dielétrica, εr
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Embora o condutor central e a malha sejam geralmente de cobre o dielétrico pode variar, conforme mostrado na tabela acima. Veremos agora algumas características de tais dielétricos e as aplicações. •
Polietileno convencional, PE: e o material mais geralmente empregado como isolante. Tem baixo custo e boas características elétricas. Não é adequado para operação em ambientes cuja temperatura esteja acima de 80o C.O polietileno é inflamável, mas este risco é minimizado pela malha e pela capa externa do cabo de de PVC.
•
Polietileno expanso (“foamed”): é empregado em aplicações nas quais é necessário um baixo valor de constante dielétrica. A sua estrutura em forma de favo de mel leva a constantes dielétricas da ordem de 1,5. O polietileno pode ser trançado para aumentar a resistência.
•
Polietileno Retardante à Chama: os aditivos empregados para retardar a velocidade de propagação da chama podem alterar o valor da constante dielétrica do material.
•
Teflon FEP: este material apresenta excelentes características elétricas e pode operar em temperaturas de até 200o C. Sua baixa constante dielétrica permite sua aplicação em cabos coaxiais miniatura. Outra característica do cabo coaxial é a “Impedância Característica”, que é a medida de oposição ao fluxo
de corrente alternada. É essencial um perfeito casamento entre o gerador, a linha de transmissão e a carga para o máximo de transferência de energia. Ou seja, devemos buscar que a impedância do gerador, do cabo coaxial e da carga sejam idênticas, caso puramente resistivas. A impedância característica pode ser calculada a partir de:
Z=
D × Ka × log10 εr d ×K
138
Ω
Equação 4: Impedância característica - cabo coaxial Onde:
Z: impedância característica, em ohms; εr: constante dielétrica do isolamento; D: diâmetro externo, em m; d: diâmetro interno, em m; K: fator de correção do efeito de encordoamento; Ka: fator de correção do efeito de trança ou corrugação. Os valores de Ka e K são mostrados nas tabelas abaixo.
Tabela 21: Parâmetro K
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Número de fios do encordoamento
K
1
1
7
0,95
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Materiais Elétricos
Número de fios do encordoamento
K
19
0,97
37
0,98
61
0,985
91
0,988
Tabela 22: Parâmetro Ka Tipo de construção
Ka
Trançado
1,5 a 3
Liso
1
Corrugado
1,1 a 1,3
A velocidade de propagação expressa a velocidade de propagação do sinal de RF através do dielétrico do cabo. Pode ser expressa como velocidade em m/s ou da maneira mais usual como velocidade relativa e relação à velocidade de propagação da luz no vácuo, que é 3x108 m/s. A velocidade relativa de propagação em dielétricos é dada por:
vp =
100
εr
em %
Equação 5: Velocidade relativa de propagação
Onde:
vp: velocidade relativa, em porcentagem; εr: constante dielétrica do isolamento. A tabela abaixo apresenta a velocidade de propagação relativa de alguns materiais normalmente empregados como dielétricos em cabos coaxiais comerciais.
Tabela 23: Velocidade de propagação relativa
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Material de isolamento
vp %
PE sólido
66
PE anti Chama
62
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Materiais Elétricos
Material de isolamento
vp %
PE Expanso
87
PTFE Sólido
69,5
PTFE Expanso
80
Ar com suporte em hélice de PE (*)
95
A partir da velocidade de propagação podemos determinar o retardo provocado por uma linha de tansmissão, como o cabo coaxial. Neste caso o retardo, expresso em nano segundo por metro é dado por:
∆=
εr 30
ns / m
Equação 6: Retardo de proagação Onde:
∆: retardo em ns/m; εr: constante dielétrica do material.
A indutância é a propriedade de um elemento de circuito de oposição à variação da corrente, em amplitude e sentido, provocando atrasos relativos da corrente em relação à tensão.A expressão abaixo determina o valor da indutância em micro H.
LµH / m = 0,2 × log10
D × Ka d ×K
µH / m
Equação 7: Indutância característica - cabo coaxial
2.8
Cabos ópticos Os cabos ópticos são formados por fibras ópticas. A fibra óptica é construída a partir do silício, em finos fios
transparentes que conduzem a energia eletromagnética em freqüências próximas da luz. Como características da fibra óptica citam-se: pequenas dimensões e baixo peso, grande capacidade de transmissão e baixa atenuação, imunidade à interferência, ausência de diafonia ( linha cruzada).
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Como desvantagens citam-se: custo mais elevado do metro linear, maior fragilidade à curvatura, maior dificuldade de instalação, requer ferramentas de maior custo, as emendas requerem máquinas espaciais de fusão, de alto custo e pessoal especializado. A figur abaixo mostra o diâmetro relativo das fibras ópticas em relação ao buraco de uma agulha.
Figura 16: Fibra óptica
Assim, embora o custo de aquisição da fibra possa comparar-se ao de uma instalação com cabo coaxial, qualquer problema de cabo partido ou remanejamento de instalações inevitávelmente acarretará em maior custo. A fibra ótica é a tecnologia indiscutível para tráfego terrestre e submarino de longa distância e banda larga. A crescente demanda por serviços multimídia, tem trazido a fibra ótica para os escritórios. As fibras óticas são classificadas em monomodo (menor atenuação, maior custo), e multimodo. A tabela abaixo apresenta os valores de duas fibras óticas, fabricadas pela Pirelli, a fibra ótica monomodo SM-9/125, com perfil do índice de refração em degrau, aplicação em redes tronco urbanas e interurbanas, operando a 2,5 Gbps com repetidores a cada 80 km e a fibra ótica multimodo MM-62,5/125, com índice gradual, e aplicações em telefonia, redes de distribuição e redes locais para dados, voz e vídeo.
Tabela 24: Características das fibras SM e MM Fibra Ótica Monomodo SM- 9 / 125
Fibra Ótica Multimodo MM-62,5 / 125
Atenuação a 1310 nm, dB/m
0,34 a 0,50
Atenuação a 850 nm, dB/m
2,4 a 3,5
Atenuação a 1550 nm, dB/km
0,21 a 0,30
Atenuação a 1300 nm, dB/km
0,6 a 1,5
Comprimento de onda de corte, nm
1150 - 1330
Largura de banda a 850 nm, MHz.km
200 - 1000
Largura de banda a 1300nm, MHz.km
600 - 1200
A tabela abaixo apresenta as características de um cabo ótico comercial para uso interno, O Fiber-Lan, fabricado pela Furukawa. Sua aplicação é em sistemas de cabeação estruturada para back-bones de interligações verticais entre armários de distribuição principal e de andares ou atendimento à áreas de trabalho em sistema FTTD (fiber to the desk), interligação entre as salas de entrada e de equipamentos em edifícios e locais com elevada interferência eletromagnética em ambientes fabris próximos às máquinas elétricas de grande potência e usinas. Manoel Gibson Maria Diniz Navas
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É utilizada em de redes de dados convencionais e de altas velocidades como Fast Ethernet 100BaseX, FDDI, ATM 155 e 622 Mbps e Gigabit Ethernet 100Base SX, encontrados em backbones corporativos.
Tabela 25: Características dos cabos ótico Fiber - Lan Característica
Unidade
Valor
Raio mínimo de curvatura
mm
40
Carga máxima durante a operação
kgf
150
Lance padrão
m
2000
Diâmetro do núcleo
µm
62,5 ± 3
Abertura numérica
-
0,275 ± 0,015
Largura de banda para 850 nm
MHz . km
160
Largura de banda para 1310 nm
MHz . km
500
Atenuação máxima para 850 nm
dB / km
3,5
Atenuação máxima para 1310 nm
dB / km
1,5
A figura abaixo mostra uma máquina de emenda para fibra óptica.
Figura 17: Dispositivo de emenda por fusão
2.9 1.
Exercícios Determine a resistência de uma barra de cobre de seção reta circular, com 1,5 mm2 de área e 20 m de comprimento, a 25o C. A resistividade do cobre é igual a 1,6 x 10-6 cm2 / cm.
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2.
Determine a resistência de uma barra de cobre a 80o C, considerando que a 25o C a resistência desta barra é de 25 mΩ. O coeficiente médio de temperatura do cobre é igual a 0,004.
3.
Seu amigo resolveu fazer um conserto do lado de fora da casa. Para isso comprou uma extensão de tomada de fio de 1,5 mm2 e 20 metros de extensão. A máquina a ser ligada nesta extensão é um furadeira de 500 watts, 110 volts. Considerando uma perda de 10% na tensão aceitável, determine se a furadeira do seu amigo vai funcionar dentro da especificação.
4.
Determine a perda sobre um cabo, em kWh, ao longo de 30 dias, constituído por um par de barras de cobre de seção reta circular, com 1,5 mm2 de área e 15 m de comprimento, quando submetido à uma corrente de 10 ampéres. A resistividade do cobre é igual a 1,6 x 10-6 cm2 / cm.
5.
Determine a resistência de uma barra de cobre de seção reta circular, com 2,5 mm2 de área e 10 m de comprimento, a 25o C. A resistividade do cobre é igual a 1,6 cm2 / cm. Qual a corrente máxima nominal suportada por este cabo?
6.
Determine a resistência da haste de cobre do problema acima a 80o C. O coeficiente médio de temperatura do cobre é igual a 0,004.
7.
Determine a resistência de uma barra de cobre de seção reta circular, com 0,5 mm2 de área e 10 m de comprimento, a 25o C. A resistividade do cobre é igual a 1,6 cm2 / cm.
8.
Descreva três tipos de cabos telefônicos e suas respectivas aplicações.
9.
Compare os cabos coaxiais, pares metálicos e a fibra óptica.
10. Determine a resistência de uma barra de cobre a 60o C, considerando que a 25o C a resistência desta barra é de 15 mΩ. O coeficiente médio de temperatura do cobre é igual a 0,004. 11. Determine a resistência de uma barra de cobre de seção reta circular, com 4,0 mm2 de área e 10 m de comprimento, a 25o C. A resistividade do cobre é igual a 1,6 x 10-6 cm2 / cm. 12. Seu amigo resolveu fazer um conserto do lado de fora da casa. Para isso comprou uma extensão de tomada de fio de 2,5 mm2 e 10 metros de extensão. A máquina a ser ligada nesta extensão é um furadeira de 500 watts, 110 volts. Determine a perda no cabo. 13. Para os cabos empregados em telefonia especificados abaixo escreva a característica de aplicação: CTP-APL, CTP-APL-SN, CTP-APL-G, CTP-APL-AS, FE, FI. 14. Complete a tabela abaixo. Cabo
Aplicação / característica
CTP - APL CTP-APL-SN CTP-APL-G FE FI 15. Compare os cabos telefônicos paralelos, os cabos coaxiais e as fibras ópticas quanto à: instalação, manutenção, taxa de dados e expansão. 16. Compare os cabos telefônicos metálicos, a fibra óptica e o cabo trançado não blindado quanto à aplicação e vantagens e desvantagens. 17. Identifique e indique a aplicação dos seguintes cabos: CTP APLL – G, CTP APL – SN, CTP APL – AS, FE, CCI, FI. 18. Descreva as características principais de cinco cabos telefônicos de uso externo. Dê exemplos.
