Eletricidade E Eletrônica Veicular Cimatec

CIMATEC

ELETRICIDADE E ELETRÔNICA VEICULAR

CIMATEC

ELETRICIDADE E ELETRÔNICA VEICULAR

SALVADOR 2 00 5

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Copyright  2003 por SENAI CIMATEC. Todos os direitos reservados. Área Tecnológica Automotiva Elaboração: Enoch Dias Santos Junior; Técnico. Revisão Técnica: Renato Jorge Santos Araújo, Técnico. Revisão Pedagógica: Ana Cristina Luz Santos Normalização: Maria do Carmo Oliveira Ribeiro

Catalogação na fonte (Núcleo de Informação Tecnológica – NIT) ________________________________________________________ SENAI CIMATEC – Centro Integrado de Manufatura e Tecnologia. Eletricidade e Eletrônica Veicular. Salvador, 2005. 70p il. (Rev.00)

I. Eletricidade e Eletrônica Veicular

I. Título

CDD ________________________________________________________ SENAI CIMATEC Av. Orlando Gomes, 1845 - Piatã Salvador – Bahia – Brasil CEP 41650-010 Tel.: (71) 462-9500 Fax. (71) 462-9599 http://www.cimatec.fieb.org.br 3

MENSAGEM DO SENAI CIMATEC

O SENAI CIMATEC visa desenvolver um programa avançado de suporte tecnológico para suprir as necessidades de formação de recursos humanos qualificados, prestação de serviços especializados e promoção de pesquisa aplicada nas tecnologias computacionais integradas da manufatura. Com uma moderna estrutura laboratorial e um corpo técnico especializado, o CIMATEC desenvolve programas de intercâmbio tecnológico com instituições de ensino e pesquisa, locais e internacionais.

Tudo isso sem desviar a atenção das necessidades da comunidade, atendendo suas expectativas de formação profissional, suporte tecnológico e desenvolvimento, contribuindo para uma constante atualização da indústria baiana de manufatura e para a alavancagem do potencial das empresas existentes ou emergentes no estado.

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APRESENTAÇÃO

A eletricidade que a menos de um século era uma força misteriosa e assustadora se converteu com o avanço científico, em mais um importante instrumento de desenvolvimento tecnológico. Tornou-se indubitavelmente um fator importantíssimo na vida social e econômica do mundo. O uso que dela faz o homem distingue o século atual de todas as épocas anteriores de sua existência na Terra. O avanço da ciência, como da tecnologia está intimamente ligado ao uso da eletricidade nos mais variados ramos dos seus campos. A indústria automobilística, por exemplo, usa nos seus veículos um grande número de componentes elétricos ou acessórios, os quais sofrem continuamente modificações e aperfeiçoamentos. É, portanto de suma importância para o técnico mecânico e eletricista estar a par destas recentes transformações; estar sempre se atualizando e que conheça esses componentes, circuitos e seus princípios de funcionamento. Com a eletrônica embarcada existentes nos veículos atuais, em componentes desde motor até acessórios mais supérfluos, o mecânico deixa de ser uma pessoa que deva ter conhecimentos apenas do ramo mecânico, passando a ter a necessidade de conhecimentos em eletro-eletrônica, com o intuito de poder compreender o funcionamento de sistemas modernos, bem como poder executar reparos.

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SUMÁRIO I – A ELETRICIDADE .......................................................................................................... 7 1.1 - INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 7 1.1.1 - Matéria .............................................................................................................. 7 1.1.2 - Molécula ........................................................................................................... 7 1.1.3 - Átomo. .............................................................................................................. 7 1.1.4 - Eletricidade Estática . ................................................................................... 8 1.1.5 - Eletricidade Dinâmica ou Corrente Elétrica ............................................. 8 1.2- GRANDEZAS ELÉTRICAS ........................................................................................ 9 1.2.1 Tensão elétrica ...................................................................................................... 9 1.2.2 Corrente elétrica ............................................................................................. 10 1.2.3 Resistência Elétrica ........................................................................................ 12 1.3 LEI DE OHM ................................................................................................................ 19 1.4 CIRCUITOS ELÉTRICOS ........................................................................................... 21 1.4.1 Configuração dos circuitos .............................................................................. 23 1.5 TRABALHO ELÉTRICO ............................................................................................. 33 1.6 POTÊNCIA ELÉTRICA ............................................................................................... 33 1.7 CAPACITOR ................................................................................................................ 35 1.8 MAGNETISMO ............................................................................................................ 39 1.9 ELETROMAGNETISMO ............................................................................................. 40 1.10 RELÉ .......................................................................................................................... 42 1.11 GERAÇÃO DE UMA TENSÃO ALTERNADA SENOIDAL .................................. 44 1.12 TRANSFORMADOR ................................................................................................. 46 II - MULTÍMETRO AUTOMOTIVO .................................................................................. 48 lll - SEMICONDUTORES .................................................................................................. 54 3.1 DIODOS SEMICONDUTORES .............................................................................. 58 3.2 TIPOS DE DIODOS ................................................................................................. 59 3.3 RETIFICAÇÃO AC/DC............................................................................................ 62 3.4 O TRANSISTOR ...................................................................................................... 65 3.5 SIMBOLOGIA DE COMPONENTES DE CIRCUITOS ELÉTRICOS ................. 70 IV -SINAIS ELÉTRICOS - ELETRÔNICOS .................................................................... 73 4.1 SINAIS DIGITAISs ...................................................................................................... 73 4.2 SINAIS ANALÓGICOS ............................................................................................... 73

