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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ – UFPA INSTITUTO DE TECNOLOGIA - ITEC FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA LABORATÓRIO BÁSICO II Resistores Ohmicos, Varistores e Termistores Professora: Zínia de Aquino Valente. Equipe: Anny Rodrigues. Jefferson Figueiredo. Luana Lopo. Renata Souza. Yuri Chaves. Belém- PA 2010 Introdução Resistor é um dispositivo elétrico muito usado em eletrônica com a finalidade de transformar energia elétrica em energia térmica (efeito joule), sua finalidade é obstruir a passagem de corrente elétrica através de seu material. A essa obstrução damos o nome de ohm. Para um resistor ser ideal é necessário ter uma resistência elétrica que a tensão ou a corrente elétrica permaneça constante; os resistores podem ser fixos ou variáveis. O valor de resistência do resistor não é a única coisa para considerar ao selecionar um resistor para uso em um circuito. A "tolerância" e as avaliações de energia elétrica ao qual o resistor se submeterá também são importantes. A tolerância de um resistor denota a variação do valor da resistência. Por exemplo, uma resistência com ±5% tolerância indica um resistor que está dentro de ±5% do valor de resistência especificado. Resistor Linear ou Ohmico Os resitores que obedecem a lei de ohm são denominados resistores ohmicos. Para estes resistores a corrente elétrica (i) que os percorrem é diretamente proporcional à voltagem ou ddp (V) aplicada como ilustra a figura 1: Fig. 1 - Resitores ôhmicos obedecem a lei de Ohm. Consequentemente o gráfico V versus i é uma linha reta, cuja inclinação é igual ao valor da resistência elétrica do material, como mostra a figura 2: Fig. 2 – Cálculo da resistência. Define-se resistência pela relação V = R i (convenção de receptor) e sua unidade é Ohms (). Note que o resistor linear é controlado por tensão ou por corrente. Em um resistor não ôhmico o valor da resistência varia conforme mudamos a tensão que o atravessa, pois a temperatura nele aumenta proporcionalmente com a voltagem. "O "retângulo" com terminais é uma representação simbólica para os " "resistores de valores fixos tanto na Europa como no Reino Unido; a " "representação em "linha quebrada" (zig-zag) é usada nas Américas e " "Japão. " " " Fig. 3 – Representação gráfica. Muitos materiais homogêneos, como o cobre, por exemplo, obedecem à Lei de Ohm para uma faixa determinada de campo elétrico. Resistores utilizados em circuitos elétricos são ôhmicos para uma determinada faixa de potencial normalmente utilizada em circuitos. Varistor Histórico Em 1957 tem-se registro da primeira publicação sobre materiais varistores, quando Kh. S. Valee e M. D. Mashkovich descobriram propriedades não ôhmicas no sistema binário ZnO-TiO2. M.S. Kosman e colaboradores em 1961 e S. Ivamov e colaboradores em 1963 realizaram outros estudos em sistemas binários ZnO-Bi2O3 e ZnO-Al2O3, e descobriram que esses sistemas também poderiam ser utilizados como varistores. Em 1971, Matsuoka e colaboradores, fizeram varistores cerâmicos multicomponentes com propriedades muito melhores que aquelas obtidas para sistemas binários. A não linearidade nas características corrente-tensão para esse sistema foi de a=50. Um típico sistema com essas propriedades é 97%ZnO-1%Sb2O3-0,5%MnO-0,5%CoO-0,5%Cr2O3, sendo essas porcentagens molares. Atualmente, podem-se fazer diversas composições para a obtenção de varistores. Os varistores comercialmente mais usados ainda são a base de óxido de zinco (ZnO), mas também há varistores de dióxido de estanho (SnO2) e dióxido de titânio (TiO2) que possuem um grande potencial tecnológico não ainda utilizado. Muitas pesquisas atualmente são concentradas, visando otimizar as propriedades dos varistores a base de SnO2, para utilização em altas tensões, a base de (Sn,Ti)O2 e TiO2 para utilizar em baixas tensões, para que esses dispositivos possam em um futuro bem próximo substituir os varistores a base de ZnO. Varistor: Os varistores VDR (Voltage Dependent Resistor) são componentes eletrônicos utilizados em aparelhos com a finalidade de oferecer proteção contra descargas elétricas de curta duração. O Varistor é um tipo de resistor não linear, fabricado com material semicondutor, cujo valor da resistência é dependente de tensão