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Capítulo 3 - Resistores
3.1 Introdução O efeito de definição de um resistor é a "resistência", definida como a oposição à passagem de corrente elétrica, AC ou DC. A unidade é o ohm, cujo símbolo é o Ω. Os múltiplo e sub-múltiplos mais usuais são: m (mili, 10-3), k (quilo, 103), M (Mega). 106) e G (giga, 109). As equações que relacionam tensão sobre a resistência, a corrente que percorre a resistência e a potência dissipada sobre a resistência são: V = R.I e P = R. I2, onde a tensão é expressa em volts, a corrente em amperes e a potência em watts. As aplicações incluem: limitação de corrente, derivação e amostra de tensão, carga, polarização, constantes de tempo. Característica: resistividade Equação de definição: V = R.I Identificação: código de cores ou escrito no corpo do componente Tolerâncias mais usuais: ±5%, ±10% e ±20% Fabricação: fio, composição, filme Características de freqüência Tipos: fixos, variáveis e ajustáveis Aplicações: limitação de corrente, derivação de tensão, amostra de tensão, polarização Variação com a umidade Variação com a temperatura: positiva ou negativa, PTC ou NTC Variação com a intensidade luminosa: LDR Ligações: série e paralelo Limitação de corrente, de tensão, potência e temperatura Dispositivos modelados por resistores: condutores, cabos, terminais
3.2 Código de cores A fim de identificar-se os valores da resistência e da tolerância e devido ao reduzido volume de alguns resistores, foi estabelecido um código de cores, pintado na forma de anéis em torno do componente. A leitura inicia se pela cor mais à esquerda, com a indicação de tolerância mais à direita. A tabela abaixo apresenta o código de cores, com seus valores para os dígitos significativos, multiplicador e a tolerância do resistor.
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Tabela 26: Código de cores - resistores Cor
1o algarismo significativo 2o algarismo significativo
Multiplicador
Preto
0
0
1
Marrom
1
1
10
Vermelho
2
2
100
Laranja
3
3
1.000
Amarelo
4
4
10.000
Verde
5
5
100.000
Azul
6
6
1.000.000
Violeta
7
7
10.000.000
Cinza
8
8
100.000.000
Branco
9
9
1.000.000.000
Tolerância, ± %
Ouro
0,1
5
Prata
0,01
10
Sem cor
20
Um resistor de valor nominal 27000 ohms, 10%, apresenta um anel vermelho, seguido de um anel violeta, seguido de um anel laranja e de um anel cor de prata. O valor real desse resistor pode estar compreendido entre 24300 ohms (27000 - 10%) e 29700 ohms (27000 + 10%).
3.3 Valores e referências Os resistores empregados em circuitos de entretenimento ou de uso doméstico, são encontrados nas tolerâncias de 5%, 10% e 20%. Em circuitos de maior precisão podemos encontrar resistores de 1%, 2% ou até mesmo 0,1%. Resistores de precisão podem ser ajustados em fábrica empregando-se raios laser. O custo de tais resistores é superior aos de entretenimento. A tolerância mais empregada é a de 10%, equilíbrio entre custo e precisão. Os resistores são encontrados em valores padronizados, função de sua tolerância. Na tabela abaixo todos os valores estão disponíveis em ±5 %. Os marcados com "*" em ± 10%.
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Tabela 27: Série 5% e 10% 1,0 *
1,5 *
2,2 *
3,3 *
4,7 *
6,8 *
1,1
1,6
2,4
3,6
5,1
7,5
1,2 *
1,8 *
2,7 *
3,9 *
5,6 *
8,2 *
1,3
2,0
3,0
4,3
6,2
9,1
Tabela 28: Série 10% e variação nominal Valor nominal
Valor inferior
Valor superior
10
9,0
11,0
12
10,8
13,2
15
13,5
16,5
18
16,2
19,8
22
19,8
24,2
27
24,3
29,7
33
30,0
36,3
39
35,1
42,9
47
42,3
51,7
56
50,4
61,6
68
61,2
74,8
82
73,8
90,8
Valores comerciais para resistores de 10% são por exemplo: 1 Ω, 10 Ω, 100 Ω, 1000 Ω (ou 1 kΩ), 10000 Ω (ou 10 kΩ), 100000 Ω (ou 100kΩ), 1000000 Ω (ou 1 MΩ), 10000000 Ω (ou 10 MΩ). Alguns fabricantes escrevem o valor da resistência no componente. Neste caso podemos ler 2R7, para 2,7 Ω ou 18k para 18 kΩ.
3.4 Resistores em alta freqüência Os resistores de fio e filme por serem espiralados sobre uma base isolante, para apresentarem valores elevados são indutivos. Embora em baixas freqüências este efeito possa ser desprezado, acima de cerca de 500 kHz o efeito indutivo pode sobrepor-se ao efeito resistivo. Os resistores de composição são capacitivos, devido ao efeito Boella, entre as partículas de carvão.
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3.5 Tipos a)
variação de resistência: fixos, variáveis e ajustáveis. Os resistores fixos não são alterados pelo usuário ou pessoal de manutenção sem que haja destruição ou retirada de material resistivo. Os resistores variáveis destinam-se a controles usados pelo usuário, como por exemplo volume de áudio, nível de brilho na imagem da televisão ou controle contínuo de velocidade do ventilador. São encontrados segundo uma variação linear ou logarítmica. Os resistores variáveis lineares são empregados quando deseja-se uma variação linear de resistência com o deslocamento angular. Os resistores variáveis logarítmicos são empregados quando deseja-se compensar ou produzir uma resposta logarítmica. Uma aplicação é em controles de volume, já que a resposta auditiva é logarítmica. Os resistores variáveis podem ser associados a uma chave simples ou dupla, neste caso seria especificado um resistor variável, logarítmico com chave. Os resistores ajustáveis são fixados em sua posição e conseqüente valor em fábrica. Apenas o pessoal de manutenção deve alterar tais valores. Podem apresentar ajuste horizontal ou vertical. Os resistores variáveis e ajustáveis, pela existência de um eixo ou haste rotativa não são facilmente vedados. Devido ainda à forma de variação da resistência deslocando-se o cursor sobre o material resistivo, podem apresentar problemas quando empregados em sistemas sujeitos a aceleração, vibração ou pancadas.
b) fabricação: fio, composição e filme c)
montagem: convencional ou dispositivos de montagem em superfície (SMD)
d) variação com a temperatura: NTC e PTC e)
variação com a tensão: VDR
f)
variação com a intensidade luminosa: LDR. Os resistores sensíveis à luz ("light dependent resistor"), são na verdade dispositivos fabricados com material semicondutor.
g) dissipação térmica: com dissipadores, sem dissipadores. Resistores submetidos a elevados níveis de potência podem requerer ventilação forçada. Como a encontrada no painel traseiro dos micro-computadores domésticos, realizada por meio de uma ventoinha. Qualquer redução no fluxo de ar de refrigeração, acarretará aumento da temperatura interna com o conseqüente desgaste acelerado dos componentes e sua redução da vida útil.
3.6 Delimitação de potência A dissipação máxima de operação em um resistor é especificada pela sua potência de dissipação. Valores comerciais são: 1/16 W, 1/8 W, 1/4 W, 1/2 W, 1 W, 2W, 5W, 10 W e 20 W. Os resistores de menor potência (até cerca de 1/4 W), são menores em volume e peso e normalmente empregados em equipamentos portáteis de baixo consumo. Os resistores de maior potência são maiores em volume e normalmente fabricados em fio resistivo, enrolado sobre uma base isolante. São normalmente empregados para limitação de corrente, como por exemplo, em fontes de alimentação. Devido à sua montagem apresentam indutância, não sendo adequados para utilização em circuito de alta freqüência. Manoel Gibson Maria Diniz Navas
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Ao montar-se um circuito, deve-se observar a potência dissipada sobre os diversos componentes. A tabela abaixo apresenta valores de corrente máxima admissível em alguns valores de resistor.
Tabela 29: Intensidade máxima da corrente em mA 1/8 W
¼W
½W
1W
1
350
500
700
1000
10
110
158
224
315
100
35
50
70
100
1000
11
15,8
22,4
31,5
10000
3,5
5
7,1
10
100000
1,1
1,58
2,2
1000000
0,35
Resistência, Ω
Conforme a temperatura ambiente aumenta, a capacidade de dissipação do resistor diminui. Este efeito é conhecido como "de-rating".
3.7 Resistores de fio, especiais, ajustáveis e variáveis As figuras abaixo mostram resistores fixos e ajustáveis, com ajuste vertical, e montagem superficial. Observe a inexistência de lides.
Figura 18: Resistors ajustáveis SMD
Figura 19: Dispositivos de montagem em superfície (SMD) Manoel Gibson Maria Diniz Navas
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A figura abaixo mostra diversos tipos de resistores fixos. Observe a relaçao entre a potência máxima de dissipação e o volume do componente.
Figura 20: Resistores fixos
3.8 Coeficiente de temperatura da Resistência O coeficiente de temperatura da resistência, Temperature Coefficient of Resistance, TCR, indica a variação da resistência em função da variação da temperatura. O valor de referência é geralmente tomado como +25o C. A temperatura superior pode ser tão alta quanto +125o C e a mais baixa da ordem de – 55o C. A faixa de especificação depende da aplicação do componente. Como regra geral aplicações militares e astronáuticas costumam ser muito mais rigorosas do que as de entretenimento ou aplicações comerciais mais simples. Metais puros tendem a exibir elevados valores de TCR. O calor aumenta a atividade dos elétrons, provocando o aumento da resistência. Óxidos metálicos podem apresentar valores positivos ou negativos de TCR. De uma maneira geral observa-se que: - resistores curtos tendem a apresentar menores valores de TCR do que resistores compridos; - resistores com terminação de materiais condutivos ativos como a prata ou a prata-platina, apresentam TCR mais positivo do que resistores com terminações de condutores menos ativos, como o ouro ou a prata-paládio; - resistores finos apresentam TCR mais negativa do que resistores grossos. A TCR é obtida da seguinte equação:
R2 − R1 6 TCR = x 10 R ( T − T ) 1 2 1 Equação 8: Coeficiente de temperatura de resistor Manoel Gibson Maria Diniz Navas
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Onde:
TCR: coeficiente de temperatura da resistência, expresso em partes por milhão por oC (ppm/oC) R1: resistência à temperatura ambiente de referência (geralmente 25o C); R2: resistência na temperatura ambiente de operação; T1: temperatura ambiente de referência, quase sempre 25 oC; T2: temperatura ambiente de operação, oC.
3.9 Exercícios 1.
Complete a tabela abaixo:
Código de cores
Tolerância
Valor nominal 120 Ω, ±5%
Vermelho, violeta, marrom
Ouro
Laranja branco, azul
Prata 4,7 MΩ, ±10%
Cinza, vermelho, verde Verde, azul, amarelo
Sem cor 0,39 Ω, ±5% 6,8 Ω, ±20%
2.
Complete a tabela abaixo:
Código de cores
Tolerância
Valor nominal 180 Ω, ±5%
Amarelo, violeta, vermelho
Ouro
Azul, cinza, verde
Prata 3,9 MΩ, ±10%
Marrom, preto, preto Vermelho, vermelho, laranja
Sem cor 0,22 Ω, ±1% 68 Ω, ±20%
3.
Identifique os resistores pelos códigos de cores abaixo:
1a faixa
2a faixa
3a faixa
4a faixa
Vermelho
Violeta
Ouro
Ouro
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Valor e tolerância
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Azul
Cinza
Laranja
Prata
Marrom
Preto
Marrom
sem cor
4.
Forneça o código de cores dos resistores abaixo:
2700 Ω, ± 1%
560 Ω, ± 10%
0,2 Ω, ± 2% 5.