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I – A ELETRICIDADE 1.1 - Introdução Por se tratar de uma força invisível, o princípio básico de eletricidade é explicado na Teoria atômica. Torna-se difícil então visualizar a natureza da força elétrica, mas é facilmente notável os seus efeitos. A eletricidade produz resultados e efeitos perfeitamente previsíveis. Para que possamos compreender melhor a eletricidade, observemos as seguintes definições: 1.1.1 - Matéria É toda a substância, sólida, líquida ou gasosa que ocupa lugar no espaço. 1.1.2 - Molécula É a menor partícula, a qual pode dividir uma matéria, sem que esta perca suas propriedades básicas. Ex: Quando dividimos um pó de giz até o momento em que ele ainda conserve suas propriedades de pó de giz, se tornado invisível a olho nu, mas visível com microscópios, temos então uma molécula. 1.1.3 - Átomo. São as partículas que constituem a molécula. Podemos assim afirmar que um conjunto de átomos constitui uma molécula, que determina uma parte da matéria. É no átomo que se dá o movimento eletrônico (corrente elétrica). O átomo é composto por um núcleo e partículas que giram a seu redor, em órbitas concêntricas, muito parecidas com a configuração dos planetas em torno do sol.

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O núcleo é constituído de prótons e nêutrons, convencionando-se a prótons com carga elétrica positiva (+) e nêutrons carga elétrica nula (0). As partículas que giram ao redor do núcleo são denominadas elétrons, com carga elétrica negativa (-). As cargas negativas dos elétrons são atraídas pelo núcleo, que tem carga positiva devido aos prótons. Essa atração compensa a força centrífuga que tende a afastar os elétrons do núcleo. Dessa forma, os elétrons mantêm o seu movimento ao redor do núcleo. Normalmente, um átomo tem o mesmo número de prótons e elétrons e, portanto, é elétrica-mente neutro. Podemos admitir que num átomo, na condição de equilíbrio, o número de prótons é igual ao número de elétrons. Se ele perde um elétron toma-se eletricamente positivo (íon Positivo), se ele ganha um elétron torna-se negativo (íon Negativo). A este desequilíbrio é que chamamos "carga elétrica". O conjunto dos fenômenos que envolvem estas "cargas elétricas" é que foi definido como eletricidade. A eletricidade se apresenta de duas maneiras. 1.1.4 - Eletricidade Estática - é o tipo de eletricidade que envolve cargas elétricas paradas. É gerada por atrito, pela perda de elétrons durante o friccionamento. Por exemplo, um bastão de vidro e lã de carneiro, choque ao descer de um veículo, etc.

1234-

Haste de vidro. Falta de elétrons. Pano de lã. Excesso de elétrons.

Inicialmente, os átomos da haste de vidro e da haste de plástico são eletricamente neutros. Isto significa que o número de cargas negativas e de cargas positivas no núcleo do átomo é exatamente igual. Quando se esfrega a haste de vidro com o pano de ã produz-se trabalho, através do quaI se afastam elétrons da superfície da haste. Estes elétrons permanecem no pano.

1.1.5 - Eletricidade Dinâmica ou Corrente Elétrica - é o fluxo de cargas elétricas que se desloca através de um condutor. Desta forma como a eletricidade se apresenta é que nos interessa estudar. E para que este fenômeno ocorra é necessário, no mínimo, uma fonte de energia, um consumidor e condutores fechando o circuito. 8

FONTE

CONDUTORES

CONSUMIDOR

1.2- GRANDEZAS ELÉTRICAS 1.2.1 Tensão elétrica Se uma haste de borracha for esfregada com o pano de lã, alguns elétrons do pano de lã aderem à superfície da haste de borracha. A haste passa a ter mais carga negativa do que positiva: fica carregada com carga negativa. "Carga negativa significa excesso de elétrons" (figura abaixo). Entre cargas diferentes ocorre uma força de atração. Para tentar separar cargas diferentes é necessário produzir trabalho contra a força de atração. Este trabalho é armazenado nas cargas sob a forma de energia. O resultado é uma força entre as cargas que recebe a designação de "tensão". "A tensão é o resultado da separação de cargas".

1- Haste de plástico. 2- Falta de elétrons. 3- Pano de lã. 4- Excesso de elétrons.

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Tensão elétrica é a diferença de potencial existente entre dois pontos distintos no circuito. Pode ser definida também como a força impulsora ou pressão, que força a passagem da corrente elétrica nos condutores. Quando afirmamos que uma bateria tem 12 volts, estamos dizendo que a diferença de potencial existente entre um pólo e outro é de 12 volts. A tensão que a alimenta os circuitos das residências pode ser normalmente de 127 V ou 220V. A tensão pode ser representada pelas letras E, d.d.p.(diferença de potencial ou U e sua unidade de medida é o volt (V). Por definição, 1volt é a diferença de potencial necessária para impelir 1Ampere através de 1ohm. O instrumento de medição de tensão elétrica é o voltímetro simbolizado:

V

O voltímetro é ligado em paralelo com o circuito a ser medido.