aplicada. Os varistores são fabricados a partir de grãos de carbonato de silício sintetizados com um aglutinante de modo que apresentem um corpo cerâmico duro e poroso com a forma de tubos ou discos. O valor da tensão para o qual são fabricados varia, o valor pode variar de 8V a 400V, e em casos especiais a tensão pode chegar a 1.200V. O tipo de mais conhecido de varistor é o, chamado metal oxide varistor, que consiste em uma pastilha de material semicondutor (Óxido Metálico). As faces laterais são cobertas por uma película metálica formando os eletrodos que fazem contato com a pastilha. São soldados 2 terminais estanhados nos eletrodos e o conjunto é protegido por uma camada de epóxi. Fig. 4 – Varistor de 385 V. Os varistores possuem um potencial de condutividade, sendo assim, eles são capazes de deixar passar tensões de até certo limite, 170 volts por exemplo. Se a tensão exceder o limite, o excedente será transformado em calor, caso a sobretensão continue por muito tempo o varistor queima. Fig. 5 – Varistor de alta tensão. A relação tensão-corrente de um varistor pode ser dada aproximadamente pela seguinte equação empírica: Em que: V é a tensão aplicada nos terminais do varistor, I é a corrente que circula pelo componente, C (resistência não-ôhmica) e β (coeficiente de não-linearidade) são constantes características do componente, seus valores são fornecidos pelo fabricante. Como resultado, temos para a corrente: I = K.U( I = corrente no varistor; U = tensão no varistor; K = constante que depende da geometria (formato físico) ( = expoente não linear ( ( = 1/( Fig. 6 – Gráfico VxI para um varistor. Como se pode observar pelo gráfico a resistência dos varistores varia com a tensão. À medida que a tensão aumenta, sua resistência diminui. Desde modo, a resistência do VDR varia de forma inversamente proporcional a tensão. A figura abaixo mostra a curva de vários VDRs (tensão-resistência) para vários valores de C e (. Fig. 7 - Gráfico de R x V para diversos C e (. A figura acima comprova que resistência varia acentuadamente com a tensão. Temos como exemplo o varistor com C = 150 e ( = 0,2, que para uma tensão de 40V sua resistência é de 30k(. Ao dobrar o valor dessa tensão para 80V, a resistência cai para aproximadamente 2k(, 15 vezes menor daquela apresentada para a tensão anterior. E aumentando essa tensão em 10 vezes (400V), a resistência cai para 3( (10.000 vezes). Os varistores são equipamentos bastante simétricos com relação a sua curva simétrica para valores de tensão positivo e negativo. A curva simétrica é geralmente fornecida pelo fabricante, variando de acordo com cada tipo de varistor. Fig. 8 - Características V X I. Aplicações: Os varistores são comumente aplicados na utilização em equipamentos de proteção indireta contra surtos (picos) de tensão da rede elétrica. Um exemplo desses equipamentos é o filtro de linha que quando é autêntico possui varistores com o objetivo de "ceifar" a sobretensão que chega da rede. Como o varistor tem a capacidade de diminuir a sua própria resistência interna com o aumento da tensão aplicada aos seus terminais ele é capaz de executar esse ceifamento. Como o varistor possui certo potencial de condutividade, ele é capaz de deixar passar tensões de até certo limite (170-300 Volts, por exemplo). A tensão excedente do "ceifamento" é convertida em energia térmica. Há um limite de conversão de energia elétrica em térmica, que é medido geralmente em J. Quando esse limite é excedido, ou seja, por algum motivo a sobretensão continue por muito tempo, o varistor queima. Com a queima do varistor o filtro de linha é inutilizado, mas o equipamento é protegido. Podem-se utilizar fusíveis de proteção para evitar a queima do varistor quando exposto a uma sobretensão acima do tempo suportável. A ideia principal é de que os fusíveis interrompam o circuito, pois os mesmo – que são fáceis de trocar - queimem antes que ocorram danos àquele componente. Outras aplicações para Varistores: Proteção de relês Proteção de circuitos de telefonia Proteção de semicondutores Eliminação de faiscamentos Proteção de circuitos de linhas monofásicas e trifásicas Proteção contra surtos de tensão em aparelhos eletrodomésticos TERMISTORES Termistores são resistores cujas características físicas levam à mudança na resistência elétrica