Identifique o código de cores dos resistores abaixo:
Valor
Código de cores
100 k ohms, +/- 10% 1,2 M ohms, +/- 20% 0,1 ohm, +/- 5% 6.
Escreva o código de cores dos resistores abaixo:
Valor nominal
Código de cores
12 kΩ, ± 5% 390 Ω, ±10% 4700 Ω, ±20% 5,6 MΩ, ±20% 7.
A um resistor de 100Ω, ±10%, é aplicada uma tensão de 12 V ±20%. Determine os valores máximo e mínimo de correntes esperados. Determine a potência deste resistor, considerando um de-rating de 100%.
8.
Qual a diferença entre um resistor fixo e um resistor ajustável?
9.
O que é um LDR? Cite uma aplicação.
10. O que é um NTC? Cite uma aplicação. 11. Determine o valor máximo de corrente em um resistor de 18 kΩ, 1/8 W, para manter a operação dentro do limite de potência nominal. Qual a queda de tensão correspondente? 12. Porque não é indicado empregar-se resistores de fio em altas freqüências? 13. Você recebeu a designação de especificar os resistores de uma placa de circuito impresso. Ao observar a placa você percebeu que nela existem resistores fixos, variáveis e ajustáveis. Monte uma tabela para especificar esses componentes, de modo que o pessoal de compras não fique a toda hora ligando para você pedindo informações. Resistor fixo Resistor variável Resistor ajustável 14. Porque não é indicado empregar-se resistores de fio em alta freqüências? 15. O que é o "de - rating" de potência em resistores ? 16. Determine a tensão máxima sobre um resistor de 120 ohms, 1/8 W, para que a especificação de potência não seja excedida. 17. O que é um PTC? 18. Dois resistores de filme espesso são usados na faixa de – 55o C a + 125o C. Os seguintes dados foram obtidos: Manoel Gibson Maria Diniz Navas
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Materiais Elétricos
Temperatura, oC
R1, ohms
R2, ohms
-55
100,240
300,480
-25
100,125
300,225
0
100,050
300,075
+25
100,000
300,000
+50
100,138
300,375
+75
100,250
300,825
+100
100,338
301,350
+125
100,500
301,950
a.
Determine o TCR de cada resistor ao longo da faixa de – 55o C a + 125O C;
b.
Determine o TCR de cada resistor ao longo da faixa de + 25o C a + 125O C.
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Capítulo 4 - Indutores
4.1 Introdução Os indutores são elementos reativos que armazenam energia no campo magnético. São constituídos por fios condutores, geralmente em enrolamentos. Vejamos algumas de suas características: Efeito: indutância Característica: reatância indutiva Unidade: henry Símbolo: H Múltiplo e sub-múltiplos mais usuais: µ, m Equação de definição: L = dφ / di Identificação: escrito no corpo de componente Fabricação: fio, deposição na placa de circuito impresso, guias de onda, núcleo a ar, moldado, núcleo ferro magnético, toroidal, EI, balun Tipo: fixo, variável , ajustável Aplicações: "by-pass" DC, bloqueio AC, filtragem, amortecimento de pulso, circuitos sintonizados, transformador elevador de tensão, transformador abaixador de tensão, transformador de núcleo saturado, transformador para fontes lineares, transformador para fontes chaveadas Tensão máxima Corrente máxima Corrente de saturação Dispositivos modelados por indutor: motores, reatores AC
4.2 Características e tipos Os indutores podem ser de núcleo de ar ou algum material como o ferrite ou outros materiais de elevada permeabilidade.
4.2.1
Indutores com núcleo de ar Uma vantagem dos indutores com núcleo de ar é a elevada capacidade de corrente sem saturação. Na
verdade a limitação de corrente é dada pelo fio da bobina. Para determinar a corrente máxima de utilização consulte uma tabela de corrente máxima x diâmetro do fio. Uma equação para o projeto de indutores a ar é apresentada abaixo:
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a2 × n2 L( µ ) = 9 × a + 10 × b Equação 9: Indutor com núcleo de ar Onde:
L: indutância, em micro henry; a: raio da bobina, em polegadas; b: comprimento da bobina, em polegadas; n: número de espiras. A figura abaixo mostra as dimensões do indutor de núcleo de ar a serem aplicadas na equação acima.
Figura 21: Indutor com núcleo a ar 4.2.2
Indutores com núcleo de ferro O pó de ferro é empregado como núcleo em circuitos de RF devido à estabilidade, resposta de freqüência,
elevado “Q” e reduzida tolerância da permeabilidade. Em indutores de ferrite pode-se usar o parâmetro Al, um parâmetro que relaciona a permeabilidade e as dimensões do indutor. O número de espiras pode ser determinado à partir da equação abaixo:
Numero de Espiras =
Indutância em nH AL ( nH / n 2 )
Equação 10: Indutor com núcleo magnético
4.3 Transformadores a.
Transformadores para AC
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A seção reta de um transformador deve ser projetada de modo a evitar a saturação do núcleo. Para um determinado núcleo, a excitação AC máxima em operação é dada por:
B, gauss
E RMS × 10 8 = 4,44 × f Hz × n p × Ae ,m 2
Equação 11: Fluxo máximo em transformador Onde:
B: densidade de fluxo em Gauss; Ae: área equivalente do percurso magnético, em polegadas quadradas; Erms: tensão aplicada; np: número de espiras; fHz: freqüência de operação em Hz. Os valores de fluxo de saturação vão de 1000 a 4000 gauss, em componentes comerciais mais comuns.
b.
Transformadores banda larga para RF
No projeto de transformadores de banda larga a reatância mínima dever ser cerca de quatro vezes a impedância da fonte. A indutância é função do quadrado do número de espiras, da permeabilidade relativa do material e da relação entre a área do núcleo e o percurso magnético, conforme mostrado na equação abaixo.
L, nH
4 × π × µr × A × n 2 = l
Equação 12: Indutância – banda larga Onde:
µr: permeabilidade relativa do material; A: área do núcleo; L: comprimento do percurso magnético n: número de espiras. Na tabela abaixo tem - se alguns tipos de núcleo de pó de ferro e a respectiva permeabilidade relativa;
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Tabela 30: Características de núcleos de ferro Tipo de pó de ferro
Permeabilidade relativa
Freqüência de utilização
Carbonyl GQ4
35
0,02 a 1 MHz
Carbonyl C
20
0,15 a 3 MHz
Carbonyl J
9
3 a 40 MHz
Carbonyl w
6
15 a 100 MHz
Óxido sintético
4
30 a 250 MHz
As figuras abaixo mostram alguns indutores.
Figura 22: Indutores e núcleos
4.4 Materiais magnéticos O magnetismo é fundamental na geração de corrente elétrica. Motores, geradores, eletro-imãs, relés, leitores e gravadores de mídia magnética (computadores) empregam princípios do eletromagnetismo. Os materiais que sofrem ação da força magnética são chamados de magnéticos e ferro magnéticos. O mais antigo exemplo conhecido de material magnético é encontrado na natureza e foi inicialmente descoberto na Grécia antiga, na cidade de Magnésia, daí o nome magnetita (O4Fe3). Os imãs são materiais que apresentam a capacidade de exercer força magnética, através das linhas de fluxo magnéticas. Tais linhas são orientadas do pólo norte para o sul na parte exterior do imã e do pólo sul para o norte na parte inferior. As linhas de fluxo magnéticas, diferentes das linhas de fluxo elétrico são fechadas. Até hoje não se encontrou evidências da “carga elementar magnética”. No campo elétrico a carga elementar elétrica é o elétron. Manoel Gibson Maria Diniz Navas
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Veremos a seguir algumas características dos materiais magnéticos e como podem ser aproveitadas. a)
Retentividade: é a maior ou menor capacidade de um material reter o magnetismo. O aço, por exemplo, possui maior retentividade do que o ferro doce;
b) Relutância: é a oposição ao estabelecimento do fluxo no circuito magnético. Apenas como referência pense na resistência e sua oposição à passagem de corrente elétrica e você poderá estabelecer uma analogia. A Relutância pode ser obtida á parir das características magnéticas e geométricas do material, conforme mostrado na equação abaixo:
ℜ=
l µ×A
Equação 13: Relutância Onde:
R: relutância, em henry-1; L: comprimento do material, m; A: área da seção reta, m2;
µ: permeabilidade do material, henry/m. c)
Permeância: é a recíproca da relutância (análogo à condutância).
d) Permeabilidade: é a característica do material quanto à maior ou menor facilidade de se deixar atravessar pelo fluxo magnético circulante, opondo-se em maior ou menor grau à orientação das moléculas. A permeabilidade é função da temperatura e da intensidade de campo magnético aplicado. e)
Densidade de fluxo: relação entre ao fluxo, expresso em weber, Wb, e a área da seção reta , em m2, atravessada por esse fluxo, expressa pela equação abaixo:
B=
φ A
Equação 14: Densidade de fluxo magnético Onde:
B: densidade de fluxo magnético, Wb/m2; Ø: fluxo magnético, Wb; A: área da seção reta, m2.
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f)
Intensidade de campo magnético: relação entre a densidade de fluxo no material e sua permeabilidade. É dado por:
B=µ×H Equação 15: Intensidade de campo magnético Onde:
B: densidade de fluxo, Wb/m2; H: intensidade de campo magnético, ampére/metro, A/m;
µ: permeabilidade do material, H/m. g) Permeabilidade relativa: a permeabilidade do vácuo é dada por:
µ o = 4 × π × 10 −7
H /m
Equação 16: Permeabilidade do vácuo
A permeabilidade dos demais materiais geralmente é referenciada à permeabilidade do vácuo, no que é chamada de “permeabilidade relativa”, dada por:
µ = µo × µ r Equação 17: Permeabilidade relativa Onde:
µ: permeabilidade do material, H/m; µo: permeabilidade do vácuo, H/m; µr: permeabilidade relativa do material, adimensional. A permeabilidade de um material magnético é dada por:
M µ = µo + H Equação 18: Permeabilidade versus polarização magnética Onde:
µ: permeabilidade do material, H/m; µo: permeabilidade do vácuo, H/m; Manoel Gibson Maria Diniz Navas
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H: intensidade de campo magnético, A/m; M: polarização magnética, A/m. A permeabilidade do ar é normalmente considerada como a permeabilidade do vácuo. Quanto à permeabilidade os materiais podem ser classificadas como: indiferentes, diamagnéticos, paramagnéticos e ferro magnéticos.
•
Materiais Indiferentes Estes materiais não provocam alteração das linhas de fluxo, são “transparentes” para o fluxo magnético.
Como exemplos temos o ar, plásticos, madeiras, nylon e cobre. Para estes materiais a permeabilidade relativa é igual a 1.
•
Materiais Diamagnéticos Estes materiais afastam ligeiramente as linhas de fluxo que os interceptam. A permeabilidade relativa do
material é um pouco menor do que 1. Por exemplo: Ouro, µr = 1 – 35 × 10−6 Mercúrio, µr = 1 – 12 × 10−6 Prata, µr = 1 –20 × 10−6 Água, µr = 1 –175 × 10−6 Zinco, µr = 1 – 10 × 10−6 Bismuto, µr = 0,9999986 O bismuto apresenta uma variação em sua resistência elétrica quando atravessado pelo fluxo magnético, sendo por isso aproveitado em instrumentos de medição de campo magnético.