Voltímetro

1.2.2 Corrente elétrica Se unirmos dois corpos com potenciais diferentes, utilizando um condutor, eles tendem a equilibrar-se eletricamente. Para isso, o corpo de maior potencial negativo irá perder elétrons, enquanto que o corpo de menor potencial negativo irá receber elétrons. Os elétrons livres do condutor entrarão em movimento, passando de um átomo a outro, em direção ao corpo com menos carga. -----++++++ -----++++++ -----++++++ ----Corrente elétrica+++ é a quantidade de cargas elétricas que flui através de um condutor num determinado intervalo de tempo, ou ainda, a tendência para restaurar o equilíbrio elétrico num circuito onde exista diferença de potencial (d.d.p.). ++++++ ++++++ +++ +++ 10

Como a quantidade de elétrons é sempre muito grande, criou-se a unidade de carga elétrica, o Coulomb (C). 1 C =6,28x1018 elétrons. E 1C/s = 1 A . A corrente elétrica num circuito é apresentada pela letra I e sua unidade de medida é o Ampère (A). Por definição, 1 Ampère é a corrente que flui através de um condutor com resistência de 1 Ohm quando a diferença de potencial entre os seus terminais for igual a 1 Volt.

O instrumento de medição de corrente elétrica é o amperímetro simbolizado:

A O amperímetro é ligado em série com o circuito a ser medido.

AMPERÍMETRO

A corrente elétrica assim como a tensão elétrica pode ser de dois tipos: Contínua ou alternada.

TENSÃOALTERNADA

TENSÃOCONTÍNUA

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Tensão alternada - Varia periodicamente sua polaridade. Invertendo o sentido da corrente elétrica ao longo do tempo. Exemplo: tensão residencial. Tensão contínua - Não sofre variação de polaridade ao longo do tempo. Exemplo: Pilha e bateria de automóvel. 1.2.3 Resistência Elétrica A oposição que um condutor elétrico oferece à passagem da corrente elétrica é o que denominamos resistência Elétrica. O valor da resistência elétrica está diretamente ligado a combinação de quatro fatores:    

Material que constitui o condutor (resistividade) Comprimento do condutor Área da seção transversal Temperatura de trabalho do condutor

O que determina a resistividade do material () a ser utilizado em condutores é a quantidade de elétrons livres. Os metais são os melhores condutores de corrente elétrica, destacando o cobre, o alumínio e a prata. O comprimento de um condutor também interfere diretamente no valor da resistência. Quanto maior o comprimento do condutor, maior a oposição à passagem de corrente elétrica. A área da seção transversal ou o diâmetro do condutor também altera o valor da resistência do condutor. Quanto maior o diâmetro menor oposição à passagem de corrente elétrica. O aumento da temperatura causa um aumento da resistência do condutor. Um exemplo prático seria o cabo que alimenta o motor de partida do veículo. Como podemos observar ele oferece menor resistência a circulação de alta corrente consumida pelo motor de partida, por possuir pequeno comprimento e maior bitola (diâmetro ). Matematicamente, a resistência pode ser expressa na seguinte fórmula: R = ρ.L /A

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Onde: R = resistência elétrica da matéria ( Ω) L = Comprimento do condutor ( m). A =área da seção transversal (m²) Ρ = resistividade específica (Ω.m) A resistência elétrica é representada pela letra R e sua unidade de medida é o ohm (). Um ( 1 ) ohm é a resistência que permite a passagem de uma corrente de 1 Ampère sob tensão de 1 Volt. O instrumento de medição de resistência elétrica é o homímetro simbolizado:

Ω Para medir resistência elétrica usa-se o ohmímetro, ligado em paralelo ao componente que se deseja medir, desde que este se encontre desenergisado.

1- Consumidor elétrica. 2- Interruptor elétrica). 3- Ohmímetro.

ou e

resistência fios(resistência

A tabela abaixo apresenta a resistividade de alguns materiais, a uma temperatura de 20º C. a unidade de resistividade é dada em ohm x metro ( Ωm). Resistividade (a 20º C) Cobre Alumínio Bismuto Prata Níquel Nicrome

1,77 x10-8 Ωm 2,83 x10-8Ωm 119 x10-8Ωm 1,63 x10-8Ωm 7,77 x10-8Ωm 99,5 x10-8Ωm 13

RESISTORES Os componentes que são utilizados nos circuitos com o objetivo de oferecerem uma determinada resistência à passagem de corrente, são chamados de resistores. Os resistores são fabricados de formas e características diferentes, dependendo da aplicação a que se destinam. O seu valor pode ser indicado alfanumericamente, ou por meio de anéis de cores diferentes gravados nas mesmas. Os outros valores de identificação de um resistor são a sua tolerância (percentual) e a potência, indicada em Watts.

1- Inscrição no corpo 2- Anéis com cores.

Resistência e temperatura .A resistência de um material condutor varia com a temperatura. O carbono e a maioria dos semicondutores são melhores condutores quando aquecidos. Por esse motivo, são também denominados "condutores a quente". Existe, no entanto, um pequeno número de materiais semicondutores como, por exemplo, o titanato de bário, que são melhores condutores quando frios. A sua resistência eleva-se com o aumento da temperatura, e são designados de "condutores a frio".

