Tipos Fornos

7/31/2019 Tipos Fornos

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MATERIAIS ELTRICOS: COMPNDIO DE TRABALHOS

VOLUME 4

SUMRIO

FORNOS ELTRICOS - Marlon Cestile............................................................................. 331

RELS - Vinicius Fritsch.................................................................................................... 352

DISJUNTORES - Rafael Paim........................................................................................... 367

FUNCIONAMENTO DE UM FOTOTRANSISTOR - Tiago Richter Maritan ........................ 382

LMPADA INCANDESCENTE - Silvio Katsuo Ogawa....................................................... 391

SCR: RETIFICADOR CONTROLADO DE SILCIO - Samir de Oliveira Ferreira ................ 408


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FORNOS ELTRICOS

Marlon Cestile

1. Introduo

Na indstria atual, a cada dia mais intensa a busca por materiais mais

resistentes, durveis, com qualidades peculiares. Muitas dessas caractersticas

alguns materiais s conseguem pelo processo de fuso. Para cada tipo de material a

ser trabalhado, fundido, h um certo tipo de forno mais recomendvel. Com este

trabalho est proposto um conhecimento superficial dos tipos de fornos eltricos

existentes, sua composio e materiais utilizados nos mesmos.

Os tipos de fornos eltricos:

Podemos classificar os fornos eltricos em trs grupos:

Fornos a Resistncia

Fornos de Induo

Fornos a Arco

2. FORNO A RESISTNCIA

Denominamos forno a resistncia os fornos que utilizam o calor gerado por

efeito Joule, numa determinada resistncia que atravessada por uma corrente

eltrica elevada. Tais fornos no provocam oscilaes na tenso da rede que os

alimenta.

O material utilizado varia de acordo com aplicao do processo industrial, e

podem ser de aquecimento direto e indireto.

2.1 AQUECIMENTO DIRETO

Nesse tipo de forno, o material a ser trabalhado posicionado entre dois

eletrodos e por ele atravessa-se a mesma corrente eltrica do circuito.

O emprego deste tipo de forno muito especfico, como exemplos de

aplicao citamos o aquecimento de gua para produo de vapor, a manuteno

da temperatura de fuso do vidro a partir de um bloco de material fundido,fabricaode eletrodos de grafite utilizados em fornos de arcos,manuteno da temperatura do

banho que permite a tmpera dos aos ,entre outros.


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2.2 AQUECIMENTO INDIRETO

Estes so os tipos mais comuns de fornos a resistncia.Neste tipo, o material

que ser trabalhado colocado em uma cmara isolada termicamente, e o calor a

ser transferido se d por conduo,conveco e irradiao.

Na indstria este forno muito utilizado para fuso do chumbo e alumnio.

FIGURA 1 - Forno para fabricao de vidro

2.3 MATERIAIS UTILIZADOS NA COMPOSIO DE FORNOS A RESITNCIA

No podemos utilizar qualquer material para a composio deste tipo de

forno. Deve ser feito uma anlise do material e da resistncia necessria para que o

forno se aplique a funo que est se procurando obter. Algumas condies soapresentadas a seguir:

Ter uma elevada temperatura de fuso (na ordem de 25% superior

temperatura de fuso do material a ser trabalhado;

Ser resistente corroso na temperatura de operao;

Ter resistividade elevada;

Apresentar um elevado grau de dureza em altas temperaturas.

H alguns materiais que satisfazem as condies acima citadas, assim sendo

muito utilizados como resistncias nos fornos, so eles:

Nicromo V (80% Ni, 20 % Cr);

Cromax (30%Ni, 20% Cr,50% Fe);

Kantal (Cr, Al, Co, Fe);


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Geralmente estes materiais so constitudos de fios ou fitas dispostos em

forma de espiral.

As resistncias podem ser ligadas em forma de circuitos monofsicos (fase-

neutro ou fase-fase) ou em circuitos trifsicos (na forma estrela ou tringulo) .

prefervel que seja na forma trifsica pois resulta numa menor quantidade do

material resistor.

Um dado muito importante que deve ser levado em considerao na hora de

escolher a seo da resistncia a carga especifica superficial,que representa a

maior taxa de transferncia de potncia cedida por unidade de superfcie.Sua

unidade dada em W/cm 2 . necessrio porm uma avaliao da seo,pois quanto

menor for menor ser o custo,no entanto ter sua durabilidade reduzida.

TABELA 1.1 Carga especfica superficial- W/cm 2

Temperatura do forno(C)Tipo de liga

600 700 800 900 1000 1100 1200

80%Ni

20%Cr

5 3.2 2.2 1.5 1.1 0.9 -

30%Ni

20%Cr

4.6 3.0 2.0 1.4 1.0 0.8 -

20%Cr 5% Al 8.0 5.8 4.3 3.1 2.2 1.3 -

Cr-Al-Co 3.9 3.5 3.0 2.4 1.5 - 0.8

TABELA 1.2 Caracterstica das ligas Cromel e Copel

Resistncia )/( m Dimetro do fio

(mm) 80%Ni 20%Cr 55%Cu 45%NI

10.414 0.01269 0.005742

8.255 0.02017 0.009121

6.553 0.03205 0.014502

5.182 0.05124 0.022467

4.115 0.08136 0.036747

3.251 0.13025 0.058861


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2.591 0.20506 0.092850

2.057 0.32515 0.146990

1.626 0.52102 0.235570

1.295 0.82020 0.370750

1.016 1.33210 0.602720

0.813 2.08340 0.941650

0.6426 3.3368 1.5092

0.5105 5.2791 2.3886

0.4038 8.4322 3.8158

0.3200 13.4190 6.0764

0.2540 21.3300 9.6461

0.2032 33.3350 15.0600

0.1600 53.7100 24.3120

0.1270 85.3060 38.5840

0.1143 105.3200 47.6400

0.1016 133.2100 60.2720

0.0890 174.2200 78.7400

0.0787 221.790 100.4000

Para dimensionarmos um forno de resistncia de aquecimento indireto

estabelecemos algumas etapas:

Etapa 1- Potncia desejada do forno

A potncia desejada depende do material a ser trabalhado e do tempo para o

qual deseja atingir a condio de operao. No caso de materiais metlicos,

podemos verificar na tabela 1.3 a energia que deve ser utilizada para elevar as suas

temperaturas a um valor desejado, prximo ao de fuso.

TABELA 1.3 Energia para elevar a temperatura dos metais (kWh/ton)

TemperaturaMaterial

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Ao 50 60 90 120 160 175 215 225 250 260 280 295


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Gusa - - - - - - - - 310 330 345 375

Al 100 140 170 300 335 370 393 - - - - -

Cu - 57 65 76 90 100 120 135 200 215 223 235

Ag 27 38 45 50 55 60 105 110 120 127 135 140

Ni 50 60 85 100 115 140 160 180 195 220 237 333

Os nmeros em negrito representam a energia aproximada,por tonelada, para

os materiais indicados atingirem o estado de fuso.

A Eq 1.1 nos fornece a potncia do forno de acordo com a quantidade de

energia necessria para sua operao, e que uma funo da natureza da carga de

trabalho.

T

PEP mf

=

Onde:

Pf = Potncia do forno

= rendimento do forno (varia de 0.6 a 0.8)

T= tempo desejado para o material atingir a sua temperatura de trabalho (em horas)

Pm = peso do material a ser trabalhado (em toneladas)

E = energia consumida no processo desejado (em kWh/t)

A seguir apresentada uma tabela com os principais propriedades de

materiais utilizados nas resistncias de fornos.

Material Composio Resistividade

-mm 2/m

Ponto de

fuso(C)

Resitncia

trao

(kg/mm 2 )

Nicromo Ni-Fe-Cr 1.1221 1350 66.79

Nicromo V Ni-Cr 1.0806 1400 70.31

Cromax Fe-Ni-Cr 0.9975 1380 49.22

Nirex Ni-Cr-Fe 0.9809 1395 56.25

Nilvar Fe-Ni 0.8046 1425 49.22

Bronzecomercial

Cu-Zn 0.0415 1040 26.01


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Ni puro Ni 0.0997 1450 42.18

Platina Pt 0.1060 1773 34.00

Ao Fe 0.0999 1535 35.15

Zinco Zn 0.0592 419 15.47

Molibdnio Mo 0.0569 2625 70.31

Tungstnio W 0.0552 3410 344.542

Alumnio Al 0.0267 660 24.61

Ouro Au 0.0242 1063 27.00

Cobre Cu 0.0172 1083 24.61

Prata Ag 0.0163 960 -

Etapa 2 - Determinao do dimetro do fio resistor

=

VN

P

PD

p

ff

e

f

4.34

Onde :

fD = dimetro do fio resistor (em mm);

= resistividade do material resistor, em mm 2/m;

V = tenso de suprimento, em V;

P e= carga especfica superficial do resistor, em W/cm 2 ;

Pff = potncia por fase do forno, em kW;

Np = nmero de circuitos resistores em paralelo;

Etapa 3 - Determinao do comprimento do fio do resistor

m

r

fR

RL

=

Rf = resistncia do fio, em


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Rm

= resistncia, por unidade, do fio resistor, em /m

2.4 TUNGSTNIOO tungstnio (conhecido antigamente como volfrmio ou wolfrmio) um

elemento qumico de smbolo W , nmero atmico 74 (74 prtons e 74 eltrons )

com massa atmica 184u situado no grupo 6 da classificao peridica dos

elementos. um metal de transio que, temperatura ambiente, encontra-se no

estado slido.

Metal escasso na crosta terrestre, encontrado em forma de xido e de sais

em certos minrios tais como wolframita e scheelita, entre outros. De cor brancaacinzentada, brilhante, muito duro e denso, tem o ponto de fuso mais alto de todos

os elementos.

Foi isolado em 1783 pelos irmos Jos Elhuyar e Fausto Elhuyar, na

Espanha, aos quais creditada a descoberta do elemento.

O elemento apresenta o mais elevado ponto de ebulio (5657 C), a menor presso

de vapor e a mais elevada resistncia a tenso em temperaturas acima de 1650C,

entre todos os metais.Seu ponto de fuso 3680C. Sua resistncia corroso

excelente e s atacado ligeiramente pela maioria dos cidos minerais diludos. O

tungstnio, quando exposto ao ar, forma na sua superfcie um xido protetor, porm

pode ser oxidado em alta temperatura. Quando adicionado em pequenas

quantidades ao ao eleva consideravelmente a sua dureza.