•
Materiais Paramagnéticos
Estes materiais tendem a concentrar ligeiramente as linhas de fluxo que os interceptam. A permeabilidade relativa é pouco maior do que 1. Por exemplo: Alumínio, µr = 1 + 22 ×10−6 Paladium, µr = 1 + 690 × 10−6 Platina, µr = 1 + 330 × 10−6 Oxigênio, µr = 1 + 1,5 × 10−6 Berílio, µr = 1,000000079 •
Materiais Ferromagnéticos ou Magnéticos Estes materiais provocam uma forte concentração das linhas de fluxo do campo que os intercepta. A permeabilidade relativa destes materiais é muito maior do que 1. Como exemplo de materiais temos. Cobalto, µr =60 Níquel, µr =50 Ferro fundido, µr = 30 a 800 Aço, µr =500 a 5000 Ferro de transformador, µr =5500
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Ferro puro, µr = 8.000 Metal um (76Ni + 1,5Cr + 4Cu + Fe), µr =100.000 h) Força Magneto Motriz: um solenóide ou um eletro imã pode ser feito à partir de um núcleo de ar ou material magnético e um enrolamento ou conjunto de espiras, normalmente sobre uma forma, através das quais faz-se passar uma corrente. A passagem de corrente cria um campo magnético, que pode ser concentrado caso o núcleo seja de material magnético. A força magneto motriz é obtida por:
f mm = N × I Equação 19: Força magneto motriz Onde:
fmm: força magneto motriz, ampére – espiras; N: número de espiras do enrolamento; I: corrente que percorre o enrolamento, ampéres. A relutância pode ser então definida à partir de :
f mm = φ × ℜ Equação 20: Força magneto motriz versus relutância Onde:
fmm: força ,magneto motriz, ampére-espiras;
Φ: fluxo magnético, Wb; R: relutância, A / Wb ou H-1.
i) Curva B x H: a figura abaixo mostra a relação entre B e H em um material magnético. Observe a não linearidade e a saturação. Na prática um entre ferro é feito para evitar-se a saturação. Em algumas situações de regulação de tensão a saturação é desejada.
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Figura 23: Curva B versus H
4.5 Exercícios 1.
Um indutor de 100 micro henry é submetido a uma rampa de corrente iniciando em 0 e estabilizando em 10 mili amperes após 10 mili segundos. Determine a tensão induzida no indutor, durante esse período de tempo.
2.
O indutor acima é constituído por 50 espiras. Um secundário com 500 espiras é enrolado com acoplamento cerrado. Determine a tensão no secundário durante a ocorrência da rampa.
3.
Um indutor de 47 micro henry é percorrido por uma corrente contínua de 100 mA. Determine a energia armazenada no campo magnético.
4.
O que é o fator de qualidade em um indutor?
5.
Determine o valor do indutor que ligado com um capacitor de 100 nF forma um circuito sintonizado em 1 MHz. Expresse o valor em micro Henry.
6.
Determine o número de espiras do primário para um transformador operando em 60 Hz, 110 volts, área do percurso de 2,5 polegadas quadradas e núcleo com densidade de fluxo máxima de 3500 gauss.
7.
Para o transformador acima determine o número de espiras no secundário para uma tensão de secundário de 12 volts.
8.
Projete um transformador 127 VCA/12 VCA,60 Hz, 25 W. O núcleo a ser empregado apresenta B de 2000 gauss e área de 3 cm2. Determine: a.
o número de espiras do primário;
b.
o número de espiras do secundário;
c.
a corrente máxima no secundário;
d.
a corrente máxima no primário para uma eficiência de 60%;
e.
a carga máxima no secundário.
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Capítulo 5 - Capacitores
5.1 Introdução Ao escolher-se um capacitor para uma determinada aplicação, diversos fatores devem ser considerados: • condições ambientais e operação: temperatura, umidade, vibração • condições elétricas: tensão de operação, corrente, ondulação CA ("ripple"), freqüência • faixa de valores: capacitância • custo • confiabilidade: vida útil Alguns dos parâmetros acima só "tomam vida" quando se considera os capacitores reais. Não aqueles ideais, sem perdas, invariantes sob quaisquer condições de operação. Este é o mundo real. Os itens a seguir vão mostrar a você alguns dos parâmetros mais importantes que caracterizam o capacitor real. Conhecê-los é reduzir a margem de falha e os conseqüentes custos de manutenção e substituição. Não se admite um profissional que não conhece o material com o qual trabalha. Muitos dos termos a seguir tem o equivalente no idioma inglês. Afinal, é muito provável que no dia em que você vá especificar um componente para aquisição, o manual ou catálogo esteja nesse idioma, portanto acostume-se. Efeito: capacitância Característica: reatância capacitiva Unidade: farad Símbolo: F Múltiplos e sub-múltiplos mais usuais: p, n, µ, m Equação de definição: C = Q / V Identificação: código de cores ou escrito no corpo do componente Tolerâncias mais usuais: ±10% e ±20% Fabricação: cerâmico, alumínio, papel, plástico, óleo Variação com a temperatura:PTC, NTC Tipos: fixos, variáveis e ajustáveis Aplicações: bloqueio DC, "by-pass" AC, filtragem, "sample and hold", constantes de tempo, correção de fase, circuitos sintonizados, correção do fator de potência Polaridade: polarizados e não polarizados Ligações: série e paralelo Limitação de tensão, corrente e potência Dispositivos modelados por capacitor: linhas paralelas, planos condutores paralelos, cavidades condutoras A figura abaixo mostra alguns tipos de capacitores.
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Figura 24: Capacitores - fixos e variável
Para o projeto de capacitores de placas em paralelo pode-se empregar a equação abaixo:
A C = ε. d Figura 25: Capacitância de placas paralelas Onde:
C: capacitância, em F ou seus submúltiplos;
ε: permissividade do dielétrico, em F / m; A: área de cada placa, em m2; d: distância entre as placas, em metros. A permissividade do dielétrico pode ser obtida multiplicando-se o valor da constante dielétrica do material, conforme mostrada na tabela 6, pelo valor da permissividade do vácuo, dado por:
ε = ε r × 8,84 × 10 −12 Equação 21: Permissividade de dielétrico Onde:
ε: permissividade do material; εr: constante dielétrica do material. Manoel Gibson Maria Diniz Navas
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5.2 Circuitos equivalentes Os componentes reais comportam-se diferentemente dos correspondentes ideais devido aos efeitos parasíticos e secundários. Os lides de um capacitor, dependendo da freqüência podem apresentar um valor de indutância que pode até mesmo sobressair no comportamento final deste componente. Assim, teríamos na verdade um "indutor com bloqueio AC", nessa freqüência. Estes mesmos lides poderiam apresentar uma resistência que em outra situação poderiam sobressair-se no comportamento geral do componente. Além dos efeitos devidos à realização mecânica, os processos de fabricação e os materiais empregados introduzem efeitos que tendem a afastar o comportamento do componente real daquele ideal. Se os lides e conectores podem apresentar efeitos de resistência e indutância em um capacitor, o dielétrico e o encapsulamento podem introduzir perdas, modeladas por resistências. A inclusão de todos os efeitos, função da freqüência, temperatura, umidade e tensão de trabalho, pode levar a modelos pouco práticos para aplicação na engenharia. O uso de ferramentas CAD, pode contornar o maior esforço computacional requerido ao considerar-se tais variações. Em aplicações mais imediatas pode-se empregar modelos ou "equivalentes" mais simples, mas ainda assim válidos. O modelo mais simples de um capacitor real é um "equivalente paralelo", ou seja, um capacitor ideal em paralelo com um resistor. Este resistor modela as perdas no dielétrico e outras que possam existir. O modelo é útil em baixas e médias freqüências, até cerca de 30 MHz (o limite é um pouco arbitrário). Quanto maior o valor do resistor em paralelo menores serão as perdas, e por conseguinte menor a perda de energia. Capacitores de maior qualidade apresentam baixas perdas. Um capacitor ideal apresenta uma resistência de perdas paralela igual a infinito e perda nula. A teoria dos circuitos nos mostra que qualquer circuito RC paralelo pode ser transformado em um circuito RC série equivalente. Ao transformarmos o circuito RC paralelo de nosso modelo de capacitor real em um circuito RC série, obtemos um capacitor série e um resistor série equivalentes. Essa resistência é denominada de Resistência Série Equivalente (ESR - equivalente series resistance). Um capacitor ideal apresenta uma ESR igual a zero. Conforme avançamos em frequência, o efeito indutivo dos lides começa a tornar-se perceptível. Esse efeito é colocado em nosso modelo por meio de um indutor em série, tanto no modelo série quanto no modelo paralelo. Este indutor é denominado de "Indutor Série Equivalente"(ESI - equivalent series inductance). Assim, um modelo simplificado de um capacitor real poderia ser constituído por um capacitor ideal em série com um indutor e um resistor ideais. Aplicativos profissionais de projeto em altas freqüências empregam modelos de capacitores bem complexos. Com seis ou oito componentes ideais associados, variando com a freqüência e temperatura.
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5.3 Tipos de capacitores 5.3.1
Capacitor Eletrolítico de Alumínio
Os capacitores eletrolíticos de alumínio ("aluminium eletrolytics") são largamente empregados devido à sua característica de elevada capacitância versus tensão, para um dado volume. Esta característica deriva-se do dielétrico empregado, uma fina camada de alumínio oxidada, de cerca de 10-9 cm de alumínio 99% puro. Ainda que o filme seja resistente, imperfeições na oxidação acarretam perdas elevadas. Adicionalmente, os capacitores eletrolíticos de alumínio apresentam elevada variação do valor nominal com a temperatura e limitada vida útil sob armazenamento e em operação. Com o tempo a tangente de perdas aumenta em até 50% e a capacitância reduz-se em até 10%. Caso mantido sem tensão aplicada, o filme óxido deteriora-se. Em resumo, estraga se usar e estraga se não usar.
5.3.2
Tântalo sólido Os capacitores de tântalo sólido ("solid tantalum") são formados por pó de tântalo sinterizado, encapsulados
em torno de um ânodo de tântalo, o que torna o conjunto rígido. Comparativamente aos capacitores de alumínio, apresentam um maior produto capacitância versus tensão, são mais estáveis com a temperatura e devido ao fato de serem herméticamente fabricados, são imunes à umidade. Apresentam ainda vida útil em operação e armazenamento superiores aos capacitores eletrolíticos. Apresentam elevado custo.
Figura 26: Capacitor eletrolítico
5.3.3
Tântalo úmido Os capacitores de tântalo úmido (wet-slug tantalum), apresentam a mais alta eficiência volumétrica e a
menor perda por produto capacitância versus tensão de todos os capacitores eletrolíticos. São fabricados a partir de um ânodo poroso (slug), imerso em um líquido eletrólito. A não ser que você vá trabalhar na NASA, na BOEING (indústria aero-espacial) ou em sistemas militares de defesa é pouco provável que veja um destes. Êles são muito bons e muito caros. Não, você decididamente não vai encontrá-los na Rua República do Líbano nem na Rua Santa Efigênia.
5.3.4
Folha de Tântalo Os capacitores de folha de tântalo (tantalum foil), apresentam características similares aos capacitores
eletrolíticos de alumínio, no entanto podem operar em temperaturas mais elevadas e possuem vida útil, de operação Manoel Gibson Maria Diniz Navas
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e armazenamento maiores. Como tudo na vida, qualidade vem acompanhada de preços mais elevados. Aqui não é exceção.