1 – Fio de cobre a 20ºC 2 - Ohmímetro Valor da resistência R=27,8mΩ

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TIPOS DE RESISTORES Resistores fixos (cuja resistência não pode ser alterada).

Resistor de enrolamento de fio: enrolamento de fio com uma resistência especial. Destinam-se a ser utilizadas para elevadas potências ou como resistores de precisão. Resistores de película de carbono: possuem como base um corpo cerâmico cilíndrico, revestido com uma camada de carbono, que constitui a resistência propriamente dita. Estes resistores servem para praticamente todas as aplicações. Resistores de óxidos metálicos: possuem como base um elemento cilíndrico de cerâmica, revestido com uma camada de óxido metálico que por sua vez é revestido com uma camada de silicone. Esta construção torna estes resistores praticamente Indestrutíveis em termos mecânicos.

Resistores de compensação (ballast) de um injetor do sistema de injeção.

Resistores de película metálica: possuem como base um suporte, por exemplo, de vidro endurecido, no qual é depositado uma camada de metal precioso. Estes resistores distinguem-se pela sua elevada precisão e confiabilidade. Os resistores fixos têm, entre outras, as seguintes utilizações nos veículos automóveis: - resistores de compensação (baIlast) no injetor do sistema de injeção. - resistores de compensação (baIlast) para a bobina de ignição. - resistores das velas de ignição.

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RESISTORES VARIÁVEIS Os resistores variáveis (reguláveis) são normalmente chamados de potenciômetros. Trata-se normalmente de resistores de carbono ou de fio.Um contato rotativo sobre o resistor (ou sobre o enrolamento do fio) dotado de uma ligação elétrica permite selecionar o valor de resistência desejada dentro da faixa total do resistor. Desta forma, altera-se também a tensão através do contato rotativo. Assim, o potenciômetro também pode ser utilizado como divisor de tensão. Os potenciômetros possuem normalmente um eixo de ligação entre o contato rotativo e o botão de acionamento. Desta forma pode-se facilmente efetuar regulagens durante sua utilização. Um exemplo da sua utilização é a bóia de nível de combustível, que variando o seu cursor varia a resistência do potenciômetro.

Potenciômetro da bóia de combustível Trimpot Ajusta-se com uma chave de fenda para um determinado valor que permanece constante ao longo do seu funcionamento. No entanto, com o decorrer do tempo o valor se altera e, a regulagem pode ser novamente efetuada.

Os resistores variáveis têm as seguintes utilizações nos automóveis: - resistor variável do sensor do tanque de combustível (nível combustível). - resistor variável da iluminação do painel de instrumentos . - resistor variável do intervalo de funcionamento do limpador de pára-brisas.

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Resistores não lineares (não ôhmicos). Trata-se de resistores variáveis, cuja variação não acontece, por meios mecânicos, mas sim por meio de alteração da temperatura, da tensão aplicada ou da incidência de luz.

TERMISTORES (NTC) compõem-se de uma mistura de óxidos metálicos e cristais mistos oxidados, comprimidos uns contra os outros por um processo de sinterização e em seguida revestidos com uma camada de vidro ou colocados num alojamento. Quando estes resistores são aquecidos, a sua resistência diminui. NTC (do Inglê "Negative Temperature Coefficient": coeficiente de temperatura tura negativo). Aplicação em automóveis : Sensor da temperatura do líquido de arrefecimento (ECT). Sensor da temperatura do ar de admissão (IAT), etc.

Sensor da temperatura do liquido de arrefecimento (ECT). É um tipo comum de NTC.

Gráfico do sensor de temperatura do liquido de arrefecimento. (Exemplo : motor 2.0 DOHC). X Temperatura do liquido de arrefecimento em ºC. Y Resistência em ohms.

Termistores (PTC) Compõem-se de óxidos metálicos e titanato de bário, comprimidos em conjunto e depois revestidos com uma camada de vidro e armazenados num alojamento. Quando são aquecidos, as suas resistências aumentam. PTC (do Inglês "Positive Temperature Coefficient": coeficiente de temperatura positiva).

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Resistores dependentes da tensão (VDR) São compostos de pó de carbonato de silício comprimido por meio de um processo de sinterização e em seguida colocado num alojamento. Varistores ou VDR (do Inglês "Voltage Dependent Resistor": resistor dependente da tensão). A partir de uma determinada tensão (o valor depende do tipo de resistor), a resistência diminui.

Utilização nos automóveis: Estabilização da tensão. Proteção contra excessos de tensão. Resistores sensíveis à luz (LDR) São feitas de materiais semicondutores como o antimonieto de índio ou sulfureto de chumbo. A luz que incide nos materiais semicondutores provoca o aumento do número de elétrons livres, reduzindo consequentemente a sua resistência. LDR (do Inglês "Light Dependent Resistor": resistência dependente da luz). Utilização no veiculo: Medição da intensidade da luz - como luxímetro, durante a regulagem dos faróis. Sensor solar em sistemas de ar condicionado.