2.4.1 OBTENO DE TUNGSTNIO

Os principais minrios de tungstnio (W) so o CaWO4, o PbWO3 e a

Wolframita [(Mn, Fe)WO4]. Esses minrios so encontrados principalmente na

China, Estados Unidos, Burma, Malsia, Portugal e Bolvia. Os minrios so

inicialmente tratados com soda, do que resulta um wolframato de sdio, e que

fornece xido de tungstnio (WO3). Aps uma secagem a 300 C, o xido reduzido

p a 800 1000 C. A refrigerao deve ser efetuada em ambiente de hidrognio.

Os gros de p metlico sero tanto maior quanto mais elevada a temperatura e

mais longo o tempo de reduo. A reao qumica a seguinte:

WO3+3H(W+3H2O)


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A reduo do WO3 pode ser feita tambm por carbono finalmente dividido

quanto por monxido de carbono (CO), aplicando a 1000 C. Esse ltimo processo

parece menos adequado obteno de tungstnio para uma das suas principais

aplicaes, que na fabricao de filamentos de lmpadas. O tungstnio possui

uma temperatura de fuso muito elevada, da ordem de 3300 a 3400 C. Esse fato

dificulta extremamente, ou mesmo impossibilita, sua fuso, fazendo com que

geralmente seja usado o processo da sintetizao dos ps.

A fabricao do p de tungstnio a nvel industrial pode ser feita alm do

trixido de tungstnio (WO3), por cido tungstico (H2WO4) ou por xido azul (TBO),

reduzidos por hidrognio em fornos resistivos rotativos ou formato parafuso. O

processo convencional de obteno de p de W mostrado na figura 2. Omonitoramento de alguns parmetros desse processo, tais como temperatura, fluxo

de H2 e granulometria do produto inicial permiti-nos obter ps com as caractersticas

controladas.

FIGURA 2 - Processo convencional de reduo por H2 Jiqiao.

O grau de finura das partculas esta associado ao processo de fabricao.Segundo Chiaverini( partculas de tungstnio, ou seja, quanto mais fino esse xido,

mais fino ser o p de tungstnio resultante. Ainda segundo Jiqiao a finura e

homogeneidade do p de W tornam-se fator chave na produo do p de tungstnio.

De acordo com este ponto de vista, a escolha adequada das condies de reduo

do xido de tungstnio tornou-se mais e mais importante para o processo

convencional de reduo.

Vrios estudos sob a produo de Wforam realizados e indicam a importncia

das propriedades e tamanho de partculas da matria-prima de reduo. Estes

estudos revelem que para baixa razo de presses parciais pH2/pH2O as reaes de


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reduo ocorrem em atmosferas prximas ao do equilbrio termodinmico,

significando portanto, baixa taxa de nucleao e conseqentemente, grandes cristais

sero produzidos. Haubner verificou que cada tomo de tungstnio transportado

durante a reduo na forma gasosa WO2 (OH)2 e que, quanto mais curto for esse

caminho, mais finos so os cristais formados.

WO3 calcinado a 800C, sem

moagem

WO3 calcinado a 800C, modo

por 9 horas

(a) (b)

(c) (d)

FIGURA 3 (a) e (c) micrografia do WO3 obtido da calcinao do APT sem

moagem;(b) e (d) micrografia do WO3 obtido da calcinao do APT com moagem por

9h.


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WO3 reduzido a 800C/1h.

(a) (b)

Figura 4 Micrografia do WO3 reduzido a 800C/1h em atmosfera de H2.(a)

aumento de 500x; (b) aumento de 5000x.

3. FORNOS DE INDUO

So os tipos de fornos que utilizam corrente de Foucault para produzir ou

manter a fuso de um determinado metal encerrado dentro de um recipiente isolado

termicamente por material refratrio e envolvido por uma bobina indutora.

Os fornos de induo operam basicamente como um transformador, no qual o

primrio representa a bobina de induo e o secundrio, em curto circuito, equivale

carga metlica de trabalho. As bobinas de induo so geralmente fabricadas de

cabos tubulares de cobre eletroltico, dentro dos quais circula o meio

refrigerante(normalmente gua tratada).

Uma grande vantagem do forno de induo o fato de se poder transferir para

a carga de trabalho uma potncia elevada de operao, sem que isso provoque

fenmenos qumicos externos que, combinados, modifiquem as caractersticas do

material processado.

O rendimento dos fornos de induo varia conforme alguns fatores,dentre eles

a geometria do circuito indutivo e do material processado,as caractersticas eltricas

e trmicas da carga,a intensidade do campo magntico da bobina de induo, a

freqncia de operao do circuito indutivo, a resistividade do material da carga e

suas perdas magnticas.Mais do que isto,o rendimento tambm est associado

diretamente a profundidade de penetrao das correntes das correntes induzidas nomaterial da carga.Quanto maior for a freqncia do circuito indutivo, menor a


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penetrao das correntes de Foucault na carga processada.Alm destes,o

rendimento maior para cargas compostas de materiais ferromagnticos do que

para materiais diamagnticos e paramagnticos.

As tenses de operao das bobinas de induo variam de 60 a 600

V,dependendo da regulao que se deseja.

Os fornos de induo so geralmente monofsicos, sendo as bobinas de

induo ligadas entre duas fases de um circuito trifsico, provocando assim

inevitavelmente um desequilbrio de corrente no sistema alimentador.

H trs tipos diferentes de fornos de induo, cada um com uma aplicao

especfica,ou seja:

Forno de induo a canal

Forno de induo de cadinho

Forno de induo para aquecimento de tarugos

3.1 FORNOS DE INDUO A CANAL

Este tipo de forno constitudo por um ou mais recipientes isoladostermicamente, em torno dos quais se constri uma carcaa metlica dentro da qual

se deposita a carga de trabalho. Em comunicao direta com o recipiente h um

canal construdo na parte inferior, em forma circular, cheio do material fundido da

prpria carga. No interior do mesmo so colocadas as bobinas de induo

envolvendo um ncleo magntico, submetido, em geral, por uma tenso

freqncia industrial.

Os fornos de induo a canal tm aplicao na manuteno da temperaturade metais j fundidos por outro forno ou por outro meio. Tambm so muito

empregados na fuso de cobre, alumnio, zinco, bronze e etc.


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FIGURA 6 - Forno de induo a cadinho.

3.3 FORNOS DE INDUO PARA AQUECIMENTO DE TARUGOS

Este tipo de forno constitudo de vrias bobinas circulantes, instaladas no

interior do material refratrio, atravs das quais introduzida a carga. empregado

particularmente nas indstrias siderrgicas destinadas a fabricao de ferro para

construo civil.

As bobinas que constituem o indutor podem ser de dimensionamentos

diferentes, a fim de manterem a temperatura no material de trabalho dentro de

condies adequadas de processo.

Os fornos de induo para aquecimento de tarugos so constitudos

basicamente de um conversor de freqncia para permitir uma freqncia

compatvel com o processo desejado, um banco de capacitores, sistema de

refrigerao das bobinas de induo e o conjunto de bobinas indutoras.

4. FORNOS A ARCO

So assim chamados pois utilizam propriedades do arco eltrico para

produzirem a fuso dos metais mantidos dentro de uma cuba isolada termicamente

por material refratrio. Eles so muito empregados nas indstrias destinadas fuso

do ferro e ao, alm de outros materiais tais como cobre, lato, bronze, e outras

ligas metlicas.


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O arco eltrico formado pela passagem de uma corrente entre dois

eletrodos, tendo como meio ionizado geralmente o ar.

Eles so subdividos em 3 tipos:

Arco submerso ou arco-resistncia

Arco indireto

Arco direto

Os fornos a arco so fontes permanentes de poluio ambiental, tal a

quantidade de gases e material slido expelidos para a atmosfera. A poeira

lanada para o meio ambiente constituda, em sua maioria, por xidos (CaO,

MnO, SiO e Fe2O3), e chega a atingir em mdia 11kg/t de carga, correspondendo

percentualmente a marca de 1,1% da poluio.

4.1 FORNOS A ARCO SUBMERSO

composto por uma cuba revestida de material refratrio dentro do qual

operam eletrodos submersos na massa da carga de trabalho. So muito aplicados

produo de diversas ligas de ferro que dependendo da sua composio, consomem

uma quantidade de energia compreendida entre 3000 e 6000 kWh/t, podendo atingirainda valores superiores. So empregados tambm na manuteno do estado

lquido da gusa ou ao oriundo de outros tipos de fornos.Este tipo de forno no

apresenta distrbios no sistema alimentador.

4.2 FORNOS A ARCO INDIRETO

Nesta espcie de forno h uma cuba revestida do material refratrio dentro do

qual operam eletrodos fixados horizontalmente num ponto acima da carga detrabalho. O arco mantido entre os eletrodos, e a energia trmica atinge a carga

atravs dos fenmenos de irradiao e conveco. So pouco utilizados e suas

aplicaes destinam-se a fuso de materiais no-ferrosos.

4.3 FORNOS A ARCO DIRETO

Estes fornos so constitudos por uma cuba revestida de material refratrio

dentro da qual operam os eletrodos posicionados verticalmente acima da carga detrabalho. Sua aplicao especificamente est voltada para a fuso de sucata de

ferro e ao dirigida fabricao de lingotes que, aps laminados, se convertem em


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vergalhes utilizados na construo civil e em barras de espessuras e tamanhos

variados. Aplica-se tambm no superaquecimento e manuteno da temperatura de

banhos de metais lquidos provenientes de outros fornos.

Os fornos de arco direto em geral so trifsicos, seu funcionamento baseia-se

na formao de um arco entre os eletrodos e a carga. A operao se inicia com a

ignio do arco e termina aproximadamente duas horas e meia depois, quando a

carga vazada da cuba refratria.Este processo de operao pode ser dividido em

dois ciclos, o primeiro caracteriza-se pelo constante movimento da massa slida a

ser fundida; ocasionando variaes de correntes motivadas pela instabilidade do

arco.Ocorrem cerca de 600 a 1000 curto circuitos e o perodo dura

aproximadamente 50 minutos. a parte mais crtica do regime de operao do forno.O segundo ciclo, comumente chamado de refino, caracterizado por uma melhor

estabilidade do arco devido ao estado lquido que a carga adquiriu. Neste ciclo, as

flutuaes de tenso so de menor intensidade, resultando num regime de

operao mais favorvel.

A operao do forno em curto-circuito caracterizada quando a queda de

tenso no arco nula, isto , os eletrodos esto diretamente em contato com a

carga metlica. A potncia ativa absorvida pelo forno neste ciclo praticamentenula. O forno absorve somente potncia reativa.