5.3.5
Eletrolíticos para aplicação em fontes de alimentação de computadores Os capacitores para aplicação em computadores (computer-grade eletrolytics), são de capacitores
eletrolíticos de alumínio de alta qualidade, empregados nos filtros das fontes de alimentação. Não adianta procurar na sua placa mãe. Você não vai encontrá-los ai. Procure naquela caixa blindada, onde a tomada de alimentação de corrente alternada é ligada. Cuidado, só faça isso na presença de um adulto ou responsável, e com cordão de alimentação desligado da tomada de parede. Os preços são moderados, e podem ser encontrados em valores elevados, 1 F por exemplo. Apresentam vida útil de operação e de prateleira um pouco maior do que os capacitores eletrolíticos de alumínio convencionais. Dica de manutenção: desconfie sempre dos capacitores eletrolíticos ao realizar uma manutenção. Especialmente se for um equipamento de áudio e apresentar aquele "ronco" característico de 60 Hz.
5.3.6
Dielétrico de Papel Os capacitores com dielétrico de papel ("paper dieletric") empregam uma fina folha de papel especial,
impregnada com óleo mineral ou PCB (os ambientalistas não gostam), o que reforça as características dielétricas do papel e mantém a umidade de fora. Folhas de metal ("metal foil") são empregadas em capacitores de papel de alta tensão e alta corrente. Capacitores de qualidade apresentam boa estabilidade de capacitância, no entanto o fator de dissipação aumenta conforme a temperatura se eleva. Os capacitores de papel metalizado ("metalized - paper") são fabricados a partir de uma folha de papel envolta por uma fina camada de zinco ou alumínio. São considerávelmente menores do que os de folha de metal, mas sofrem de pouca capacidade de operar com tensões de surto. Um minúsculo defeito no dielétrico pode resultar em um arco voltaico, que rápida e permanentemente destruirá o capacitor, curtando-o. Considerando-se que papel é um material de baixo custo e grandes quantidades são empregadas, os capacitores de papel, folha ou metalizados, são de relativamente baixo custo.
5.3.7
Filme Plástico Os capacitores de filme plástico "plastic - film") empregam uma fina camada de poliestireno, poliester,
Mylar, policarbonato, polisulfone ou polipropileno como dielétrico. De maneira análoga aos capacitores de papel, tanto construções de filme e folha ou filme metalizado são empregados. Os capacitores de filme plástico apresentam capacidade auto-regenerativa. O arco vaporiza a região em torno do ponto de ruptura elétrica removendo o curto. Assim quando o arco cessa, o capacitor volta a ser um circuito aberto novamente. Nem tudo são flores. No processo são geradas tensões que podem ser perturbadoras em circuitos digitais. Dica: em circuitos digitais empregue capacitores de filme plástico com especificação de tensão bem superior à tensão de trabalho na qual o circuito opera. Os capacitores de filme plástico são baratos, não polarizados e excelentes para aplicação em corrente alternada. Apresentam elevada resistência de isolação, baixo fator de dissipação, e particularmente em unidade de poliestireno, elevada eficiência volumétrica. Na verdade apresentam apresentam maior eficiência volumétrica do que unidades de papel, mica ou cerâmica. Se a preocupação é com temperatura, "Houston, temos um problema". Exceto pelo Teflon,
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os capacitores de plástico não são adequados para emprego sob temperaturas elevadas. Assim, embora o poliestireno seja estável com a temperatura, sua faixa de operação estende-se até apenas 85o C. Talvez você esteja pensando que 85o C é uma temperatura elevada, mas não é. Imagine a seguinte situação: um equipamento que deve operar exposto ao sol e deva ser vedado, por exemplo um transceptor de telecomunicações que pode operar em condições ambientais adversas, tais como, chuva (as de verão no Rio de Janeiro), pode eventualmente cair dentro da água e operar o dia inteiro com um sol de 41o C. Se o seu celular esquenta com cinco minutos de conversação, no ar refrigerado, já imaginou a temperatura INTERNA que nosso equipamento vai operar? Exatamente, pode ultrapassar os 85o C ! O polipropileno exibe boa estabilidade térmica até 105o C e o policarbonato pode operar até 125o C. Os capacitores de poliester (Mylar), são bem populares, por serem de baixo custo. No entanto, embora a maioria de suas características sejam muito boas, falham em um parâmetro importante: sua capacitância varia muito com a temperatura, quase tão ruim quanto um eletrolítico.
5.3.8
Capacitores de Mica Os capacitores de mica empregam a mica mineral natural como dielétrico. Técnicas de metalização são
empregadas para a fabricação destes capacitores. Originalmente empregava-se prata. Os capacitores de mica são confiáveis, estáveis particularmente amigos dos projetistas em alta freqüência. A mica é um material estável e fornece um Q elevado. No entanto, os valores são no máximo da ordem de 0,1 F. Valores mais elevados requerem unidades volumosas e de elevado custo.
5.3.9
Capacitores de Cerâmica Os capacitores de cerâmica ("ceramic") são outro tipo de capacitor amigo do pessoal de RF. Podem
substituir os capacitores de mica em freqüências até cerca de 1GHz. Não possuem a mesma estabilidade do Q que a mica possui. Podem ser encontrados em filtros de EMI / RFI (interferência eletromagnética/ interferência de radio freqüência), circuitos de "by-pass" (contorno, derivação), desacopladores. Se o seu problema é um circuito de Q elevado e elevada precisão de sintonia, escolha mica.
Figura 27: Capacitores cerâmicos
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5.4 Características construtivas
5.4.1
Ondulação AC Aplica-se quando o capacitor trabalho sob tensões contínuas e alternadas, como por exemplo fontes de
alimentação. A tensão de trabalho é então a soma da tensão contínua e da tensão alternada.
5.4.2
Absorção do Dielétrico Provoca imprecisões e distorção na forma de onda em circuitos osciladores não senoidais, temporizadores e
integradores. É devido à incapacidade do capacitor de retornar toda a carga inicialmente nele depositada. Parte da carga então "emsopa" o dielétrico.
5.4.3
Fator de Dissipação É expressa como uma porcentagem.
DF =
ESR × 100% = tan δ × 100% XC
Equação 22: Fator de dissipação Onde;
DF: fator de dissipação ("dissipation factor"); ESR: resistência série equivalente ("equivalent series resistance"); Xc: reatância capacitiva série; tan δ: tangente de perdas Em um capacitor ideal, o fator de dissipação a ESR e a tangente de perdas são iguais a zero. A DF varia com a temperatura, umidade e freqüência. Em capacitores não selados este fator degrada-se, ou seja, aumenta com a umidade. O comportamento com a freqüência é não linear.
5.4.4
Coeficiente de Umidade É devido às características de não vedação do capacitor. É expresso por:
HF =
2 × (C2 − C1 ) (C2 + C1 ) × ( ∆um rel )
Equação 23: Coeficiente de umidade
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Onde:
HF: coeficiente de umidade, "humidity coefficient"; C1: capacitância quando seco; C2: capacitância após a exposição à umidade;
∆um rel: variação na umidade relativa O coeficiente de umidade torna-se significativo em capacitores de pequenas dimensões até cerca de 250 pF, quando a umidade relativa excede 80%. O que aliás é comum no Rio de Janeiro.
5.4.5
Impedância A impedância de um capacitor pode ser aproximada por:
2
Z = ( ESR ) 2 + [X C − ( ESL )] Equação 24: Impedância total - módulo
Onde:
Z: impedância do capacitor, em Ω; ESR: resistência série equivalente; Xc: reatância capacitiva; ESL: indutância série equivalente Devido ao complexo relacionamento dos parâmetros acima com a freqüência, os fabricantes apresentam os resultados em forma de curvas parâmetros x freqüência. Neste caso observa-se a dominância capacitiva, indutiva e nas ressonâncias, quando [Xc − (ESL)]2 = 0, o efeito resistivo.
5.4.6
Tensão de Surto A tensão de surto ("surge voltage") é o valor máximo da tensão aplicada sob curta duração, que o capacitor
pode suportar na condição de pior caso, incluindo temperatura, umidade e frequência.
5.4.7
Resistência de Isolação A resistência de isolação ("insulation resistance") é a medida da qualidade de isolamento do capacitor. Pode
ser expressa em megaohms, ou como uma constante de tempo, RC, em segundos. O valor determina a corrente de perda do capacitor quando é submetido a uma tensão contínua e plenamente carregado. Em capacitores eletrolíticos pode demorar até 15 minutos. Este parâmetro é dependente da temperatura, variando diversas ordens de grandeza.
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5.4.8
Vida útil em operação É expressa em milhares de horas, sob condições de operação, tensão, corrente, frequência e temperatura e
tensão de ondulação. Condições extremas de temperatura e de tensão de trabalho reduzem rápidamente a vida útil de um capacitor. Ninguém gosta de trabalhar sob pressão, nem os capacitores.
5.4.9
Fator de Potência O fator de potência ("Power Factor", PF), é expresso por:
PF =
perda de potência ESR = cos θ = potência reativa Z Equação 25: Fator de Potência
Onde:
PF: fator de potência, "power factor";
5.4.10
Coeficiente de Temperatura O coeficiente de temperatura ("Temperature Coefficient", TC), expressa a variação do capacitor com a
variação de temperatura, sendo expresso por:
TC =
C2 − C1 C3 * (T2 − T1 )
Equação 26: Coeficiente de temperatura Onde:
TC: coeficiente de temperatura, "temperature coefficient"; C1: capacitância na temperatura T1; C2: capacitância na temperatura T2; C3: capacitância na temperatura de 25o C Capacitores eletrolíticos de alumínio apresentam elevado TC positivo. Capacitores de policarbonato e poliestireno apresentam TC reduzidos e até mesmo um pouco negativo (para o poliestireno). •
PTC indica uma variação positiva com a temperatura, expressa em ppm / oC.
•
NTC indica uma variação negativa com a temperatura, também expressa em pp / o C.
•
NP0 indica um valor de variação nula com a temperatura, não havendo variação ao longo da faixa de trabalho especificada.
Os valores comerciais são para NTC: N030, N033, N 150, N220, N 330, N 470, N 750, N 1500 e N 2200. Para PTC tem-se apenas P 100. Manoel Gibson Maria Diniz Navas
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5.4.11
Redução da especificação de temperatura - tensão ("derating") A redução da especificação de temperatura - tensão ("temperature-voltage derating"), deve ser observada
com cuidado caso a temperatura de operação esperada alcance valores elevados, acima dos especificados, da ordem de 60o C a 85o C. A fim de evitar-se falha prematura do componente, deve-se reduzir a tensão de trabalho do capacitor conforme as especificações de "derating".
5.4.12
Tensão de Operação A tensão de trabalho ("working voltage") de um capacitor é o valor máximo da tensão que o capacitor pode
suportar contínuamente para um determinado período de operação. É possível trabalhar-se com tensões superiores à tensão nominal. O preço a pagar é a redução da vida útil do componente e eventualmente presenciarmos alguns fogos de artifício.
5.4.13
Fator de Qualidade É uma figura de mérito empregada básicamente para circuitos sintonizados. Quanto maior o Q de um
circuito sintonizado menores serão as perdas e mais estreita a faixa de operação, ou mais "seletivo". É definida por:
Q=
1 X 1 = c = DF ESR tan δ
Equação 27: Fator de qualidade
Em um capacitor ideal o Q é infinito. Valores comerciais estendem-se de 4 até 400. Valores elevados estão ligados a capacitores com custo mais elevado, mas são uma imposição em circuitos de RF de alta potência.