LDR (do Inglês "Light Dependent Resistor": resistência dependente da luz)

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1.3 LEI DE OHM A lei fundamental da eletricidade dinâmica é a lei de Ohm. Ela relaciona: Tensão (V), Corrente (I) e Resistência (R); de maneira bastante simples. Várias de suas aplicações são executadas por nós diariamente, até mesmo sem conhecê-la. Observemos o circuito abaixo:

Se mantivermos constante o valor da resistência e aumentarmos o valor da tensão, observamos um aumento do valor da corrente e vice-versa. No entanto, vimos que a corrente é também determinada pela resistência, ela é uma oposição ao fluxo de corrente. Imaginando que a tensão permanece constante, verificamos que um aumento no valor da resistência causará uma diminuição no valor da corrente. Então, resumindo podemos observar:

ou

ou

Se então conhecemos os valores de no mínimo duas grandezas, chegaremos ao resultado da terceira.

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Para exemplificar: Qual seria a corrente consumida pela lâmpada no circuito abaixo?

Qual seria o valor da resistência equivalente do circuito abaixo?

Qual o valor da tensão da bateria no circuito abaixo?

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Uma maneira fácil de lembrar os princípios da Lei de Ohm é a utilização do círculo abaixo. Lembre-se que a letra “E” também simboliza a tensão elétrica. - Cobrindo R, obtém-se E/I. Resulta daí a resistência em ohms. - Cobrindo E, obtém-se I x R. Obtém-se a tensão em volts. - Cobrindo I, obtém-se E/R, que é a corrente em amperes.

1.4 CIRCUITOS ELÉTRICOS Podemos considerar o circuito elétrico como o caminho para a passagem de eletricidade. Para obtermos um circuito completo deveremos ter, no mínimo: uma fonte de energia (bateria), um consumidor (lâmpada) e condutores fechando o circuito.

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SENTIDO DA CORRENTE Nos circuitos elétricos, a corrente elétrica circula do pólo negativo para o positivo. Este é o chamado sentido real da corrente elétrica. Entretanto, durante muitos anos se pensou que a corrente fluía do positivo para o negativo. Este é o sentido convencional de corrente, que até hoje é utilizada nos livros e trabalhos técnicos para representar o sentido da corrente nos circuitos elétricos. Nos veículos automotivos o negativo da bateria e consequentemente do alternador fluem para os consumidores através do chassi e a carroceria que servem como massa (terra) para os consumidores.

Os Valores das grandezas elétricas são, muitas vezes, muito grandes ou muito pequenos, dificultando os cálculos. Devido a isso, são muito utilizados os múltiplos e submúltiplos das unidades de medida. A tabela seguinte traz os mais usados:

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FATOR MULTIPLICADOR

MULTIPLICAR O VALOR POR :

TERA (T)

X1012

1000000000000

GIGA (G)

X109

1000000000

MEGA (M)

X106

1000000

QUILO (K)

X103

1000

mili (m)

X10-3

0,001

micro (µ)

X10-6

0,000001

nano ( n)

X10-9

0,000000001

pico (p)

X10-12

0,000000000001

SUBMÚLTIPLOS

MÚLTIPLOS

SÍMBOLO

Exemplos: 15kΩ = 15 x103Ω = 15000Ω 6GV = 6 x109 = 6000000000V 4mA = 4x10-3 = 0,0004A

1.4.1 Configuração dos circuitos

As diversas cargas dos circuitos elétricos podem estar associadas entre si de três formas diferentes: série, em paralelo ou em mista (associação série-paralela).

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Circuito série Em um circuito série temos os componentes ligados de maneira a existir um único caminho contínuo para a passagem da corrente elétrica. It = I2=I3=I4=.....=In

Corrente em um circuito série - é a mesma em todos os pontos do circuito, independente do valor de resistência dos componentes do circuito. Então, se você interrompe o circuito em qualquer parte, toda a circulação de corrente no circuito é interrompida. Um exemplo prático seria a instalação de fusível de proteção no circuito. O fusível é sempre inserido em série no circuito a ser protegido, pois um aumento no valor da corrente acima de sua capacidade nominal faz com que ele interrompa toda a circulação de corrente, desligando o circuito.

A tensão em um circuito série - A soma das quedas de tensão em cada componente do circuito é igual à tensão da fonte (bateria).

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Ut = U1+U2+U3+....+Un

Se fizermos uma ligação em série de duas lâmpadas de 12 volts em uma bateria de 12 volts, as lâmpadas acenderão fracamente. Se as lâmpadas forem idênticas cada uma delas receberá 6 volts, não atingindo então a intensidade luminosa nominal. A resistência equivalente em um circuito série - Para se calcular o valor da corrente total consumida em um circuito é necessário se conhecer o valor da resistência total, ou equivalente do circuito. No caso do circuito série a resistência equivalente do circuito é a soma das resistências de cada componente.

Req = R1+R2+R3+...+RN

Para efeito de cálculo podemos representar o circuito como:

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Circuito Paralelo O que caracteriza um circuito paralelo é a ligação de seus componentes de tal forma que exista mais de um caminho para a passagem de corrente.