Partes fsicas de um forno a arco direto:

4.3.1 CUBA REFRATRIA

constituda de um recipiente de ao de grande espessura, isolada

termicamentepor materiais refratrios compostos base de argila, dentro da qual depositada a

carga de trabalho.Na parte superior da cuba h uma tampa onde esto os

eletrodos.A tampa geralmente tem formato cncavo, constituda de ao revestido

internamente por uma camada de material refratrio.

Tanto a cuba quanto a tampa possuem so resfriadas atravs de um sistema de

refrigerao cujo meio circulante gua.


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4.3.2 ELETRODOS

Os eletrodos so constitudos de um bloco cilndrico de grafite de comprimento

variveis de acordo com a capacidade do forno.Com o uso ocorre um desgaste do

mesmo,seu comprimento reduzido, sendo necessrio fazer uma emenda

apropriada. Os eletrodos de grafite apresentam uma densidade de corrente mxima

de 40A/cm 2 .

4.3.3 TRANSFORMADOR

Este equipamento de fabricao especial, sendo imerso em leo mineral e

refrigerado por gua. Deve suportar elevadas solicitaes eletrodinmicas. So

trifsicos tendo o primrio ligado em estrela e o secundrio em delta.

4.3.4 CABOS FLEXVEIS

So condutores de cobre anular resfriados a gua e fazem a conexo entre as

barras fixas,ligando o secundrio do transformador ao forno.

4.3.5 DISJUNTOR DE FORNO

o equipamento de proteo do transformador do forno. Possui elevada capacidadede ruptura. So de ar comprimido ou a vcuo.

5. REFRATARIOS

O que muitas vezes encarece um forno eltrico a troca peridica de seu

refratrio. Os materiais cermicos so utilizados nos refratrios devido as suas

propriedades que o fazem resistir a elevadas temperaturas sem se fundir. Alm da

capacidade de proporcionar isolamento trmico.O desempenho de uma cermica refrataria depende de sua composio. Eles

podem ser classificados como argila refratria, slica, bsica, e refratrios especiais.

A porosidade uma varivel microestrutural que deve ser controlada para

produzir um tijolo refratrio adequado. A resistncia, a capacidade de suportar uma

carga e a resistncia ao ataque de por materiais corrosivos aumentam em funo de

uma reduo na porosidade. Ao mesmo tempo as caractersticas de isolamento

trmico so diminudas.Obviamente, a porosidade tima depende das condies de

servio.


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FIGURA 7 - Cadinho de forno eltrico

5.1 ARGILAS REFRATRIAS

Os principais ingredientes das argilas refratrias so argilas refratrias de alta

pureza, misturas de alumina e slica contendo geralmente 25 a 45% de alumina. De

acordo com o diagrama de fases para o SiO 2 -Al 2 O 3 ,ao longo de uma faixa de

composies a maior temperatura possvel sem que ocorra a formao de uma fase

liquida de 1587C. Durante o uso em servios refratrios, a presena de uma

pequena quantidade de fase liquida pode ser permitida sem que haja um

comprometimento da integridade mecnica. Acima de 1587C, a frao de fase

lquida presente depender da composio do refratrio.

Os tijolos de argila refratria so usados nos fornos para confinar atmosferas

quentes e para isolamento trmico de membros estruturais contra temperaturas

excessivas. Para os tijolos de argila refratria, a resistncia no habitualmente

uma considerao importante, uma vez que habitualmente no exigido o suporte

de cargas estruturais.

5.2 REFRATRIOS A BASE DE SLICA

Seu ingrediente principal como o prprio nome j diz a slica. Esses

materiais so bastante conhecidos pela sua capacidade de suportar cargas a altas

temperaturas,so comumente utilizados nos tetos em arco de fornos para a

fabricao de aos e vidros,podem atingir at 1650C.Nessas condies ,uma

pequena frao de tijolo existir fase lquida .A presena mesmo em pequenas

concentraes de alumina tem uma influncia negativa sobre o desempenho desses

materiais refratrios, pois a cerca de 1600C pequenas adies de Al2O3 pode fazer


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com que haja quantidades significativas de lquidos em temperaturas acima de

1600C.Assim o teor de alumina deve ser mantido o mnimo possvel.

Estes materiais tambm so resistentes a escrias ricas em slica

(conhecidas como escrias cidas) e so usados com freqncia como vasos de

contentao para tal.Por outro lado eles so facilmente atacados por escrias que

contm uma proporo elevada de CaO e MgO(escrias bsicas).

5.3 REFRATRIOS BSICOS

So os refratrios ricos em periclsio, ou Magnesita (MgO).Eles podem conter

tambm compostos de clcio, cromo e ferro. A presena de slica prejudicial ao

desempenho desses materiais a altas temperaturas. Estes refratrios soespecialmente resistentes ao ataque por escrias que contm concentraes

elevadas de CaO e MgO.So muito utilizados para fornos de fabricao de ao.

5.4 REFRATRIOS ESPECIAIS

Existem alguns materiais cermicos que so consistem em xidos com

pureza relativamente alta,muitos dos quais podem ser produzidos com pouca

porosidade. Neste grupo esto inclusos a alumina, slica, Magnesita, berlia(BeO),zircnia (ZrO) e mulita (3Al2O3-2SiO2).Outros materiais incluem compostos a base

de carbeto, alm carbono e da grafita. O carbeto de Silcio (SiC) tem sido usado

para fabricar elementos de aquecimento por resistncia eltrica, como os materiais

usados em cadinhos e em componentes internos do forno. O carbono e a grafita

refratrios, porm sua aplicao limitada pelo fato de sua suscetibilidade a

oxidao quando expostos a temperaturas superiores a aproximadamente 800C.

Como esperado esses materiais refratrios especiais so relativamente caros.

6. CONCLUSO

O estudo dos fornos eltricos se faz necessrio para o ramo da engenharia

no apenas como complemento bibliogrfico, mas para que os acadmicos possam

conhecer os diversos tipos de fornos e seus funcionamentos, durante sua

experincia profissional importante que tenha conhecimento sobre tal assunto para

a elaborao de projetos industriais que venham a fazer.Saber tambm que

periodicamente os refratrios devem ser trocados para que no desgastem e faam

reaes com os materiais que esto sendo trabalhados neste forno.Muitos


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fenmenos de anomalias peas de diversos tipos de materiais pode ser explicado

por um profissional da rea de matrias investigando o processo de fabricao e

obteno do mesmo, ligando assim diretamente o estudo de fornos eltricos,que

utilizado para fundir inmeros matrias, proporcionando caractersticas peculiares a

cada material utilizado na indstria atual.

7. CURIOSIDADE

Em uma Indstria de vidros de So Paulo,verificou-se que os vidros ali

produzidos estavam apresentando defeitos de corda.Iniciaram-se os estudos para

descobrir porque o fenmeno estava ocorrendo to freqentemente nos exemplares

da fbrica.Foram feitos estudos e micrografias dos vidros como pode se verificar nafigura 8. Toda a parte de simulao do forno foi reestudada e analisada a

composio e estado do material refratrio do forno. Foi possvel notar que houve

um transporte de massa de SiO2 para o vidro.Assim ao final do estudo pode-se

comprovar que o refratrio estava se degradando e reagia com o vidro quando o

mesmo estava sendo fundido.

FIGURA 8 Micrografia de um vidro que estava apresentando defeitos

(defeitos de cordas).


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FIGURA 9 - Cadinho atacado pelo vidro

FIGURA 10 - Cadinho atacado pelo vidro


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FIGURA 11 - Vista em corte do forno da fbrica

8. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

MAMEDE,Joo Filho.Instalaes eltricas Industriais.LTC, 5ed., Rio de Janeiro -

RJ, 1997.

CALLISTER Jr,Willian D. Fundamentos da Cincia e Engenharia de Materiais, LTC,Rio de Janeiro - RJ, 2006.

ROUSE,Maurcio Radino.Anlise e Simulao de forno eltrico de fuso de

vidro.USP.So Paulo-SP,2006

TUNGSTNIO.Disponvel em www.tabela.oxigenio.com. Acesso em 23/05/2009.


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RELS

Vinicius Fritsch

1. INTRODUO

Rel um dispositivo eletro-mecnico ou no, com inmeras aplicaes

possveis em comutao (acionamento/desligamento) de contatos eltricos.

Servindo para ligar ou desligar dispositivos eltricos e eletrnicos. normal o rel

estar ligado a dois circuitos. No caso do Rel eletro-mecnico, a comutao

realizada alimentando-se a bobina do mesmo.Quando uma corrente originada no

primeiro circuito passa pelo dispositivo, um campo eletromagntico gerado,acionando o rel e possibilitando o funcionamento do segundo circuito. Sendo

assim, uma das vantagens do rel utilizar-se de baixas correntes para o comando

no primeiro circuito, protegendo o operador das possveis altas correntes que iro

circular no segundo circuito.

Os tipos de rels existentes e suas aplicaes tem uma grande diversidade

em vrias reas como no setor energtico por exemplo, um dos principais nichos do

mercado de rels. Ao contrrio do que a grande maioria das pessoas pensam, osrels no se limitam ao uso em veculos. Pelo contrrio, so largamente utilizados

na indstria, desde o processo de automao at os produtos fabricados para uso

em residncias e comrcios. Os primeiros computadores utilizavam rels para

implementar funes booleanas. Na figura 1 observamos a foto de um rel aberto.

FIGURA 1 - Um rel aberto


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Neste trabalho, vamos entender como funcionam os rels, saber onde eles

so utilizados e tambm estudar os materiais utilizados na sua construo.

2. CONSTRUO E FUNCIONAMENTO DE UM RELOs rels so dispositivos simples e possuem quatro partes:

eletrom

armadura que pode ser atrada pelo eletrom

mola

conjunto de contatos eltricos

O rel formado por dois circuitos completamente independentes. O primeiro

est na parte inferior e funciona com o eletrom. Neste circuito, um switch controla a

potncia do eletrom. Quando o switch est ligado, o eletrom ativado e atrai a

armadura (azul). A armadura funciona como um switch no segundo circuito. Quando

o eletrom est energizado, a armadura completa o segundo circuito e a luz se

acende. Quando o eletrom no est energizado, a mola puxa a armadura e o

circuito no se completa. Neste caso, a luz no acende.

Quando voc adquire um rel, voc pode controlar diversas variveis.

a voltagem e corrente necessrias para ativar a armadura; a voltagem e corrente mximas que a armadura e contatos da armadura

podem suportar;

o nmero de armaduras (geralmente, uma ou duas);

o nmero de contatos da armadura; geralmente, um ou dois (o rel do

exemplo tem dois, mas um no utilizado);

se o contato (caso exista apenas um contato) est normalmente aberto (NA)

ou normalmente fechado (NF).Os rels so dispositivos comutadores eletromecnicos. A estrutura simplificada

de um rel mostrada na figura 1 e a partir dela explicaremos o seu princpio de

funcionamento.