5.5 Identificação e emprego
5.5.1
Identificação Os capacitores podem ser identificados por códigos de cores ou pela identificação do valor no próprio
corpo do componente. Nestes casos recomendo fortemente que você compre uma boa lente de aumento, preferencialmente das que vem com uma pequena lâmpada. Para identificação com código de cores, empregue a tabela abaixo.
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Tabela 31: Código de cores - capacitores 1o
Cor
algarismo
2o algarismo Multiplicador Tolerância, Tolerância significativo
pF
± % (1)
em pF (2)
Tensão
Coeficiente de
nominal,V
temperatura, ppm/oC
significativo Preto
0
0
1
20
Marrom
1
1
10
1
100
N 030/N 033
Vermelho
2
2
100
2
250
N 075/N 080
Laranja
3
3
1.000
400
N 150
Amarelo
4
4
10.000
630
N 220
Verde
5
5
100.000
500
N 330
Azul
6
6
N470
Violeta
7
7
N750
Cinza
8
8
Branco
9
9
5
2,0
NP0
0,5
0,25 10
Ouro
0,1
Prata
0,01
1,0
1000
P 100
(1) maiores do que 10 pF (2) menores do que 10 pF Os capacitores maiores, e às vezes nem tão "maiores", apresentam o valor impresso por extenso, como por exemplo, 220 uF, ou 220 micro farads. Os capacitores menores, como os cerâmicos e os de filme plástico, apresentam apenas dois ou três números impressos. No caso dos três números tem-se que os dois primeiros, à semelhança dos resistores, são o primeiro e o segundo dígitos significativos, e o terceiro o fator de multiplicação.
Tabela 32: Valor multiplicativo do terceiro dígito - capacitores Terceiro dígito Multiplicador (isto vezes os dois primeiros dígitos, fornece o valor em pico farads 0
1
1
10
2
100
3
1.000
4
10.000
8
0,01
9
0,1
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Assim, um capacitor marcado 103 é 10 seguido de três zeros ou 10.000 pF. O valor é de 10 nano farad, à vezes referido como 0,01 µF. Além destes números, é comum encontrar-se uma letra, indicadora da tolerância do valor do capacitor.
Tabela 33: Código de letras - capacitores Letra
Tolerância do capacitor
Letra
Tolerância do capacitor
B
± 0,1 pF
J
± 5%
C
± 0,25 pF
K
±10%
D
± 0,5 pF
M
± 20%
F
± 1%
P
+ 100%, -0%
G
± 2%
S
-20% +50%
H
± 3%
Z
+ 80%, -20%
Assim, um capacitor 223M é um capacitor de 22.000 pF, ou 22 nano farad, com +/-20% de tolerância. A especificação de tensão nominal é dada por uma letra, conforme a tabela abaixo.
Tabela 34: Tensão nominal por código de letras - capacitores Símbolo
Tensão, VDC
Símbolo
Tensão, VDC
Y
50
M
4000
A
100
N
5000
B
250
P
6.000
C
300
Q
8.000
D
500
R
10.000
E
600
S
12.000
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Figura 28: Identificação do valor do componente
1ª faixa: 1o algarismo significativo, pF 2ª faixa: 2o algarismo significativo em pF 3ª faixa: Multiplicador 4ª faixa: Tolerância 5ª faixa: Tensão Tensão: marrom 100 V
Tolerância:
preto: ± 20%
vermelho: 250 V
branco: ± 10%
amarelo: 400 V
verde: ± 5%
Multiplicador:
0
nenhum
1
10
2
100
3
1000
4
10.000
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5.5.2
Aplicações
Tabela 35: Aplicações dos capacitores Tipo
Faixa de
Tensão
Valores
Máxima,
Precisão Estabilidade
Perdas
Aplicações e características gerais
térmica
V Mica
1pF a 0,01uF 100 a 600
Cerâmico
0,5pF a
tubular
100pF
Cerâmico
100 a 600
boa
Boa
boa
excelente, bom em RF
pobre
a escolher
boa
baixos valores disponíveis, diversos coeficientes de temperatura.
10 pF a 1uF 50 a 1000 horrível
pobre
boa
reduzidas dimensões e baixo custo, pode ser auto ressonante
Mylar
0,001 uF a
50 a 600
boa
pobre
10 pF a 0,01 100 a 600
boa
boa
boa
bom e barato
10uF Poliestireno
excelente alta qualidade, grande, bom para
uF Policarbonato
filtros
100 pF a 10 50 a 400
boa
boa
boa
uF Vidro
alta qualidade, bom para integradores
10 pF a 1000 100 a 600
boa
boa
boa
boa
excelente boa estabilidade de longo termo
pF Porcelana
100 pF a 0,1 50 a 400 uF
Tântalo
0,1 uF a 500
boa
bom, barato e estabilidade de longo tempo
6 a 100
pobre
pobre
uF
razoavel alta capacitância., com perdas aceitáveis, pequeno volume, baixa indutância, polarizado
Eletrolítico
0,1 uF a 0,2
3 a 600
horrível
horrível
F
horrivel não recomendado, apenas para filtros de alimentação, vida curta, volumoso, polarizado
Óleo
0,1 uF a 20 200 a 10k uF
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pobre
razoável
razoável filtros de alta tensão, grande volume, longa vida
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5.6 Correção do Fator de Potência O cálculo para determinar-se o capacitor para correção do fator de potência é dado por: a)
De um fator de potência qualquer para 1:
C, farads =
P, watts Veff2 × 2 ×π × f Hz ×
cosθ senθ
Equação 28: Correção do fator de potência Onde:
C,farads: capacitância em faradays; P,watts: potência em watts; fHz: freqüência em Hz; cosθ: fator de potência atual.;
b) De um fator de potência cosθ1 para um fator de potência acima, cosθ2:
C farads =
Vef2 ,voltsf
Pwatts senθ 1 senθ 2 × − × 2 × π × f Hz cos θ 1 cos θ 2
Equação 29: Correção de fator de potência - ajuste à norma
Onde:
C,farads: capacitância em faradays; P,watts: potência em watts; fHz: freqüência em Hz; cos θ1: fator de potência original; cos θ2: fator de potência desejado;
5.7 Exercícios 1.
Um capacitor de 22 micro farad é submetido a uma rampa de tensão quadrado que se inicia em 0 volts e estabiliza-se em 15 volts. O tempo decorrido é 1 mili segundo. Determine a corrente sobre o capacitor durante esse período.
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2.
Um capacitor de 100 nano farad é submetido à uma tensão de 40 volts. Determine a carga armazenada
3.
Determine a energia armazenada em um capacitor de 100 micro farad submetido à uma tensão de 63 volts.
4.
Cite uma desvantagem e uma vantagem e uma aplicação dos capacitores eletrolíticos de alumínio.
5.
Cite uma vantagem e uma desvantagem e uma aplicação dos capacitores de tântalo.
6.
Cite uma vantagem e uma desvantagem e uma aplicação dos capacitores de plástico
7.
Cite uma vantagem e uma desvantagem e uma aplicação dos capacitores de mica.
8.
Determine a capacitância de duas placas paralelas de 30 cm2 , afastadas de 0,01 mm e com dielétrico de constante dielétrica relativa igual a 5.
9.
Um capacitor é constituído por duas placas paralelas de 10cm2 de área, afastadas de 0,1 mm. A constante dielétrica do material é de 4. Determine a capacitância em pF.
10. Um capacitor de 2200 µF é submetido a uma diferença de potencial de 100 volts. Determine a energia armazenada no campo elétrico. 11. Um capacitor de 1000 micro F é submetido à uma tensão de 63 volts. Determine a carga acumulada. 12. Cite uma vantagem e uma desvantagem e uma aplicação dos capacitores de cerâmica. 13. O que é o fator de dissipação em capacitores? 14. O que é o fator de qualidade em capacitores? 15. Descreva duas características dos capacitores eletrolíticos de alumínio. 16. O que é a tangente de perdas de um capacitor? 17. O que é o fator de potência de um capacitor? 18. Descreva duas características dos capacitores de tântalo. 19. Um capacitor está identificado com 104K. Indique os valores especificados. 20. Complete a tabela abaixo Capacitor
Aplicação
Vantagem
Desvantagem
Eletrolítico alumínio Plástico Mica Cerâmica Tântalo 21. Um capacitor de 220 pF é ligado em paralelo com um indutor de 2,2 mH. Determine a freqüência de ressonância. 22. Um capacitor de 10 pF é ligado em paralelo com um indutor de 10 micro H e um resistor de 10 ohms. Determine o fator Q do circuito na ressonância. 23. Um indutor com núcleo a ar apresenta comprimento 2,54 cm; raio 1,27 cm e 10 espiras cerradas. Determine a indutância. 24. Projete um indutor de 100 nH, núcleo de ar e uma camada de espiras. 25. A um indutor com 100 espiras e 1,5 cm2 de seção reta é aplicada uma tensão de 15 volts em 100 kHz. Determine a especificação mínima de densidade de fluxo para este indutor. 26. Um núcleo de indutor apresenta Al igual a 100 uH / 100 espiras. Determine o número de espiras para um indutor de 220 uH empregando este núcleo. Manoel Gibson Maria Diniz Navas
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27. Um capacitor de 220 nF é ligado em paralelo com um indutor de 200 mH e um resistor de 100 ohms. Determine a freqüência de ressonância e o "Q " do circuito. 28. Um indutor de 2,2 mH é percorrido por uma corrente de 1 (um) ampére. Determine a energia armazenada no campo magnético. 29. Um capacitor de 18 pF está ligado em paralelo com um indutor de 200 nH. Determine a freqüência de ressonância. 30. Uma certa indústria consome 200 kW em 220 V / 60Hz. Após receber a inspeção da concessionária de energia elétrica observou-se que o fator de potência é de 0,85, carga indutiva. A recomendação foi a instalação de um banco de capacitores para a correção do fator de potência para 0,9. Determine o valor do banco de capacitores necessário para atender a exigência da concessionária. Determine a economia resultante da instalação do banco de capacitores. 31. Certa indústria opera em 220 volts/60 Hz. Medidas realizadas indicaram que o fator de potência é 0,82, carga indutiva. Determine o valor do banco de capacitores para alcançar-se o valor mínimo exigido pela concessionária de energia elétrica.
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Capítulo 6 - Semicondutores 6.1 Identificação de Transistores Os transistores são identificados por um código de letras e números. Componentes de fabricação norte americana e européia seguem a seguinte classificação: 1a letra: A para germânio e B para silício 2a letra: C para áudio e pequenos sinais, D para áudio em aplicações de potência e F para rádio freqüência Segue um grupo de três números, particularizando o transistor. Letra A,B ou C, indicando a tensão ou corrente máxima de operação. Exemplos: O transistor BC108 é um transistor de silício para aplicações em áudio. O transistor BD136 é um transistor para áudio em aplicações até 8 watts. O transistor BD262B é um transistor de silício, aplicação em potência de áudio, com tensão máxima de operação de coletor emissor de 100 volts. O BD262A opera com tensão máxima de 80 volts na junção coletor emissor. O transistor BF494 é um transistor de silício para aplicação em circuitos de alta freqüência.