A corrente em um circuito paralelo - A corrente total fornecida pela fonte (bateria) é igual à soma das correntes em cada ramo do circuito. Podemos explicar como: mais vias de passagem possibilitam mais passagem de corrente. It = I1+I2+I3+....+In

A tensão em um circuito paralelo - A diferença de potencial em cada componente do circuito paralelo é a mesma da fonte (bateria). Isto quer dizer que se ligarmos duas lâmpadas de 12 volts em paralelo, a tensão aplicada em cada lâmpada será idêntica à da bateria, 12 volts. Normalmente, as lâmpadas são ligadas em paralelo, a fim de que cada uma produza sua luminosidade nominal e mesmo que uma delas queime as outras continuarão acesas. Ut = U1=U2=U3=....=Un

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A resistência equivalente em um circuito paralelo - Para se calcular a resistência equivalente que causaria o mesmo efeito de um conjunto de resistências ligadas em paralelo devemos: Req= R1.R2/R1+R2

Então o circuito resumido para cálculo, torna-se:

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Isto quer dizer que o efeito provocado por uma lâmpada de 2 ohms, em termos de consumo de corrente é o mesmo que o circuito de quatro lâmpadas (6Ω//6Ω//10Ω//15Ω) em paralelo. O cálculo direto da resistência equivalente em um circuito paralelo é:

No circuito paralelo, o valor da resistência equivalente será:

Circuito Misto Chama-se circuito misto, o circuito formado pela combinação de componentes em série e paralelo. O comportamento da corrente e tensão em um circuito misto obedecem às regras do circuito série e do circuito paralelo, quando analisado por partes.

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Ex:

EXEMPLOS DE ANÁLISE DE CIRCUITOS Exemplo – 1: Qual o valor da corrente que circula no circuito abaixo? E a queda de tensão em cada lâmpada.

Encontrar o valor da resistência equivalente(Req). Como se trata de um circuito série a resistência equivalente é a soma das resistências. Req = 2Ω + 4Ω

= 6Ω

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O circuito resumido para cálculo seria:

A queda de tensão na lâmpada L1 será: V1 = R1 x I1 V1 =2Ωx2A V1= 4V A queda de tensão na lâmpada L2 será: V2 = Ut – v1 =12V – 4V = 8V Ou V2 = R2 x I V2 = 4Ω x 2 A = 8V

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EXEMPLO - 2 No circuito abaixo, calcular a corrente que circula em cada lâmpada:

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EXEMPLO - 3 Se inserirmos no circuito anterior uma resistência em série no valor de 2Ω, qual seria o comportamento da corrente em cada componente do circuito? Como já calculamos a resistência equivalente das teres lâmpadas req = 2Ω Então a resistência equivalente do circuito vale: Req = 2Ω +2Ω=4Ω O circuito pode ser representado por :

O conhecimento do comportamento da corrente e tensão em partes do circuito auxiliam bastante num diagnóstico preciso. Quando torna difícil o acesso a pontos para medição com instrumentos, a maneira mais fácil é utilizar os cálculos matemáticos.

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1.5 TRABALHO ELÉTRICO A energia é a capacidade de realizar trabalho. De acordo com a física, todo corpo em movimento realiza trabalho. Trabalho elétrico é o trabalho realizado pelos elétrons em movimento (corrente elétrica) ao atravessar um corpo submetido a uma diferença de potencial. Exemplo: aquecimento da resistência de um chuveiro, incandescência do filamento de uma Iâmpada. O trabalho elétrico é diretamente proporcional à quantidade de elétrons que atravessa o corpo (Q) e à tensão aplicada (V). A unidade de trabalho no SI é o joule (J). T= Q x V Se q = I x t Então, a fórmula matemática para cálculo de trabalho elétrico é: T = V x I x t Onde : T = trabalho ( j ). V = tensão ( V). I = corrente (A). T = tempo ( s ).

1.6 POTÊNCIA ELÉTRICA A potência elétrica expressa a relação entre o trabalho realizado e o tempo gasto para realizá-lo, ou ainda, é a rapidez com que se produz trabalho ou a rapidez com que se gasta energia. sua unidade de medida no . SI é o watt (W) e seu símbolo (P).. Cada componente de um circuito tem uma potência específica. Quanto mais tempo permanecer ligado, maior será o consumo de energia elétrica. Por exemplo, considere dois aquecedores de água. O aquecedor "A" aquece 1 litro d'água em uma hora, enquanto que, no mesmo tempo de uma hora, o aquecedor "B” aquece dois litros d'água. O aquecedor "B" é mais potente, pois realiza mais trabalho que o outro, no mesmo tempo.

Aquecedor “A”

Aquecedor “B” 33

A potência é obtida através do produto da tensão pela corrente elétrica P = U x I. Existem outras maneiras de realizar o cálculo da potência, usando o parâmetro resistência elétrica.