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FIGURA 2 desenho bidimensional de um rel

Nas proximidades de um eletroim instalada uma armadura mvel que tem

por finalidade abrir ou fechar um jogo de contatos. Quando a bobina percorrida por

uma corrente eltrica criado um campo magntico que atua sobre a armadura,

atraindo-a. Nesta atrao ocorre um movimento que ativa os contatos, os quais

podem ser abertos, mfechados ou comutados, dependendo de sua posio,

conforme mostra a figura 2.

FIGURA 3 chaveaveamento de um rel

Isso significa que, atravs de uma corrente de controle aplicada bobina de

um rel, podemos abrir, fechar ou comutar os contatos de uma determinada forma,


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controlando assim as correntes que circulam por circuitos externos. Quando a

corrente deixa de circular pela bobina do rel o campo magntico criado

desaparece, e com isso a armadura volta a sua posio inicial pela ao da mola.

Os rels se dizem energizados quando esto sendo percorridos por uma

corrente em sua bobina capaz de ativar seus contatos, e se dizem desenergizados

quando no h corrente circulando por sua bobina.

A aplicao mais imediata de um rel com contato simples no controle de

um circuito externo ligando ou desligando-o, conforme mostra a figura 3. Observe o

smbolo usado para representar este componente.

Quando a chave S1 for ligada, a corrente do gerador E1 pode circular pela

bobina do rel, energizando-o. Com isso, os contatos do rel fecham, permitindo quea corrente do gerador E2 circule pela carga, ou seja, o circuito controlado que pode

ser uma lmpada.

FIGURA 4

Para desligar a carga basta interromper a corrente que circula pela bobina do

rel, abrindo para isso S1.

Uma das caractersticas do rel que ele pode ser energizado com correntes

muito pequenas em relao corrente que o circuito controlado exige para

funcionar. Isso significa a possibilidade de controlarmos circuitos de altas correntes

como motores, lmpadas e mquinas industriais, diretamente a partir de dispositivos

eletrnicos fracos como transistores, circuitos integrados, fotoresistores etc.

A corrente fornecida diretamente por um transistor de pequena potncia da

ordem de 0,1A no conseguiria controlar uma mquina industrial, um motor ou uma

lmpada, mas pode ativar um rel e atravs dele controlar a carga de alta potncia.

(figura 4)


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FIGURA 5

Outra caracterstica importante dos rels a segurana dada pelo isolamento

do circuito de controle em relao ao circuito que est sendo controlado. No existe

contato eltrico entre o circuito da bobina e os circuitos dos contatos do rel, o que

significa que no h passagem de qualquer corrente do circuito que ativa o rel para

o circuito que ele controla.

Se o circuito controlado for de alta tenso, por exemplo, este isolamento pode

ser importante em termos de segurana.

Do mesmo modo, podemos controlar circuitos de caractersticas

completamente diferentes usando rels: um rel, cuja bobina seja energizada com

apenas 6 ou 12V, pode perfeitamente controlar circuitos de tenses mais altas como

110V ou 220V. O rel que tomamos como exemplo para analisar o funcionamentopossui uma bobina e um nico contato que abre ou fecha.

3. APLICAES DOS RELS

O objetivo do rel utilizar pequena quantidade de energia eletromagntica

(proveniente, por exemplo, de um pequeno interruptor ou circuito eletrnico simples)

para mover uma armadura que pode gerar uma quantidade de energia muito maior.

Por exemplo, voc pode usar 5 volts e 50 miliamperes para ativar o eletrom eenergizar uma armadura que suporta 120V AC em 2 ampres (240 watts).

Os rels so comuns em eletrodomsticos, geralmente quando existe um

controle eletrnico que liga algo como um motor ou uma lmpada. Eles tambm so

muito comuns em carros, onde a fonte de energia de 12V significa que quase tudo

no carro precisa de uma grande quantidade de corrente. Nos modelos mais novos,

os fabricantes combinam os painis de rels na caixa de fusveis para facilitar a

manuteno. As seis caixas cinzas nesta foto da caixa de fusveis do Ford Winstarso rels.


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FIGURA 6 - Caixa de fusveis do Ford Winstar.

Em lugares onde se precisa de uma grande quantidade de energia, os rels

so ligados em cascata. Neste caso, um pequeno rel energiza um rel maior e

este ltimo aciona a energia suficiente para realizar o trabalho.

Os rels tambm podem ser utilizados para implementar a lgica booleana.

O que determina a utilizao de um rel numa aplicao prtica so suas

caractersticas. O entendimento dessas caractersticas fundamental para a escolha

do tipo ideal.

A bobina de um rel enrolada com um fio esmaltado cuja espessura e

nmero de voltas so determinados pelas condies em que se deseja fazer sua

energizao.

A intensidade do campo magntico produzido e, portanto, a fora com que a

armadura atrada depende tanto da intensidade da corrente que circula pela

bobina como do nmero de voltas que ela contm. Por outro lado, a espessura do fio

e a quantidade de voltas determinam o comprimento do enrolamento, o qual

funo tanto da corrente como da tenso que deve ser aplicada ao rel para sua

energizao, o que no fundo a resistncia do componente. Todos estes fatores

entrelaados determinam o modo como a bobina de cada tipo de rel enrolada. De

um modo geral podemos dizer que nos tipos sensveis, que operam com baixas

correntes, so enroladas milhares ou mesmo dezenas de milhares de voltas de

fiosesmaltados extremamente finos, alguns at mesmo mais finos que um fio decabelo.


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FIGURA 7

As armaduras dos rels devem ser construdas com materiais que possam

ser atrados pelos campos magnticos gerados, ou seja, devem ser de materiais

ferromagnticos e montadas sobre um sistema de articulao que permita sua

movimentao fcil, e retorno posio inicial quando o campo desaparece.

Peas flexveis de metal, molas ou articulaes so alguns dos recursos que

so usados na montagem das armaduras.

A corrente mxima que os rels podem controlar depende da maneira como

so construdos os contatos. Alm disso existe o problema do faiscamento que

ocorre

durante a abertura e fechamento dos contatos de rel, principalmente no controle de

determinado tipo de carga (indutivas).

O material usado deve ento ser resistente, apresentar boa capacidade de

conduo de corrente e, alm disso, ter um formato prprio, dependendo da

aplicao a que se destina o rel.

Dentre os materiais usados para a fabricao dos contatos podemos citar o

cobre, a prata e o tungstnio. A prata evita a ao de queima provocada pelas

fascas, enquanto os contatos de tungstnio evitam a oxidao. O nmero de

contatos e sua disposio vai depender das aplicaes a que se destinam os rels.


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4. COMO FUNCIONA UMA ELETROM

A idia bsica por trs de um eletrom extremamente simples: ao passar

uma corrente eltrica por um fio, possvel criar um campo magntico.

Usando este princpio simples, possvel criar todos os tipos de coisas,

incluindo motores, solenides, cabeotes de leitura/gravao para discos rgidos e

toca-fitas, alto-falantes e outras coisas mais.

4.1 M COMUM

Antes de falar sobre os eletroms, vamos falar sobre os ms normais e

"permanentes" como os que colocamos na geladeira e com os quais voc

provavelmente brincava quando criana.Os ms tm 2 lados, normalmente marcados com "norte" e "sul", e eles

atraem coisas feitas de ferro ou ao. Provavelmente voc sabe a lei fundamental de

todos os ms: os lados opostos se atraem e os iguais se repelem. Por isso, se

tiver 2 barras de m com extremidades marcadas "norte" e "sul", a extremidade

norte de um m ir atrair a extremidade sul do outro. Por outro lado, a extremidade

norte de um m ir repelir a extremidade norte do outro (e de maneira semelhante,

a sul de um ir repelir a sul do outro).Um eletroim muito semelhante, exceto pelo fato de que "temporrio", ou

seja, o campo magntico s existe quando a corrente eltrica est passando.

4.2 ELETROM

Um eletrom comea com uma pilha ou bateria (ou alguma outra fonte de

energia) e um fio. O que a pilha produz so os eltrons.

Se voc olhar qualquer pilha D (uma pilha de lanterna, por exemplo), d paraver que h duas extremidades, uma marcada com um sinal de mais (+) e outra

marcada com o sinal de menos (-). Os eltrons esto agrupados na extremidade

negativa da pilha e, podem fluir para a extremidade positiva, com o auxlio de um fio.

Se voc conectar um fio diretamente entre os terminais positivo e negativo de uma

pilha, trs coisas iro acontecer:

os eltrons iro fluir do lado negativo da pilha at o lado positivo o mais

rpido que puderem;

a pilha ir descarregar bem rpido (em questo de minutos). Por esse

motivo, no costuma ser uma boa idia conectar os 2 terminais de uma pilha


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diretamente um ao outro, normalmente, voc conecta algum tipo de carga no

meio do fio. Essa carga pode ser um motor, uma lmpada, um rdio;

um pequeno campo magntico gerado no fio. esse pequeno campo

magntico que a base de um eletrom.

4.3 CAMPO MAGNTICO

A idia de campo magntico pode ter lhe surpreendido, mas ele,

definitivamente, existe em todos os fios que transportam eletricidade. D para provar

isso com um experimento. Voc vai precisar de:

uma pilha AA, C ou D;

um pedao de fio; se no tiver um fio na sua casa, compre um carretel de fio

de cobre fino isolado em uma loja de equipamentos eletrnicos ou de

ferragens perto da sua casa. Um fio como o de telefone perfeito, basta voc

cortar a capa de plstico e vai encontrar 4 fios l dentro;

uma bssola.

FIGURA 8

Coloque a bssola sobre a mesa e, com o fio perto da bssola, conecte, poralguns segundos, o fio entre as extremidades positiva e negativa da pilha. O que

voc vai perceber que a agulha da bssola se desloca. Inicialmente, a bssola ir

apontar para o plo norte da Terra, como mostrado na figura direita (lembre-se que

dependendo da sua posio no planeta, a agulha no ficar como a da nossa

figura.). Ao conectar o fio pilha, a agulha da bssola oscila, visto que essa agulha

um pequeno m com um plo norte e um plo sul. Considerando que a agulha

pequena, ela sensvel a campos magnticos pequenos. Ento, o campo magnticocriado no fio, pelo fluxo de eltrons, afeta a bssola.