com a variação da temperatura, devido principalmente à alteração na concentração de portadores de carga. A sensibilidade térmica destes é cerca de dez vezes superior à das resistências metálicas (valores em MΩ). O seu coeficiente é em geral negativo (NTC – negative temperature coeffecient) e depende da temperatura (varia inversamente com esta). Podem também ser proporcionais à temperatura (PTC). A sua gama de utilização vai tipicamente de -40 ºC a 150 ºC. Essa distinção entre o termistor PTC ( Positive Temperature Coefficient ) e o NTC ( Negative Temperature Coefficient) é caracterizada pelo material que é empregado em sua construção. Tipicamente operando sobre uma escala de -200°C a + 1000°C, esses elementos são fornecidos nos formatos de bolha de vidro, de disco, de microplaquetas e de ponta de prova. Os NTCs devem ser escolhidos quando uma mudança contínua de resistência é requerida sobre uma larga escala de temperatura. Têm como principais características: estabilidade mecânica, térmica e elétrica, junto com um elevado grau de sensibilidade. NTC (Negative Temperature Coefficient): São resistores não lineares, semicondutores que conduzem melhor a corrente elétrica no estado quente do que no frio. Assim, a resistência elétrica de tais materiais se reduz com a elevação da temperatura, possuindo, portanto, um coeficiente de temperatura negativo. Em média, o coeficiente de temperatura, cuja notação é (25º é igual a: isto é, perante uma elevação de temperatura de 1 grau, o valor da resistência do material se reduz em 5%. O valor de ( variando acentuadamente com a temperatura, faz com que o seu valor possa ser considerado constante apenas para pequenas variações de temperatura. Consistem em misturas de óxidos de metais de transição do grupo 3d, sob diferentes arranjos: óxidos de manganês e de níquel; de manganês e de cobalto; de níquel e de cobalto; de manganês, de níquel e de cobalto; e de manganês, de níquel, de cobalto e de ferro. A figura abaixo representa graficamente um resistor NTC (símbolo mais comum). Fig. 9 – Representação gráfica de um resistor NTC. O gráfico abaixo representa a variação da resistência do NTC em função da temperatura, onde se observa claramente sua não linearidade. Fig. 10 - R25/Rt representa a resistência do NTC à temperatura ambiente de 25ºC. EQUAÇÃO DE UM NTC: R = A . e B/T R = resistência em ohms e = número de Euler (2,718) B = constante do material no NTC em ºK Aplicações: Alguns aspectos devem ser considerados na aplicação dos resistores NTC em circuitos comerciais: 1) Variação da resistência do NTC com a temperatura; a) a resistência do NTC é influenciada pela temperatura ambiente; b) a resistência do NTC é influenciada pela dissipação do NTC. 2) Aproveitamento da inércia térmica do NTC; 3) Aproveitamento do coeficiente térmico negativo do NTC. TERMÔMETRO ELETRÔNICO: Fig. 11 – Termistor em termômetro eletrônico. A alteração da temperatura ambiente provoca uma mudança da resistência do NTC e consequentemente da corrente que passa pelo amperímetro, o qual terá seu painel calibrado em graus (ºC). Por exemplo, uma corrente pelo amperímetro de 1mA poderá equivaler a uma temperatura de 30ºC e assim por diante. PROTEÇÃO CONTRA FALHA DE CIRCUITO ELÉTRICO: Fig. 12 – NTC em circuito elétrico. Se o filamento de uma das lâmpadas abrir, a corrente passará então pelo NTC que ao aquecer-se terá sua resistência alterada. Quando corretamente projetado, a resistência do NTC se igualará a do filamento da lâmpada em poucos segundos. ILUMINAÇÃO GRADUAL: Fig. 13 – NTC na iluminação gradual. Quando o interruptor Sw é acionado, devido a inércia térmica do NTC, a corrente inicial no circuito é baixa, e a lâmpada gradualmente irá adquirindo sua luminosidade devido ao aquecimento do NTC e a diminuição de sua resistência. Como o filamento da lâmpada não é submetido a choque térmico, sua durabilidade aumentará. PTC (Positive Temperature Coefficient) O PTC é um resistor não linear que conduz corrente elétrica melhor no estado frio do que no estado quente, isto é, a condutibilidade se reduz com o aumento da temperatura. Portanto, o PTC possui um coeficiente ( de valor positivo. Fig. 14 – Representação gráfica de um PTC. Uma característica importante do PTC é que seu coeficiente térmico positivo manifesta-se dentro de um intervalo