P

P= R xI2

U2 R

Utiliza-se a fórmula mais conveniente para cada tipo de circuito, de acordo com os dados disponíveis. Independente do tipo de associação dos resistores do circuito elétrico, a potência total fornecida pela fonte será à soma das potências de cada resistor. EXEMPLO -1: Calcule a potência dissipada por uma carga de R= 100Ω ligada a uma fonte de V=50v

P

V2 R

 P

50 2 100

P = 25W

EXEMPLO – 2: Em uma associação em paralelo de 4 resistores cujas potências respectivamente, 10W,25W,100W e 50W , qual será a potência total ? Pt = P1 + P2 + P3 + P4 = 10W + 25W +100W + 50W

são,

Pt = 185W

EXEMPLO – 3: Qual a potência dissipada por um resistor de R=120 Ω percorrido por uma corrente de 2 A? P= R xI2 = 120Ω x 22 P=480W

EXEMPLO 4: Qual será a potência de um circuito alimentado por uma fonte de V= 12V E corrente de 20mA? P=VxI

P = 12V x 0,02 A

P = 0,24W

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1.7 CAPACITOR E um componente que armazena cargas elétricas em forma de campo elétrico' Sua função é armazenar energia, e ele se compõe de duas placas condutoras separadas por um dielétrico (isolante). PROCESSO DE CARGA EM C.C. Considerando o capacitor descarregado, ao fechar a chave, começa a circular Instantaneamente uma corrente elétrica, em regime transitório, até que a tensão nos terminais do capacitor chegue a um valor próximo da tensão da fonte. Neste momento a corrente pára de fluir, e o capacitor está carregado com a mesma tensão da fonte. Ele irá manter esta tensão (regime permanente) até que seja descarregado.Em regime permanente não há corrente elétrica entre as placas. Assim, o capacitor é considerado como uma alta resistência para circuitos de tensão contínua. O capacitor compõe-se essencialmente de dois condutores elétricos (por exemplo, placas metálicas), separados por um material isolador (um dielétrico). Quando o capacitor é ligado a uma tensão contínua, ocorre um fluxo de corrente de carga por breves momentos, durante os quais a fonte de tensão absorve elétrons de uma das placas e comprime-os para a outra placa. Assim, uma placa fica com falta de elétrons e a outra com excesso, criando-se uma tensão entre as placas que corresponde à tensão aplicada originalmente. Se a origem da tensão aplicada for desligada, o capacitar permanece carregado por um curto período de tempo. Isso significa que o capacitor possui capacidade de armazenamento de carga elétrica. Se, por exemplo, o capacitor for descarregado através de uma resistência, há um fluxo de corrente que é chamada de corrente de descarga. A capacidade de um capacitor (capacitância) será maior quanto maior for a constante dielétrica, a área das placas, e quanto menor for à distância entre elas.

Construção básica de um capacitor 1 – Material isolador. 2 – Terminais. 3 – Placas metálicas.

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Carregamento das placas metálicas. 1 – Fonte de tensão. 2 – Interruptor. 3 – Placas de metal. 4 – Placa isoladora. IL – Corrente de carga IE – Corrente de descarga.

CAPACITÂNCIA É a capacidade que um capacitor possui de armazenar cargas elétricas. Sua unidade no SI é o farad ( F ).No entanto, esta unidade é grande para os valores que ocorrem nas utilizações práticas, e normalmente usam-se as seguintes unidades: 1 microfarad (μF) = 0,000001F 1 nanofarad (nF) = 0,000000001F 1 picofarad (pF) = 0,000000000001F

Fatores que interferem na capacitância.

C 

A d

Onde: ε = Permissividade do material ( Fm). A = Área das placas (m2). d = Distância entre as placas(m). C = capacitância (F).

Símbolo gráfico do capacitor:

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CARGA ARMAZENADA A quantidade de cargas armazenadas por um capacitor é obtida através do produto da capacitância pela diferença de potencial entre as placas. Q=CXV

Onde: Q = Carga elétrica (C). C = Capacitância (F). V = Diferença de potencial entre as placas (v).

TIPOS DE CAPACITORES Os capacitores podem ser de 3 tipos :

Plásticos Normalmente utilizam poliestireno ou poliéster como dielétrico. Podem ser construídos com duas folhas de alumínio bobinadas com uma folha de material plástico, ou através da vaporização do alumínio nas duas faces do dielétrico, num processo conhecido como metalização.

Cerâmicos O dielétrico é constituído de material cerâmico, o que proporciona baixos valores de capacitância e alta tensão de isolação.

Eletrolíticos Ao contrário dos cerâmicos, têm altas capacitâncias com baixa tensão de isolação. O dielétrico normalmente se constitui de óxido de alumínio ou óxido de tântalo. Exigem atenção na montagem, pois são polarizados, e a montagem pode ser axial ou radial.

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Ao ligar capacitores eletrolíticos é indispensável observar a polaridade correta ("+” e "-") a fim de evitar a sua destruição. Os capacitores encontram utilizações diversas nos automóveis - no sensor MAP, por exemplo, como elemento determinador da frequência, no temporizador da luz do habitáculo, em filtros de interferências, módulos de controle, sistemas de ignição, etc. Com o envelhecimento do eletrólito ou do dielétrico, os capacitores eletrolíticos perdem a sua capacidade. Dependendo da sua aplicação, isto pode resultar na deterioração da eficiência do filtro e na alteração da temporização indicada. No sensor MAP, a alteração da capacidade pode resultar numa alteração da frequência de saída, o que poderá originar um consumo mais elevado ou dificuldades na partida do motor. Contudo, um sinal fora da faixa de funcionamento normal, ou mesmo a falha total da unidade, são reconhecidos pelo módulo controle eletrônico do motor. ASSOCIAÇÃO DE CAPACITORES Assim como os resistores os capacitores também podem ser ligados em série ou em paralelo. LIGAÇÃO DE CAPACITORES EM SÉRIE As capacitâncias dos capacitores ligados em série são iguais, dado que a soma das tensões dos capacitores é igual á tensão total aplicada. Quando os capacitores estão ligados em série, a capacitância total é sempre menor do que a menor capacidade individual.