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4.4 BOBINA

A figura abaixo mostra o formato do campo magntico ao redor do fio. Nessa

figura, imagine que voc cortou o fio e est olhando para ele a partir de sua ponta. O

crculo verde na figura o corte transversal do fio. Um campo magntico circular se

desenvolve ao redor do fio, como mostrado pelas linhas circulares na ilustrao

abaixo. O campo fica mais fraco conforme se afasta do fio (as linhas de campo ficam

mais afastadas umas das outras conforme se distanciam do fio). possvel ver que

o campo perpendicular ao fio e que o sentido do campo depende do sentido da

corrente no fio. A agulha da bssola se alinha com esse campo. Usando o

dispositivo que voc criou na seo anterior, se voc inverter as ligaes na pilha,

de forma que a corrente flua em sentido contrrio, e o experimento for repetido,voc vai ver que a agulha da bssola se alinha no sentido oposto.

FIGURA 9 Campo magntico em um fio

Devido ao fato de que o campo magntico ao redor de um fio circular eperpendicular a ele, uma maneira fcil de amplificar esse campo magntico enrolar

o fio como uma bobina, como mostrado abaixo:


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FIGURA 10 Campo magntico de uma volta

Por exemplo, se voc enrolar o seu fio ao redor de um prego 10 vezes (10

espiras), conectar o fio pilha e trazer uma extremidade do prego perto da bssola,

voc vai descobrir que ele exerce um efeito muito maior sobre a bssola. Na

verdade, o prego se comporta da mesma maneira que um m em barra.

FIGURA 11Eletroim simples

No entanto, o m existe somente quando houver corrente fluindo da pilha.

Voc acabou de criar um eletrome vai descobrir que este m tem a capacidade

de iar pequenos objetos de ao como clipes de papel, grampos e tachinhas.

Os eletroms, atravs do campo magntico que produzem, aplicam uma

fora magntica em peas adequadas, as quais, por sua vez, podem ser utilizadas

para elevar uma carga, acionar um rel, afrouxar um freio sob presso por molas,

sustentar um pea de trabalho etc. Para tanto, os eletroms apresentam diferentes

formas construtivas, conforme se ilustra:


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FIGURA 12 - Em (a) temos o eletrom de ncleo, utilizado para afrouxar

freios, para vibradores, contactores etc.; em (b) aquele de alavanca mvel, utilizado

em contactores e rels; em (c) aquele de armadura tipo pisto, utilizado em freios,

acionamento de engrenagens etc.; em (d) o tipo com ncleo em E e, em (e) o tipo de

bobina anular usados nas embreagens, por exemplo.

A parte mvel de um eletrom se chama armadura. A atrao que o ncleo

do eletrom aplica sobre a armadura tanto mais intensa quanto mais intenso for o

fluxo magntico. Assim, para um dado eletrom (ou seja, fixado o nmero de

espiras do enrolamento), a intensidade da fora atrativa (chamada fora portante)

sobre a armadura ser tanto maior quanto mais intensa seja a corrente eltrica e

quanto menor for a distncia que separa a armadura do ncleo. Essa distncia entre

a armadura e o ncleo (h vrias situaes) o 'entreferro'. Na maioria dos modelos

de eletroms a fora portante cresce ao diminuir o entreferro, conforme ilustramos

abaixo, esquerda.

FIGURA 13

Os eletroms podem funcionar com corrente contnua ou com corrente

alternada, desde que a construo de seus ncleos sejam adequadas. Quando a

armadura est 'colada' ao ncleo, depois de conectada a corrente alternada, esta


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cresce, paulatinamente, at seu valor final e estabiliza; quando a armadura mvel,

varia tambm o fluxo magntico pois o entreferro est variando. Devido a isso,

aparece uma tenso induzida na bobina (veremos mais detalhes sobre isso, mais

adiante) e uma conseqente variao da intensidade de corrente durante o

movimento da armadura, como ilustrado acima, direita. A intensidade da fora

portante (fora de atrao entre ncleo e armadura) tambm pode variar lentamente

durante a atrao.

Os eletroms de corrente contnua podem ser acionados facilmente e atraem

com certa suavidade suas armaduras. Podem ser ligados e desligados milhares de

vezes uma vez que se aquecem menos funcionando de forma intermitente do que

continuamente. Ao ser desligado, um eletrom de corrente contnua produz umaelevao de tenso devido ao colapso do campo magntico, que pode produzir um

arco voltaico entre os terminais do interruptor. A causa disso, como sabemos, a

auto-induo.

Os eletroms de corrente contnua so fceis de conectar porm difceis de

desconectar.

FIGURA 14

Os eletroms de corrente contnua tm a vantagem, em relao aos de

corrente alternada, de trabalhar silenciosamente. Por isso, eles tm preferncia de

uso nos hospitais, hotis, alojamentos de idosos, por exemplo, como elementos

acionadores de interruptores distncia (contactores).

Quando queremos desconectar uma eletrom acionado por corrente

contnua, sem que apaream centelhas (fascas) entre seus terminais (ou do

interruptor que o aciona), devemos ligar em paralelo com o enrolamento do

eletrom, uma associao srie RC ou um diodo semi-condutor, como ilustramos


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acima. Em lugar da associao RC ou do diodo semi-condutor pode-se usar de

varstores.

Ao abrir o interruptor, a associao RC deixa circular uma corrente em curto

intervalo de tempo, a qual decresce paulatinamente, de maneira a evitar uma alta

tenso induzida na bobina. O diodo, do mesmo modo, deixa passar a corrente

gerada por auto-induo e, assim, recebe a denominao de 'diodo supressor'.

Nos pequenos eletroms de corrente contnua (por exemplo naqueles

utilizados em rels automotivos) usam-se diodos supressores ou associaes RC;

nos grandes aparelhos (por exemplo naqueles utilizados em acoplamentos

magnticos) so empregados exclusivamente diodos semi-condutores.

Os eletroms de corrente alternada tm um ncleo e uma armaduraconstitudos de chapas ferromagnticas (ferro-silcio) isoladas uma das outras. A

impedncia do enrolamento (reatncia indutiva) substancialmente maior que a sua

resistncia corrente contnua (resistncia hmica). Por isso, a bobina dos

eletroms de corrente alternada tm menos espiras e fio mais grosso que aquela

dos eletroms de corrente contnua de fora portante equivalente. A corrente de

conexo dos eletroms de corrente alternada pode ser muito intensa (ilustrao

abaixo), principalmente se o valor instantneo da tenso, precisamente no instantede "ligar", for ZERO.

FIGURA 15

Devido a atrao da armadura, aumenta a impedncia e diminui a intensidade

da corrente. A fora portante mxima aparece, portanto, no instante de "ligar"; a

atrao brusca. O arco voltaico que se produz ao se "desligar" menos perigoso

que nos eletroms de corrente contnua, uma vez que desaparece ao se anular a

corrente. Os picos de tenso que por ventura apaream, apesar do dito acima,


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podem ser sanados com uma associao srie RC ligada aos terminais da bobina

(em 220 VAC so tpicos os valores: R = 220 ohms e C = 0,5 F).

Os eletroms de corrente alternada se aquecem mais que os de corrente

contnua.

Os vibradores eletromagnticos (ilustrao acima, direita) so eletroms de

corrente alternada com armadura oscilante. Com eles podemos produzir oscilaes

mecnicas. So usados em instalaes de transporte e seleo, mquinas de

compactar, bombas de membrana etc.

5. CONCLUSO

O electroman, ou eletrom, um dispositivo essencial para o funcionamentode um rel e utiliza corrente eltrica para gerar um campo magntico, semelhantes

queles encontrados nos ms naturais. geralmente construdo aplicando-se um

fio eltrico espiralado ao redor de um ncleo de ferro, ao, nquel ou cobalto.

Quando o fio percorrido por uma corrente eltrica, a espira se submete a

uma tenso, o que gerar um campo magntico na rea circunvizinha a essa espira

(a intensidade do campo e a distncia que ele atingir a partir do eletrom

dependero da intensidade da corrente aplicada e do nmero de voltas da espira).A passagem de corrente eltrica por um condutor causa a indutncia

eletromagntica, porm o campo magntico muito pequeno.

O pedao de ferro toma as caractersticas de um m permanente. Desligada

a corrente, o ferro perde sua propriedade magntica.

6. BIBLIOGRAFIAWWW.feiradeciencias.com.br

CALLISTER JR., William D, Materials science and engineering: an introduction,

John Wiley & Sons,1996

VAN VLACK, PRINCPIOS DE CINCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS,

Editora Campus,1984

SCHAFFERE; SAXENA; ANTOLOVICH; SANDER AND WARNER, The Science

and Design of Engineering Materials. , 1,1


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DISJUNTORES

Rafael Paim

1. INTRODUO

Esse trabalho tem por objetivo mostrar o funcionamento e a constituio fsica

dos disjuntores, tais como suas utilidades no campo da engenharia eltrica.

O disjuntor um componente essencial na atualidade e um importante

mecanismo de segurana no interior de uma casa. Sempre que a fiao eltrica

recebe corrente muito elevada o disjuntor corta a energia at que algum

possa resolver o problema. Sem os disjuntores (ou, como alternativa, os fusveis), aeletricidade domstica seria impraticvel, devido ao perigo potencial de

incndios, danos resultantes de problemas na fiao eltrica ou falhas de

equipamento.

2. DISJUNTOR

O disjuntor um dispositivo eletromecnico que permite proteger uma

determinada instalao elctrica com sobre-intensidades (curto-circuitos ousobrecargas).

Sua principal caracterstica a capacidade de se rearmar (manual ou

eletricamente), quando estes tipos de defeitos ocorrem, diferindo do fusvel que tm

a mesma funo, mas que fica inutilizado depois de proteger a instalao. Assim, o

disjuntor interrompe a corrente em uma instalao eltrica antes que os efeitos

trmicos e mecnicos desta corrente possam se tornar perigosos s prprias

instalaes. Por esse motivo, ele serve tanto como dispositivo de manobra como deproteo de circuitos eltricos.

Um disjuntor bsico consiste de um simples interruptor, conectado a uma

lmina bimetlica ou a um eletrom . O diagrama abaixo mostra a configurao de

um eletromagneto.


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FIGURA 1 - Vista interna do disjuntor

H vrios tipos de disjuntores, um dos tipos consiste na reunio de trs

aparelhos num s e proporciona trs categorias de proteo:

Proteo trmica: se o circuito de carga absorver uma corrente superior ao

valor nominal do disjuntor ele desliga o circuito ao fim de um determinado

tempo. Este tempo depende do valor da corrente (corrente de sobrecarga) epode ser obtido a partir da curva caracterstica do rel trmico ( uma

caracterstica dependente do tempo, porque o tempo de atuao depende do

valor da corrente).