Tabela 36: Identificação de semicondutores letra
Aplicação
A
Transistor PNP, alta freqüência
B
Transistor PNP, baixa freqüência
C
Transistor NPN, alta freqüência
D
Transistor NPN, baixa freqüência
E
Tiristor, gate tipo P
G
Tiristor, gate tipo N
H
Transistor de uni junção, base N
J
FET, canal P
K
FET, canal N
M
Tiristor triodo bi direcional TO3
Os transistores de fabricação japonesa seguem o seguinte código: 1o número: tipo de dispositivo, indicando o número de conexões elétricas menos um; Letra: para semicondutores padronizados a letra é sempre “S”. Letra: indica polaridade e tipo, conforme a tabela abaixo: Figura: grupo de números, para registro EIAJ Letra: indicando desenvolvimento ou aperfeiçoamento do componente. Manoel Gibson Maria Diniz Navas
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Exemplo: 2SC82D: transistor NPN, para aplicações em alta freqüência. É importante consultar o manual do fabricante, já que para componentes análogos poderá haver diferença de nomenclatura. O fabricante Motorola costuma identificar os componentes de sua fabricação iniciando pela letra M. Assim, o transistor MRF641 é um transistor de 15 watts de potência de saída para aplicações móveis na faixa entre 407 MHz e 512 MHz. Outro parâmetro a ser considerado é o encapsulamento. Transistores de potência requerem área e massa de dissipação térmica. As figuras abaixo mostram alguns tipos de encapsulamento. Consulte o manual do fabricante para maiores informações. As figuras abaixo apresentam alguns tipos de encapsulamento.
Figura 29: Encapsulamentos de semicondutores
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6.2 Diodos Os diodos são construídos juntando-se pedaços de material tipo P e tipo N. Aplicando-se uma tensão no par surge uma corrente, cujo valor é função se a tensão está polarizando diretamente a junção ou não e do valor dessa tensão. Obtém-se um diodo juntando – se duas camadas de materiais semicondutores tipo P e tipo N. Na região tipo P ocorre falta de cargas negativas, ou excesso de cargas positivas. No material de tipo N ocorre excesso de cargas negativas, ou elétrons livres. As cargas positivas também são chamadas de “ lacunas “ .Materiais tipo P são formados por cristais de silício dopados com material trivalente como o Boro. Materiais tipo N são formados por cristais de silício dopados com material pentavalente, como o fósforo. Ao serem reunidas duas pastilhas tipo P e tipo N na região de contato surge uma região neutra, denominada “região de esvaziamento” ou “depleção” . As figuras abaixo mostram as pastilhas tipo P e tipo N bem como a região de esvaziamento.
Figura 30: Regiões P e N - diodo
Figura 31: Junção PN - diodo
Apresentaremos a seguir alguns tipos de diodos.
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a.
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Diodos de Selênio: vamos começar com uma excessão. Os diodos de selênio não são formados de junção de camadas P e N e sim de selênio. São empregados em retificadores para correntes elevadas. Como desvantagem cita-se a emissão de gases tóxicos. A elevada potência dissipada, função do elevado valor de tensão de queda, que cresce com o tempo, leva a montagens com grandes dissipadores térmicos. Podem ser substituídos por diodos semicondutores. Cuidado com os valores de tensão e corrente envolvidos. Não se esqueça dos capacitores de filtragem.
b.
Diodos de germânio: apresentam elevados valores de corrente quando submetidos a pequenos valores de tensão direta. Um exemplo é o 1N34A.
c.
Diodos de silício comuns: a tenção de barreira é de cerca de 0,7 volts, em contraste com os de germânio que é de 0,3 volts. Podem suportar tensões até 1000volts e correntes de até 100 ampéres. Podem ser empregados como retificadores ou como chaves. Um exemplo é o 1N914.
d.
Diodos Zener: são empregados como tensões de referência ou reguladores. São classificados em dois tipos: reguladores de tensão, diodos de tensão de referência. As tensões variam de 2,4 a 200 volts. A potência de dissipação varia de 0,25 a 200 watts. Operam com valores em torno de 5 a 10 mA. Cuidado com a potência máxima.
e.
Diodos de referência: os diodos Zener não exibem uma boa estabilidade térmica de tensão. O emprego de diodos de silício em série pode melhorar esta característica. Alguns diodos já são fabricados nesse conjunto e denominados de diodos de referência. O diodo 1N3499 de 6,2 volts de referência, mantém o coeficiente de temperatura de 0,0005 por cento por grau ao longo da faixa de 0o A 70O C. Operam melhor com baixos valores de corrente, da ordem de poucos mili ampéres.
f.
Diodos “Step recovery” : apresentam capacitâncias extremamente baixas e reduzido tempo de armazenamento, sendo empregado em multiplicadores freqüências, na faixa de micro ondas.
g.
Diodos Reguladores de Corrente: um transistor JFET com o gate curtado à fonte drena uma corrente cujo valor é praticamente independente do potencial aplicado. O diodo 1N5305 é deste tipo, drenando cerca de 2 mA ao longo da tensão aplicada de 1,8 V a 100 V. São empregados em geradores de corrente constante, geradores de rampa e referências de tensão de precisão.
h.
Diodos de capacitância variável: também conhecido pelos nomes comerciais de Varicaps ou Varactores, estes diodos são empregados como capacitores, cuja capacitância é função da tensão aplicada. Não podem ser empregados como retificadores. São empregados em estruturas sintonizadas controladas por tensão, como por exemplo, VCO. A excursão de capacitância vai de poucos pico farads até cerca de 100 pF. Podem ser encontrados em estruturas costa a costa, como o MV104.
i.
Diodos limitadores (“clippers” ou “clamps”): são empregados para limitar a excursão de sinais senoidais, como por exemplo na entrada de receptores de alta freqüência, a fim de evitar sobre modulação. Um 1N34 pode ser usado para limitar a excursão do sinal a 0,3 volts. Já um 1N914 limitaria o valor a 0,7 volts.
j.
Diodos “hot carrier”: são empregados em misturadores e detectores na faixa de VHF e acima. É desenvolvido a partir de uma junção metal-semicondutor. Apresenta menor figura de ruído, maior eficiência de conversão melhor resposta de lei quadrática e tensão de ruptura (break down voltage) que seus parentes retificadores.
k.
Diodos Gunn: levam o nome de seu inventor, John B. Gunn. O diodo Gun é um diodo no sentido em que possui dois terminais, já que não apresenta propriedades de retificação. Sua aplicação é em osciladores de micro ondas, de 4 a 100 GHz, em potências de 0,1 a 1 watt.
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l.
Diodos IMPATT (impact – avalanche transit time): são empregados em seguidas aos diodos Gun para amplificação em micro ondas na faixa de 0,1 a 1 watt.
m. Diodos PIN: são construídos com camadas externas de material P e N com uma camada intermediária intrinsecamente pura de silício. São empregados como chaves de alta velocidade em circuitos de alta freqüência e baixa potência. Isolações da ordem de 40 dB podem ser alcançadas nas faixas de UHF e acima. n.
Diodos emissores de luz (LED): são feitos de Arsenieto de Gálio (GaAs), ou Fosfeto de Gálio (GaP), ou combinação desses materiais (GaAsP). O material vai caracterizar a cor e a intensidade da luz emitida. Operam com correntes diretas da ordem de 10 a 20 mA e tensões de 1,5 a 2 volts. Podem ser encontrados nas cores vermelho, verde, amarelo e azul.
o.
Diodo Túnel: mais um diodo que não apresenta características de retificação. Este dispositivo apresenta uma curva de resistência negativa, ou seja, redução de corrente com o aumento da tensão aplicada, o que o torna útil em circuitos osciladores. Não é muito empregado comercialmente na atualidade.
p.
DIAC: são diodos bidirecionais, limitadores de corrente normalmente empregados para dispararem TRIACs.
A figura abaixo mostra alguns tipos de diodos. Observe a indicação de polaridade.
Figura 32: Diodos comerciais
6.3 Transistor Os transistores são formados por camadas de materiais semi condutores e empregados em amplificadores, osciladores, misturadores, fontes de corrente e chaveamento. Veremos alguns tipos de transistores. a.
Transistor bipolar: pode ser de silício ou germânio. Apresenta três ou mais terminais e é construído com materiais P e N.
b.
Tiristores: dois transistores bipolares complementares podem ser ligados de modo a funcionarem como uma chave com trava. São conhecidos como Retificadores controlados de Silício, ou SCR (silicon
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controled rectifier). Dois SCR complementares. Ligados em paralelo formam um Triac, usado em tensões alternadas. c.
Transistor de unijunção: são empregados em geradores de rampa. Um exemplo é o 2N2444.
d.
Transistores de Efeito de Campo (FET: field - effect transistor): o nome vem da característica de controle do fluxo de corrente por meio de um campo elétrico, obtido a partir de uma tensão aplicada. Os dois tipos comuns são o FET de junção, JFET (junction FET), e o MOSFET (metal – oxide semicondutors FET). Os MOSFET podem apresentar mais de uma porta (gate) e apresentam valores extremamente elevados de resistência de entrada mas pouca tolerância a tensões estáticas. Os GaAsFETs são empregados em amplificação de baixo ruído em UHF e micro ondas. Como exemplos de GaAsFET citam-se o HFET-2201 (HP) e o MSC H001. Exemplos de FET são o 2N4416, U350 e o MPF 102. Um exemplo de MOSFET de dupla porta é o 40673. Também são encontrados FET de potência como o VN67AJ, com 15 watts de potência em 30 MHz. Outros exemplos deste tipo de FET são o VN66AF para áudio e o VMP4, 5 watts em 145 MHz.
6.4 Resistores não lineares 6.4.1
Termistores São resistores variáveis com a temperatura, do tipo NTC ou PTC, possuindo um coeficiente de variação da ordem de 3% por grau Celsius. Têm como finalidade introduzir uma compensação de variação térmica nos circuitos eletrônicos.
6.4.2
Supressores de Transientes de Tensão São também denominados de VDR, “voltage dependent resistor”. Sua característica é a rápida resposta à picos de tensão, quando passam da condição de alta resistência para baixa resistência, absorvendo assim a energia do pulso. São empregados na proteção de equipamentos, máquinas, motores e painéis de comando.São conhecidos pelos nomes comerciais de SiOV ou GEMOV, varistores de óxido metálico e o nome do fabricante., São especificados para tensões de trabalho de 50 a 800 volts e energia máxima de 1,5 a 300 joules.
6.4.3
Resistores dependentes da luz Os resistores dependentes da luz (LDR – light dependent resistor), apresentam uma curva
característica de resistência versus intensidade luminosa. São conhecidas também como células foto elétricas e empregadas em iluminação pública e aplicações de alarme e segurança.
6.5 Dispositivos de Controle
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6.6 Componentes piezo-elétricos
6.7 Circuitos Integrados
Figura 33: Circuitos integrados
6.8 Exercícios 1. Descreva a formação de uma pastilha tipo P. 2. Descreva a formação de uma pastilha tipo N. 3. Descreva a formação da barreira de esvaziamento (depleção). 4. Descreva o funcionamento do diodo na região de condução. 5. Descreva o funcionamento do diodo na região de corte. 6. Descreva o funcionamento do diodo retificador. 7. Descreva o funcionamento de uma fonte de tensão regulada a zener. 8. Descreva o funcionamento de um transistor. 9. O que são termistores e qual sua aplicação? 10. O que são supressores de transientes e qual sua aplicação?