de temperaturas, sendo seu valor bastante superior ao do NTC. No PTC o coeficiente positivo manifesta- se apenas a partir de uma temperatura chave, denominado temperatura de Curie (TC). Os PTCs podem se dividir quanto a fabricação e utilização em: PTCs metálicos Baseiam seu funcionamento no princípio de condução de corrente nos metais, ou seja, quanto mais elevada for a temperatura (devido as perdas do efeito Joule), maior será o valor de sua resistência. Podemos citar como exemplo o condutor de cobre cujo coeficiente de temperatura ( é , em outras palavras, para um aumento de 1 grau da temperatura, sua resistência eleva-se 0,39%, característica esta válida para praticamente todos os metais (com exceção da liga denominada constantan). Outros tipos de metais também são utilizados, como prata, alumínio e tungstênio. Estas características são muito empregadas na fabricação de resistores de óxido de ferro. PTCs de material cerâmico semicondutor Possuem a propriedade de ter seu valor de resistência elevado rapidamente dentro de uma faixa de temperatura muito estreitas, resultando valores elevados de coeficiente de temperatura (T, da ordem de , o que significa que para cada 1 grau de aumento da temperatura, a resistência aumenta em 60%. São geralmente fabricados de materiais compostos de cerâmicas ferro- elétricas como o titanato de bário (BaTiO3). Os materiais não condutores somente adquirem condutividade específica mediante um processo de dopagem, geralmente o antimônio. Acima de temperatura de Curie ocorre uma rápida elevação da resistência, com redução da constante dielétrica. Em resistores de óxido de ferro a temperatura de Curie tem um valor aproximado de 800ºC, no entanto através de processos adequados de dopagem pode-se controlar e predeterminar uma temperatura de Curie e o grau de elevação da resistência do PTC. Aplicações: Basicamente tem as mesmas aplicações dos NTCs, quando se requer um coeficiente de variação positivo. É muito empregado nos casos em que uma variação de resistência deva ser transformada em sinal elétrico. ALARME TÉRMICO: Fig. 15 – PTC em alarme térmico. Em condições normais circula uma corrente pelo PTC e pela bobina do relê, sendo esta insuficiente para o atracamento do relê. Com o aumento da temperatura ambiente, aumenta a resistência do PTC aumentando a corrente no relê, provocando seu atracamento. INDICADOR DE NÍVEL DE LÍQUIDOS: Fig. 16 – PTC em indicador de nível de líquidos. À medida que o nível do líquido sobe, a resistência dos PTCs vai se alterando, alterando a resistência total da associação. Isto provocará uma alteração da corrente que circula pelo amperímetro, que devidamente calibrado, permitirá determinar o nível do líquido. AÇÃO DE RETARDO: A figura a seguir mostra o PTC atuando como retardo, para proteger a carga contra choque térmico. Inicialmente a resistência do PTC é baixa, drenando a maior parte da corrente. Quando a temperatura aumenta, pela dissipação do PTC, sua resistência aumenta e aí maior corrente circulará pela carga. Fig. 17 – PTC atuando como retardo. Conclusão Diante do exposto neste trabalho, é possível perceber a importância deste componente eletrônico. Sabemos que um resistor linear é um modelo teórico de resistor, embora o desenvolvimento de materiais cada vez mais modernos tem melhorado e aproximado as características destes componentes do modelo ideal. Os varistores são resistores não lineares cuja relação entre corrente e potencial obedece a uma função potência. Este tipo de resistor é utilizado principalmente como proteção de circuitos pois ele é capaz de diminuir sua própria resistência interna com o aumento da tensão aplicada aos seus terminais. Por apresentar certo potencial de condutividade, ele permite passar tensões até um limite, convertendo o restante da mesma em energia térmica. Termistores também são resistores não-lineares. Sua principal característica é a variação da resistência associada à temperatura. São divididos em NTC (negative temperature coefficient), nos quais a resistência diminui com o aumento da temperatura e PTC (positive temperature coefficient), onde ocorre o efeito contrário ao PTC. Referências Bibliográficas 1. . Acesso em 28 set. 2010. 2. . Acesso em 28 set. 2010. 3. . Acesso em 30 set. 2010. 4. . Acesso em 01 out. 2010. -----------------------