Proteo eletromagntica: se a corrente de sobrecarga for muito elevada

(curto-circuito), o disparo do disjuntor deve ser muito rpido para poder

proteger o circuito. Da o uso de um eletrom no disjuntor em vez do

dispositivo trmico usado no caso anterior. O rel magntico usado nestecaso, diz-se instantneo, devido ao tempo de atuao ser muito curto, apesar

de no ser nulo.

Os disjuntores que apresentam os dois tipos de proteo anteriores dizem-se

termomagnticos e a sua curva caracterstica de atuao diz-se combinada, porque

o resultado da unio das duas anteriores, de tempo dependente, para correntes de

sobrecarga e instantnea, para correntes de curto-circuito.


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Proteo diferencial: em funcionamento normal, as correntes na fase e no

neutro (num sistema monofsico) so iguais. Neste caso, no h atuao do

disjuntor. Se houver uma fuga de corrente, por defeito de isolamento, h uma

diferena entre estas duas correntes, o que provoca a atuao do rel

diferencial e o disparo do disjuntor. uma proteo usada para proteger as

pessoas. Existem vrios valores de sensibilidade. Por exemplo, em locais

com crianas deve usar-se uma sensibilidade maior.

Atualmente muito utilizado em instalaes eltricas residenciais e

comerciais o disjuntor termomagntico.

Esse tipo de disjuntor possui trs funes:

Manobra (abertura ou fecho voluntrio do circuito)

Proteo contra curto-circuito - Essa funo desempenhada por um

atuador magntico (solenide), que efetua a abertura do disjuntor com o

aumento instantneo da corrente eltrica no circuito protegido

Proteo contra sobrecarga - realizada atravs de um atuador

bimetlico, que sensvel ao calor e provoca a abertura quando a corrente

eltrica permanece, por um determinado perodo, acima da corrente

nominal do disjuntor

As caractersticas de disparo do disjuntor so fornecidas pelos fabricantes

atravs de duas informaes principais: corrente nominal e curva de disparo. Outras

caractersticas so importantes para o dimensionamento, tais como: tenso nominal,

corrente mxima de interrupo do disjuntor e nmero de plos (unipolar, bipolar ou

tripolar).

Uma configurao com lmina bimetlica funciona com o mesmo princpio,exceto pelo fato de que, ao invs de energizar um eletromagneto, uma corrente alta

entorta uma fina lmina para mover o mecanismo. Alguns disjuntores usam uma

carga explosiva para desligar o interruptor. Quando a corrente se eleva um certo

nvel, ela detona o material explosivo, que aciona um pisto para abrir o interruptor.

Disjuntores mais avanados usam componentes eletrnicos (dispositivos

semicondutores) para monitorar os nveis de corrente, em vez de simples

mecanismos eltricos. Esses elementos so muito mais precisos e desligam ocircuito mais rapidamente, embora sejam bem mais caros. Por essa razo, a maioria

das casas ainda usa disjuntores convencionais.


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Um dos disjuntores mais recentes o interruptor com circuito de falha de

aterramento, ou GFCI. Esses sofisticados disjuntores so elaborados para proteger

as pessoas contra choques eltricos, em vez de proteger a fiao do prdio. O GFCI

monitora constantemente a corrente nos fios terra e neutro do circuito. Quando tudo

est funcionando corretamente, a corrente nos dois lados deve ser exatamente a

mesma. Assim que o fio fase conecta-se diretamente ao neutro (se algum o tocar

acidentalmente, por exemplo), o fio fase recebe um surto de corrente, o que no

acontece com o fio neutro. O GFCI abre o circuito logo que isso acontece,

prevenindo a eletrocuo. Uma vez que no precisa aguardar que a corrente se

eleve a nveis crticos, o GFCI reage de maneira mais rpida do que um disjuntor

convencional.Toda a fiao em uma casa passa atravs do painel central de disjuntores (ou

caixa de fusveis). Um painel central comum inclui cerca de uma dzia de disjuntores

ligados a vrios circuitos dentro da casa. Um circuito poderia abranger todas as

tomadas da sala de estar e um outro poderia reunir a iluminao em outro

compartimento. Aparelhos maiores, como a central de ar condicionado ou o

refrigerador, geralmente possuem seu prprio circuito.

3. PRINCIPAIS TIPOS DE DISJUNTORES

3.1 DISJUNTORES SOPRO MAGNTICO

Principio da extino: Neste tipo de disjuntor os contactos abrem-se no ar,

empurrando o arco voltaico para dentro das cmaras de extino, onde ocorre a

interrupo, devido a um aumento na resistncia do arco e conseqentemente na

sua tenso.Este aumento na resistncia do arco conseguido atravs de:

a) Aumento do comprimento do arco;

b) Fragmentao do arco em vrios arcos menores, em srie, nas vrias

fendas da cmara de excitao;

c) Resfriamento do arco em contacto com as mltiplas paredes da cmara.

As foras que impelem o arco para dentro das fendas da cmara so

produzidas pelo campo magntico da prpria corrente, passando por uma ou mais

bobinas (dai o nome de sopro magntico) e, eventualmente, por um sopro

pneumtico auxiliar produzido pelo mecanismo de acionamento. Este sopro


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pneumtico muito importante no caso de interrupo de pequenas correntes, cujo

campo magntico insuficiente para impelir o arco para dentro da cmara, o que

ocasionaria tempos de arco muito longos.

3.1.1 DETALHES CONSTRUTIVOS

Existem vrios tipos de formatos de cmara de extino para disjuntores a

sopro magntico. As placas que formam a cmara podem ser de material isolante,

de ao, ou ainda, de uma combinao dos dois. Em cada uma destas alternativas

encontramos ainda vrios tipos de configurao de cmara, especficos de cada

fabricante.

Os circuitos magnticos de sopro tambm possuem vrias configuraes,sendo as principais as de tipo de ncleo externo (onde o campo magntico

produzido pela corrente a ser interrompida circulando atravs de bobinas) ou interno

(onde o campo produzido pelo prprio arco voltaico atravs de um circuito

magntico formado pela prpria cmara).

FIGURA 2 Cmara de extino do disjuntor de sopro magntico

O arco, entre os contactos principais, impelido por efeitos trmicos emagnticos na direo da cmara, guiado pelas placas cermicas (1). Ao atingir as


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pr cmaras de extino (8) ele insere a bobina geradora de campo magntico no

circuito (7). Com o campo produzido por esta bobina o arco dividido em dois e

impelido para dentro das paredes mltiplas (1) da cmara, resfriando-se e

extinguindo-se em subseqente passagem pelo zero.

FIGURA 3 - tipo de cmara onde o incio do impulso sobre o arco dado por um

sopro pneumtico

O arco passa dos contactos principais (a) para os auxiliares (b) atravs do

sopro pneumtico e destes para as inseres metlicas das placas (c). Neste ponto

o arco dividido em vrios arcos em srie que, ento so impelidos por efeito

trmico a magntico para dentro das cmaras (d) e (e) alongando-se, resfriando-see se extinguindo na passagem pelo zero. Este tipo de disjuntor tambm pode ser

provido de bobinas de campo magntico, adicionalmente ao sopro pneumtico.

3.1.2 CARACTERSTICAS E APLICAES

Uma das principais caractersticas dos disjuntores a sopro magntico a

grande resistncia do arco voltaico. Isto se deve ao fato de que nestes disjuntores o

arco queima no ar e impelido a se alongar consideravelmente, aumentando a suaresistncia e conseqentemente a sua tenso. Esta alta resistncia ir interagir com

o circuito, modificando o ngulo de fase do mesmo, tornando-o mais resistivo e

diminuindo o valor instantneo da tenso de restabelecimento aps a interrupo.

Pode-se dizer, portanto, que de uma maneira geral, os disjuntores a sopro

magntico no produzem grandes surtos de manobra.

Os disjuntores a sopro magntico so usados em mdia tenso at 24 kV,

principalmente montados em cubculos. O fato de no possurem meio extintor

inflamvel como o leo, torna-os seguros e aptos para certos tipos de aplicaes

especficas. O fato de queimarem o arco no ar provoca rpida oxidao nos


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contactos exigindo uma manuteno mais freqente. Quando operam produzem

grande rudo, o que pode tambm, em certos casos, limitar o seu uso.

FIGURA 4 - Vista completa de um disjuntor a sopro magntico

3.2 DISJUNTORES A LEO

O leo mineral com suas destacadas caractersticas de isolante e extintor foi

usado desde os primeiros tempos na fabricao de disjuntores.

Nos disjuntores de leo pode-se distinguir dois efeitos principais de extino

do arco voltaico: o efeito de hidrognio e o efeito de fluxo liquido. O primeiro consiste

no fato de que a altssima temperatura o arco voltaico, decompe o leo, liberando

de tal modo vrios gases onde o hidrognio predomina, a ponto de se poder dizer

que o arco queima numa atmosfera de hidrognio. Como este gs tem uma

condutividade trmica bastante elevada, comparado ao nitrognio, por exemplo, a

retirada de calor das vizinhanas do arco processa-se de maneira eficiente,

resfriando o mesmo. O segundo efeito consiste em jogar leo mais frio sobre o arco

dando continuidade ao processo de evaporao aludido, de maneira que grandes

quantidades de calor possam ser retiradas pelos gases resultantes. Este fluxo de

leo jogado sobre o arco pode ser produzido pelo mesmo (dependente da corrente)

ou por dispositivos mecnicos adicionais como pistes, mbolos, etc. (geralmente,

usam-se os dois processos simultaneamente).

Disjuntores a grande volume de leo (GVO): Este o tipo mais antigo de

disjuntores a leo. No passado consistia apenas de um recipiente metlico com oscontactos simplesmente imersos no leo sem nenhuma cmara de extino. Hoje,


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os disjuntores GVO possuem cmaras de extino onde se fora o fluxo de leo

sobre o arco. Os disjuntores GVO so usados em mdia e alta tenso at 230 kV. A

caracterstica principal dos disjuntores GVO a sua grande capacidade de ruptura

em curto circuito.

Disjuntores a pequeno volume de leo (PVO): Estes disjuntores representam

o desenvolvimento natural dos antigos disjuntores GVO, na medida em que se

procura projectar uma cmara de extino com fluxo forado de leo sobre o arco

aumentando-se a eficincia do processo de interrupo da corrente e diminuindo-se

drasticamente o volume de leo no disjuntor.

A seguir apresentada esquematicamente a seqncia de extino, na

cmara de interrupo, de pequenas e grandes correntes neste tipo de disjuntor:

FIGURA 5 - Vista em corte da cmara interruptora

A figura (a) mostra o disjuntor na posio ligado. A figura (b) mostra a

interrupo de pequenas correntes com o fluxo de leo independente da corrente.