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Capítulo 7 - Especificação de componentes e dispositivos
Tabela 37: Especificação de componentes e dispositivos Componente Resistor
Características valor, tolerância, potência material, dimensão, encapsulamento convencional, SMD composição, fio, filme dissipador térmico variação com a freqüência variação com a temperatura tensão máxima "de-rating"
Resistor variável (potenciômetro)
valor corrente máxima, tensão máxima dimensão tolerância à vibração vedação linear ou logarítmico voltas
Resistor ajustável (trimpot)
valor corrente máxima número de voltas tolerância à aceleração espaçamento dos lides convencional ou SMD
LDR
resistência x intensidade luminosa abertura faixa de freqüência
Detector de infra-vermelho
sensibilidade abertura
PTC
resistência x temperatura
NTC
resistência x temperatura
Capacitor
valor, tolerância, dielétrico tangente de perdas dimensão tensão máxima de trabalho polarização tensão máxima reversa
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Materiais Elétricos
Componente
Características variação com a freqüência invólucro axial ou radial convencional ou SMD
Capacitor variável
valores limites tensão máxima dielétrico dimensões variação com a freqüência
Capacitor ajustável
valores limites tensão máxima dielétrico dimensões variação com a freqüência variação com a temperatura tolerância à aceleração
Indutor
valor corrente máxima fator Q dimensões encapsulamento blindagem núcleo lides convencional ou SMD
Indutor variável
valores limites corrente máxima fator Q dimensões encapsulamento blindagem núcleo lides
Indutor ajustável
valores limites corrente máxima fator Q dimensões encapsulamento blindagem núcleo
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Componente
Características lides
Transformador
relação de tensão potência máxima corrente máxima perdas no núcleo resposta em freqüência blindagem núcleo compatibilidade eletromagnética senoidal pulso núcleo saturado
Diodo de sinal
tensão de ruptura tensão reversa máxima corrente direta máxima freqüência máxima de operação invólucro lides
Diodo retificador
tensão de ruptura tensão reversa máxima corrente direta máxima freqüência máxima de operação invólucro lides dissipação térmica
Diodo de capacitância variável
excursão de capacitância razão de capacitância invólucro lides
Diodo de comutação
potência máxima freqüência máxima
Diodo multiplicador
eficiência
Diodo Túnel
faixa de freqüência potência máxima
Diodo PIN
resistência direta resistência reversa potência máxima
Diodo emissor de luz (LED)
faixa de freqüência eficiência invólucro
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Materiais Elétricos
Componente
Características lides
Diodo regulador de tensão (Zener)
tensão nominal corrente reversa coeficiente de temperatura corrente de pico direta repetitiva potência máxima dissipação máxima de potência de pico repetitiva resistência térmica da junção para o ambiente
Diac
tensão de disparo tensão de operação corrente
Triac
tensão de disparo tensão de operação corrente
Transistor de áudio, pequenos sinais
ganho de corrente DC parâmetros H potência máxima figura de ruído faixa de freqüência
Transistor de áudio, potência
potência máxima corrente máxima faixa de freqüência ganho parâmetros
Transistor de RF, pequenos sinais
ganho figura de ruído ganho x banda passante parâmetro Y ou S
Transistor de RF, potência
Ganho ganho x banda passante impedância
Transistor de chaveamento
velocidade tensão máxima corrente máxima
Relé
tensão máxima corrente máxima corrente de acionamento invólucro terminais vedação
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Materiais Elétricos
Componente Cabo
Características impedância atenuação x freqüência atenuação x comprimento velocidade de fase dimensões blindagem cross-talk corrente máxima tensão máxima de operação potência máxima temperatura máxima de operação temperatura de armazenamento capacitância por comprimento indutância por comprimento retardo dispersão raio de curvatura de instalação raio de curvatura repetitivo resistência do condutor interno resistência do condutor externo dielétrico peso x comprimento vedação resistência à chama dimensões do condutor interno dimensões do condutor externo dimensões do isolamento externo peso x comprimento
Antena
impedância ganho, diretividade lóbulos: principal e secundários relação frente - costa dimensões peso resistência à ventos
Circulador
freqüência atenuação reversa potência dimensões
Acoplador
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freqüência
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Materiais Elétricos
Componente
Características atenuação potência dimensões
Acoplador direcional
atenuação reversa acoplamento freqüência potência dimensões
Combinador
potência perda freqüência dimensões
Divisor
potência perda freqüência dimensões
Misturador
impedância perda de conversão distorção por intermodulação nível máximo IP3 figura de ruído
Cavidade ressonante
freqüência fator Q dimensões
Chave comutadora
resistência freqüência corrente máxima dimensões ciclos de acionamento corrente máxima tensão máxima pólos, posições
Interruptor
resistência freqüência corrente máxima ciclos de acionamento "make before break" pólos, posições
Válvulas Manoel Gibson Maria Diniz Navas
freqüência
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Materiais Elétricos
Componente
Características potência
Filtro
atenuação na banda x fora da banda ondulação na banda fator de forma topologia discreto, SAW, cristal, mecânico, cerâmico impedância absortivo ou reflexivo passivo ou ativo linearidade resposta de fase resposta a impulso FIR ou IIR analógico ou digital
Amplificador Operacional
ganho máximo em malha aberta freqüência razão de rejeição de modo comum potência consumo
Conectores
impedância, potência vedação travamento dimensões
Oscilador
freqüência precisão estabilidade térmica rejeição à alimentaçào envelhecimento variações de curto prazo variações de longo prazo tipo: VCXO, TCXO, OCXO desvio da freqüência central
Amplificador de RF, pequenos sinais
impedância ganho freqüência figura de ruído estabilidade ponto de interceptação de 3a ordem
Amplificador de RF de potência
impedância potência
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Materiais Elétricos
Componente
Características ganho freqüência ponto de interceptação de 3a ordem distorção por intermodulação ponto de compressão de 1 dB ponto de compressão de 3 dB
Alto-falante
impedância potência máxima resposta em freqüência
Sintetizador
faixa de freqüência passos de freqüência ruído de fase estabilidade precisão variação com a temperatura resistência à vibração
Modulador balanceado
profundidade de modulação supressão da portadora linearidade
Modulador de FM
desvio de freqüência linearidade
Discriminador
desvio de freqüência x tensão linearidade
Amplificador
linear, logarítmico impedância de entrada, impedância de saída estabilidade, alinhabilidade ganho de tensão, ganho de corrente ganho de potência figura de ruído retardo de fase ponto de compressão de 1 dB ponto de compressão de 3 dB ponto de interceptação de 3a ordem distorção por intermodulação distorção harmônica resposta em freqüência resposta ao impulso largura de banda classe: A,B,C, D balanceado X não balanceado
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Materiais Elétricos
Componente
Características terminais: BNC, TNC, SNA, N, UHF faixa de temperatura de operação faixa de temperatura de armazenamento vedação resistência à choque, à queda, à vibração freqüências de ressonância mecânica VSWR de entrada, VSWR de saída VSWR máxima permissível tensão de alimentação variação da tensão de alimentação consumo potência máxima de saída
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Materiais Elétricos
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Bibliografia CIPELLI, A M.V. SANDRINI, W.J, “Teoria e Desenvolvimento de Projetos de Circuitos Eletrônicos”, Editora Érica, São Paulo, 1990 SARAIVA, D.B., “Materiais Elétricos”, Editora Guanabara Dois, Rio de Janeiro, 1988 HARPER, C.A, “Handbook of Components for Electronics”, Editora McGraw Hill, New Jersey, 1977 ITT, “Reference Data for Radio Engineers”, Editora ITT, New York, 1974 Catálogo de cabos kmP / RFS Brasil, www.rfs-kmp.com.br Catálogo de cabos Andrew Corporation, HELIAX, www.andrew.com Catálogo de cabos Furukawa, www.furukawa.com.br Catálogo de cabos Pirelli Cabos SA, www.pirelli.com.br
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Formulário 1.
Resistores
R=ρ
l S
Ω
Onde: R: resistência da haste, em ohms ρ: resistividade do material, em ohms.cm l: comprimento da haste, em cm S: área da seção reta, em cm2
Rt = R25o C * (1 + α * ∆t ) Ω Onde: Rt: resistência da haste do material, à temperatura "t"; R25o C: resistência da haste do material, à temperatura de 25o C; α: coeficiente médio de temperatura ∆t: diferença de temperatura entre "t"e 25o C.
R − R1 TCR = 2 x 106 R1 (T2 − T1 ) Onde: TCR: coeficiente de temperatura da resistência, expresso em partes por milhão por oC (ppm/oC) R1: resistência à temperatura ambiente de referência (geralmente 25o C); R2: resistência na temperatura ambiente de operação; T1: temperatura ambiente de referência, quase sempre 25 oC; T2: temperatura ambiente de operação, oC.
2.
Indutores
a)
Núcleo de ar
a2 * n2 L( µ ) = 9a + 10b Onde: L: indutância em micro henry; a: raio da bobina em polegadas; Manoel Gibson Maria Diniz Navas
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b: comprimento da bobina em polegadas; n: número de espiras b) núcleo magnético
Numero de Espiras =
c)
Indutância em nH AL ( nH / n 2 )
Transformador
E RMS × 108 B= 4,44 × f × n p ∗ Ae Onde: B: densidade de fluxo em Gauss; Ae: área equivalente do percurso magnético, em polegadas quadradas; Erms: tensão aplicada; np: número de espiras; f: freqüência de operação em Hz. d) Indutância
4.π .µ r . A.n 2 L ( nH ) = l Onde: µr: permeabilidade relativa do material; A: área do núcleo; L: comprimento do percurso magnético n: número de espiras. e)
Relutância
ℜ= Onde: R: relutância, em henry-1; l: comprimento do material, m; A: área da seção reta, m2; µ: permeabilidade do material, henry/m.
f)
Densidade de Fluxo Magnético
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l µ×A
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B=
φ A
Onde: B: densidade de fluxo magnético, Wb/m2; Ø: fluxo magnético, Wb; A: área da seção reta, m2. g) Permeabilidade magnética e Intensidade de Campo magnético
B=µ×H Onde: B: densidade de fluxo, Wb/m2; H: intensidade de campo magnético, ampére/metro, A/m; µ: permeabilidade do material, H/m. h) Permeabilidade do vácuo
µo = 4.π .10 −7 i)
H /m
Permeabilidade relativa
µ = µo . µ r Onde: µ: permeabilidade do material, H/m; µo: permeabilidade do vácuo, H/m; µr: permeabilidade relativa do material, adimensional.
j)
Permeabilidade de material magnético
µ = µo + Onde: µ: permeabilidade do material, H/m; µo: permeabilidade do vácuo, H/m; H: intensidade de campo magnético, A/m; M: polarização magnética, A/m.
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M H
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Materiais Elétricos
k) Curva B ×H, material magnético
l)
Força Magneto Motriz:
fmm = N × I Onde: fmm: força magneto motriz, ampére – espiras; N: número de espiras do enrolamento; I: corrente que percorre o enrolamento, ampéres. m) Relutância :
fmm = φ × R Onde: fmm: força ,magneto motriz, ampére-espiras; Φ: fluxo magnético, Wb; R: relutância, A/Wb ou H-1.
3.
Capacitores
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a) Capacitância de placas paralelas
A C = ε. d Onde: C: capacitância, em F ou seus submúltiplos; ε: permissividade do dielétrico; A: área de cada placa, em m2; d: distância entre as placas, em metros.
b) Correção do fator de potência
C=
P senθ 1 senθ 2 × − 2 Veff × ω cos θ 1 cos θ 2
Onde: P: potência, watts; cos θ1: fator de potência original; cos θ2: fator de potência desejado; ω: freqüência angular (2πf); Veff: tensão eficaz, volts.
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