Este fluxo de leo obtido pelo movimento descendente da haste do contacto mvel

(2) durante a operao de abertura. O leo contido na carcaa inferior forado

para cima, atravs da haste oca do contacto mvel (2), agindo imediatamente sobre

a base do arco, localizado na ponta do contacto mvel.

Para a interrupo de correntes mais elevadas utilizado, adicionalmente, um

fluxo de leo gerado pela prpria corrente de arco (c). Assim que a base do arco,

localizada imediatamente abaixo da ponta de material isolante do contrato mvelultrapassar o furo da base da cmara (6), forma-se, no compartimento inferior da


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cmara de excitao (7), uma bolha de gs, que s pode expandir-se para baixo.

Essa bolha comprime o leo atravs do canal anelar (4) formado pelo espaamento

entre a tampa da cmara (5) e a base da cmara (6). Os gases formados no

compartimento superior envolvem o contacto fixo no cabeote do plo. O volume de

ar no interior da carcaa superior destina-se a equalizar o aumento o aumento da

presso do leo resultante da operao de extino. O vapor de leo recondensa,

depositando-se sobre o leo, e os gases escapam lentamente pelas vlvulas de

expanso.

O fluxo de leo que atravessa o canal anelar atua na fase decisiva do

deslocamento do contacto mvel, depois de alcanada a distncia mnima de

extino. Com isso, o fluxo orientado de forma tal que atinja o arco por todos oslados com um possante jato radial, sem provocar o seu alongamento.

Este tipo de cmara classificado como cmara axial, pois o arco recebe o

fluxo transversal de leo ao longo de toda a circunferncia da cmara, sendo extinto

sem abandonar a posio axial da cmara, como se pode ver em (b) e (c).

Os disjuntores PVO cobrem em mdia tenso, praticamente, toda a gama de

capacidades de ruptura de 63 kA. No nvel de 138 kV a sua capacidade de ruptura

por cmara est limitada a um mximo de 20kA, o que equivale a dizer que paramaiores correntes de curto circuito, (31,5; 40 e 50kA), que so comuns nesta

tenso, deve-se empregar varias cmaras em srie com o uso obrigatrio de

capacitores de equalizao e acionamento mais possante com conseqente

aumento do uso e complexidade do equipamento.

O desempenho deste tipo de disjuntor para correntes capacitivas em bancos

de capacitores e linhas em vazio, objetivando uma operao livre de re-

acendimento, est tambm limitado a uma tenso mxima de 60 a 65 kV porcmara. necessrio, portanto, dependendo das caractersticas do disjuntor e do

circuito a ser chaveado, ter disposio vrias cmaras em srie.

3.3 DISJUNTORES A VCUO

As propriedades do vcuo como meio isolante so conhecidas e as primeiras

tentativas de se obter a interrupo de uma corrente alternada em cmara de vcuo

datam de 1926, quando foi interrompida com sucesso uma corrente de 900A em 40

kV. No entanto, as dificuldades tcnicas da poca referentes tcnica de vcuo,

disponibilidade de materiais e mtodos de fabricao, que garantissem uma cmara


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com vcuo adequado, isenta de impurezas e vazamentos, fez com que a introduo

destes disjuntores fosse postergada para o inicio da dcada de 60, sendo que a sua

produo em grandes volumes para mdia tenso comeou realmente no inicio dos

anos 70.

3.3.1 CARACTERSTICAS CONSTRUTIVAS

O arco voltaico a vcuo: Esta expresso, a principio, pode parecer

contraditria, pois a existncia de um arco voltaico pressupe a existncia ons

positivos e eltrons que, por assim dizer, lhe sirvam de veculo; e no vcuo no

existe, em principio, a possibilidade de se encontrar estas partculas. No caso dos

disjuntores a vcuo, os ons positivos e eltrons so fornecidos pela nuvem departculas metlicas provenientes da evaporao dos contactos formando o

substrato para o arco voltaico. Aps a interrupo de corrente, estas partculas

depositam-se rapidamente na superfcie dos contactos recuperando, assim, a rigidez

dieltrica entre os mesmos. Esta recuperao da rigidez dieltrica muito rpida nos

disjuntores a vcuo, o que permite altas capacidades de ruptura em cmaras

relativamente pequenas. O arco voltaico no vcuo, pode ser de dois tipos: difuso ou

contrado.O arco difuso: Quando se interrompem pequenas correntes, at

aproximadamente 10 kA, tem-se a formao do arco difuso, ou seja, um arco

distribudo por toda a superfcie dos contactos. O processo pode ser assim descrito:

a superfcie dos contactos apesar de lisa, possui uma micro rugosidade, que

responsvel pela formao de ltimos pontos de contacto que iro aquecer-se na

separao galvnica dos mesmos, devido alta densidade de corrente (104A/cm a

109A/cm). Formam-se focos de emisso inica que iro irradiar os ons e eltrons,responsveis pela formao de um pequeno arco voltaico. Em toda a superfcie dos

contactos temos, da mesma maneira, a formao de inmeros arcos paralelos,

dando origem ao chamado arco difuso.

Nota: Estes focos de emisso inica tm uma superfcie muito pequena

(10m de dimetro) e regularmente, distribudos por toda a superfcie dos contatos,

de maneira que o efeito de eroso sobre os mesmos desprezvel. Isto significa, em

termos prticos, uma capacidade de perfazer um enorme nmero de manobras sob

cargas sem desgastes dos contactos. Alm disso, devido diminuta dimenso dos

focos de emisso inica, a constante de tempo de resfriamento dos mesmos


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extremamente pequena (


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3.4 DISJUNTORES A AR COMPRIMIDO

Neste tipo de disjuntor, o mecanismo eletro-pneumtico preenche duas

funes, simultaneamente; ou seja, a de proporcionar a operao mecnica do

disjuntor atravs, da abertura e fechamento dos contatos, e tambm a de efetuar a

extino do arco, fornecendo ar na quantidade e presso necessrias para tal. O

principio da extino , basicamente simples, consistindo em criar-se um fluxo de ar

sobre o arco, fluxo este provocado por um diferencial de presso, quase sempre

descarregando o ar comprimido aps a extino para a atmosfera.

3.4.1 DETALHES CONSTRUTIVOS

Praticamente todos os modelos atuais de disjuntores a ar comprimido usam oprincipio de sopro axial, ou seja, o arco distendido e soprado axialmente em

relao aos bocais e contactos, sendo que, dentro deste principio geral de projeto,

pode-se classificar ainda o sistema de extino (bocais) em duas categorias:

O sistema de sopro unidirecional (mono blast);

O sistema de sopro bidireccional (dual blast);

No primeiro, somente um dos contatos oco, permitindo a sada do ar aps a

extino somente em uma direo. No segundo, ambos os contatos, fixo e mvel,so ocos, e o arco expande-se em ambas as direes.

3.4.2 CARACTERSTICAS/APLICAES DOS DISJUNTORES DE AR

COMPRIMIDO

Embora possam ser usados em toda a gama de tenses, os disjuntores de ar

comprimido encontram a sua gama de aplicao na alta e na muito alta tenso, ou

seja, acima de 245 kV.As suas caractersticas de rapidez de operao (abertura e fecho) aliadas s

boas propriedades extintoras e isolantes do ar comprimido, bem como a segurana

de um meio extintor no inflamvel, quando comparado ao leo, garantiram uma

posio de destaque a estes disjuntores nos nveis extremos de tenso

Vantagens dos disjuntores de ar comprimido:

Disponibilidade total do meio extintor;

A mobilidade do meio extintor, que tambm o meio de acionamento, comalta velocidade de propagao, permite que ele seja canalizado para acionar

contactos principais, a abertura e o fecho, com mecanismos relativamente


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leves, o que torna estes disjuntores bastante rpidos e, portanto, aptos a

atuar em muito alta tenso;

Pode-se ajustar a capacidade de interrupo e propriedades de isolao,

variando-se a presso de operao;

A compressibilidade do meio extintor que, ao contrrio do leo, permite que

as estruturas estejam isentas das ondas de choque transitoriais, geradas pelo

arco voltaico;

Desvantagens dos disjuntores de ar comprimido:

Alto custo do sistema de gerao de ar comprimido, principalmente em

pequenas instalaes onde cada disjuntor tem que ter a sua prpria unidade

geradora, bem como reservatrios de alta presso;

A distribuio do ar comprimido em alta presso por toda a subestao no

caso de unidades centrais de gerao, alm de ter um alto custo, requer uma

constante manuteno;

No caso de operao junto a reas residenciais onde existem limitaes de

nvel de rudo, obrigatrio o uso de silenciadores para estes disjuntores;

3.5 DISJUNTORES A SF6

3.5.1 Propriedades do SF6

Este gs possui uma srie de propriedades fsicas e qumicas que o torna um

meio isolante e extintor, por excelncia. O SF6 um gs incombustvel, no

venenoso, incolor, inodoro e devido sua estrutura molecular simtrica

extremamente estvel e inerte at cerca de 5000C, comportando-se, portanto,como um gs nobre. O SF6 encontra-se num sistema fechado e praticamente isento

de humidade por toda a vida til do equipamento. Alm disso existe a presena de

filtros com elementos desumidificadores para qualquer eventualidade, de maneira

que, o problema da humidade e das suas conseqncias seja praticamente

inexistente. Com um peso especifico de 6,14g/l ele 5vezes mais pesado que o ar.

As caractersticas isolantes do SF6 variam em funo da presso (na realidade em

funo da densidade) e so bastante superiores aquelas dos meios isolantes maiscomuns usados em disjuntores que so o leo mineral e o ar comprimido. A figura


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que se segue mostra uma comparao de rigidez dieltrica entre esses meios

isolantes:

FIGURA 7 - Comparao da rigidez dieltrica

3.5.2 CARACTERSTICAS/APLICAES DOS DISJUNTORES A SF6

Os disjuntores a SF6 representam, sem dvida, a tendncia atual nas reas

de alta e muito alta tenso. O fato da tcnica de ar comprimido ser bem anterior ao

SF6, e tambm dos disjuntores a ar comprimido serem por natureza, rpidos, deu

uma posio de destaque a estes disjuntores nas redes de muito alta tenso (MAT).

A comprovao mais evidente disso consiste no fato de todos os fabricantes de

disjuntores de alta tenso, inclurem tambm na sua linha de produtos os disjuntores

a SF6. Aplicaes em 138 kV, bem como em 69 kV, esto ainda predominantemente

na faixa dos disjuntores PVO, principalmente por razes de preo.

4. CONCLUSOAtravs da pesquisa feita para este trabalho, concluiu-se que para o

desenvolvimento de dispositivos disjuntores para a utilizao no setor da engenharia

eltrica necessrio o conhecimento da cincia de materiais para conseguir

desenvolver e aperfeioar, componentes utilizados no setor energtico, e este

desenvolvimento e aperfeioamento se d atravs do estudo das propriedades, dos

diferentes materiais conhecidos.


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5. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

Mamede, Joo. Instalaes eltricas industriais, 6ed., LTC, Rio de Janeiro RJ,

2002

pt.wikipedia.org/wiki/Disjuntor

www.infoescola.com/eletricidade/disjuntor


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FUNCIONAMENTO DE UM FOTOTRANSISTOR

Tiago Richter Maritan

1. INTRODUCO

Descrever o funcionamento de um fototransistor. Primeiramente dando nfase

em algumas noes bsicas de funcionamento de diodo e fotodiodo para que se

possa entender o funcionamento do fototransistor.

2. DIODOS

Para entendermos como os transistores funcionam precisamos saber comofuncionam os diodos, que por sua vez para serem entendidos necessrio ter uma

noo de materiais semicondutores .

Semicondutores so elementos de Valencia 4. Isso significa que um tomo

isolado desse material possui 4 eltrons na sua orbita mais externa ou orbita de

Valencia. O numero de eltrons na orbita a chave para a condutibilidade. Os

condutores possuem apenas um eltron de Valencia, semicondutores possuem

quatro eltrons de Valencia e isolantes, 8 eltrons de Valencia.Como Germnio e silcio so freqentemente usados para a dopagem de

semicondutores utilizados na fabricao de diodos iremos falar sobre esses dois

elementos. Mas antes disso feita uma breve explicao sobre dopagem.

3.DOPAGEM

Uma forma de aumentar a condutibilidade de um semicondutor pela

dopagem. Isso significa adicionar impurezas aos tomos de um cristal intrnsecopara alterar sua condutibilidade eltrica. Um semicondutor dopado chamado

semicondutor extrnseco.

Para dopar um material, o primeiro passo fundir um cristal puro de silcio.

Isso quebra as ligaes covalentes e muda um silcio do estado solido para o liquido.

Para aumentar o numero de eltrons livres so adicionados tomos pentavalentes

ao silcio em fuso. tomos pentavalentes possuem cinco eltrons na orbita de

Valencia. A figura x1 mostra como a estrutura do cristal de silcio alterada aps ter

sido resfriada e solidificada. Um tomo pentavalente fica no centro cercado por

quatro tomos de silcio. Cada tomo doador num cristal de silcio produz um eltron


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livre. dessa forma que controlada a condutibilidade de um semicondutor na

industria. Quantos mais adicionamos impurezas, maior a condutibilidade devido aos

eltrons livres.

FIGURA 1 - onde os pontos so eltrons de Valencia

3.1 SILCIO

O material semicondutor mais usado o silcio. Um tomo isolado de silcio possui

14 prtons e 14 eltrons. Conforme mostrado na figura 1, a primeira orbita contem 2

eltrons e a segunda eltrons. Os 4 eltrons restantes esto na orbita externa ou

orbita de Valencia.

FIGURA 2 - tomo de silcio


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3.1.1 CRISTAIS DE SILICIO

Quando tomos de silcio se combinam para formar um solido, eles so

arranjados segundo um padro ordenado chamado cristal. Cada tomo de silcio

cede seu eltron aos outros tomos de silcio, assim a orbita de Valencia fica com 8

eltrons conforme pode ser visto na figura 1.

Um importante ponto a se considerar quando a energia trmica tiver a

capacidade de dar origem a uma lacuna. Para explicar esse caso comeamos

analisando a temperatura ambiente. Quando a temperatura ambiente esta acima do

zero absoluto, a energia trmica do ar em torno faz os tomos do cristal de silcio

vibrar num vaivm dentro do cristal de silcio. Quanto mais alta a temperatura, mais

fortes so as vibraes mecnicas desses tomos. As vibraes dos tomos podemocasionalmente deslocar um eltron da orbita de Valencia. Quando isso ocorre, o

eltron liberado ganha energia suficiente para passar para outra orbita maior,

conforma mostra figura 2.

Nessa orbita maior, ele se torna um eltron livre. Alm disso, a sada deixa

um vazio na orbita de Valencia que chamado de lacuna. Conceito de lacuna foi

estudado na primeira parte da disciplina de materiais. Essa lacuna comporta-se

como uma carga positiva, porque ela pode atrair e manter capturado qualquereltron nas proximidades.

FIGURA 3


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4. JUNO P-N

O diodo basicamente formado por uma juno P-N, onde existem

portadores (negativos e positivos), ons fixos (de dopantes ou contaminantes),

tomos constituintes do material ou do substrato utilizado. Durante a formao da

juno P-N h a formao tambm de uma barreira de potencial, e de uma regio de

depleo. Considere um instante em que seja formada a juno, neste instante

surgem duas correntes: a corrente de difuso (gerada pela tendncia dos portadores

de cada material se distriburem) e a corrente de deriva (devido ao campo eltrico).

Inicialmente surge uma corrente de difuso maior que a corrente de deriva atravs

da juno. Esta corrente diminui com o tempo, at que se iguala corrente de

deriva, anulando-se. Durante este processo a barreira de potencial e a regio dedepleo vo se formando, at que seja atingido o equilbrio.

Lado P

No lado P da juno, as lacunas so chamadas portadores majoritrios, e os

eltrons portadores minoritrios. Ao longo da estrutura tipo P existem ons negativos,

devido aos dopantes aceitadores presentes na estrutura.

Lado N

No lado N da juno, existe uma quantidade maior de eltrons na banda deconduo do que lacunas, neste caso os eltrons so chamados portadores

majoritrios, e as lacunas os portadores minoritrios. Alm disso existem ons

positivos gerados pela presena de dopantes doadores no material tipo n.

Regio de depleo

Entre os dois materiais encontram a regio de depleo. Uma regio neutra, onde

apenas se encontram ons positivos e negativos fixos na estrutura cristalina.

FIGURA 3 - Regio P e N. Lado esquerdo o lado P e o direito o lado N


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5. FABRICAO DE UM DIODO

Para se fabricar um diodo necessria a formao de uma juno

metalrgica P-N como foi explicado acima. Inicialmente dopamos uma das faces da

lmina de silcio intrnseco com dopantes tipo P. Em seguida dopamos a outra face

da lmina de silcio com dopantes tipo N. Desta forma obtemos a juno PN.

6. FOTODIODO

O fotodiodo um diodo de juno construdo de forma especial, de modo a

possibilitar a utilizao da luz como fator determinante no controle da corrente

eltrica. um dispositivo de juno pn semicondutor cuja regio de operao

limitada pela regio de polarizao reversa e caracteriza-se por ser sensvel luz. Aaplicao de luz juno resultar em uma transferncia de energia das ondas

luminosas incidentes (na forma de ftons) para a estrutura atmica, resultando em

um aumento do nmero de portadores minoritrios e um aumento do nvel da

corrente reversa. A corrente negra a corrente que existir sem nenhuma

iluminao aplicada. A corrente retornar a zero somente se for aplicada uma

polarizao positiva igual a Vo. Em resumo, podemos dizer ento que um fotodiodo

um dispositivo que converte a luz recebida em uma determinada quantidade decorrente eltrica.

FIGURA 4 - Simbologia do fotodiodo

A corrente reversa e o fluxo luminoso variam quase que linearmente, ou seja, um

aumento na intensidade luminosa resultar em um aumento semelhante na corrente

reversa. Podemos admitir que a corrente reversa essencialmente nula na ausncia

de luz incidente. Como os tempos de subida e de queda (parmetros de mudana

de estado) so da ordem de nanossegundos, o dispositivo pode ser usado na

aplicao de contagem ou comutao de alta velocidade. O germnio mais

adequado para luz incidente na regio infravermelha, j que abrange um espectromais amplo de comprimentos de onda do que o silcio, apesar de sua corrente negra


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ser maior. O nvel de corrente gerada pela luz incidente sobre um fotodiodo no

suficiente para que ele possa ser usado em um controle direto, sendo necessrio

para isto que haja um estgio de amplificao.

6.1 APLICACOES DE UM FOTODIODO

O fotodiodo ser aplicado no foco automtico de filmadora, na unidade tica do

CD Player e em sistema contador de pulso. Outra aplicao muito usada na rede de

iluminao pblica o sensor crepuscular.

Nos sistemas de iluminao publica importante saber em que altura que est

suficientemente escuro, para ativar as luzes. Este controle no pode ser efetuado de

forma eficaz utilizando temporizadores, uma vez que em dias de chuva ou nevoeirointenso pode ser necessrio ativar o sistema de iluminao por razes de

segurana. Alm disso o horrio do prprio nascer e pr do Sol no constante,

muda todos os dias.

Pelas razes apontadas, a soluo que rene maior consenso aquela que

utiliza sensores de luz ambiente tambm conhecidos como crepusculares. O S7183

um fotodiodo com amplificador orientado para aplicaes de deteco crepuscular.

At agora, muitas das solues passavam pela utilizao de foto resistncias,clulas de CdS e fototransistores, contudo a pouca uniformidade, a no linearidade e

o fato de que o Cd um elemento altamente poluidor desviaram a ateno para a

utilizao de fotodiodos, cujo principal inconveniente era a da aplicao de um

amplificador de sinal. Com este novo fotodiodo, com amplificador j incorporado,

permite ultrapassar o inconveniente com simplicidade e alta performance em termos

de sensibilidade e linearidade, mantendo sempre um preo competitivo.

7. FOTODIODO VERSUSFOTOTRANSISTOR

A principal diferena entre um fototransistor e um fotodiodo o ganho de

corrente Bcc. Se uma mesma quantidade de luz atingir os dois dispositivos, a

corrente no fototransistor ser Bcc maior que a corrente no fotodiodo. A maior

sensibilidade de um fototransistor uma grande vantagem sobre um fotodiodo.

A figura 4 mostra o smbolo para diagrama de um fototransistor. Observe a base

aberta. Esse o modo usual de operar um fototransistor. Voc pode controlar a

sensibilidade com um resistor varivel na base figura 4b, mas a base geralmente

deixada aberta para que se obtenha a mxima sensibilidade luz.


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O preo pago pelo aumento da sensibilidade uma reduo na velocidade de

chaveamento. Um fototransistor mais sensvel que um fotodiodo, mas ele no

pode conduzir e cortar to rpido. Por um lad

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