1 1 1 1 1     ....  Cg C1 C 2 C 3 Cn

LIGAÇÃO DE CAPACITORES EM PARALELO Quando os capacitores estão ligados em paralelo, a capacitância total é igual à soma das capacitâncias individuais.

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Cg = C1+C2+C3+...+Cn

1.8 MAGNETISMO Chamamos de magnetismo a propriedade que certas substâncias possuem de atrair corpos de ferro, níquel ou cobalto. A estas substâncias denominamos ímãs. Os ímãs podem ser encontrados de forma permanente, que retêm a propriedade magnética por tempo indeterminado, e também na forma de imã temporário, que têm duração limitada. Os imãs possuem sempre dois pólos magnéticos onde estão concentradas as forças de atuação:

Por convenção, as linhas de força partem do pólo norte, por fora do Imã, e penetram no pólo sul, mantendo um campo de atração chamado "campo magnético". Então: "Campo magnético é a região do espaço onde se manifesta a força magnética”.

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Como as linhas de força partem sempre do pólo norte para o pólo sul, então pólos de mesmo nome se repelem e pólos de nomes diferentes se atraem.

1.9 ELETROMAGNETISMO

Além dos ímãs, também a corrente elétrica pode produzir um campo magnético. Em 1820, Hans Christian Oersted descobriu que um condutor sendo, percorrido por uma corrente elétrica cria ao redor de si um campo magnético capaz de alterar a direção de uma agulha imantada.

Por isso nunca esqueça: Todo condutor quando percorrido por uma corrente elétrica, gera em torno do mesmo um campo eletromagnético.

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As linhas de força do campo magnético gerada pela corrente em um condutor retilíneo têm a forma de círculos concêntricos em torno do condutor.

Assim, se o condutor for enrolado na forma de uma bobina e receber uma pequena corrente elétrica, obtém-se um forte campo magnético, devido à interação (soma) das linhas de força.

Para se conseguir uma maior intensidade do campo magnético deve-se: A) Aumentar o número de voltas do condutor (espiras); B) Aumentar a corrente elétrica que circula; C) Introduzir no interior da bobina um núcleo de ferro, que diminua a dispersão do campo magnético.

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Assim sempre que circular uma corrente elétrica por uma bobina é gerado um "Campo Magnético". Este artifício é utilizado na construção de Relés, Interruptores Magnéticos, etc... A outra propriedade é: Quando um campo magnético corta ou é cortado por um condutor é induzida uma corrente elétrica neste condutor.

A intensidade da corrente induzida é diretamente proporcional a: A) Comprimento do condutor (nº. de espiras da bobina); B) Intensidade do campo magnético; C) Velocidade do movimento condutor ou do campo magnético; Este é o princípio básico de geração de energia elétrica através do movimento (Queda d'água. Geradores a óleo combustível, alternadores, etc...). Esta propriedade é utilizada também na construção de motores elétricos.

1.10 RELÉ O relé constitui um exemplo prático da aplicação do efeito magnético. Quando uma bobina é percorrida por corrente, forma-se nela e no seu núcleo de ferro um campo magnético, que provoca a atração do braço de contato em direção à bobina, fechando-se em consequência os contatos elétricos do circuito. Se a alimentação de corrente à bobina for interrompida, desfaz-se o campo magnético. Com a ajuda de uma mola de retomo, o braço de contato regressa à sua posição inicial e o circuito é aberto. Nos veículos, os relés são usados para inúmeras funções, essencialmente para a transferência de altas correntes. Além disso, a conversão de impulsos elétricos em movimento mecânico pode ser utilizada, por exemplo, nas válvulas de solenóide. Quando o campo magnético se desfaz, surge uma contra tensão muito elevada nos componentes atuadores (válvula de solenóide, válvula do ar de pulsação). Esta contra tensão (tensão de indução) tem de ser mantida baixa por meio de circuitos adequados.

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1 – Braço de contato com contato elétrico. 2 – Bobina com núcleo de ferro. 3 – Mola de retorno. 4 – Ligação à fonte de tensão. IS – Circuito de controle (comando). IL – Circuito de potência (carga).

Os relés podem ser: NA – Normal Aberto: Alimenta a carga (fecha o contato) quando é energizado. NF – Normal Fechado: Tira a alimentação da carga quando energizado.

85 e 86 – Circuito de Controle (comando). 30 e 87 – Circuito de Potência (carga).

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1.11 GERAÇÃO DE UMA TENSÃO ALTERNADA SENOIDAL Conforme vimos, quando um condutor é percorrido por uma corrente elétrica, surge ao seu redor um campo magnético. Michael Faraday descobriu que quando um condutor é colocado na presença de um campo magnético variável, cria-se nos terminais deste condutor uma diferença de potencial. Heinrich lenz, estudando os fenômenos descritos por Faraday, formulou uma lei para o, sentido da corrente induzida. Segundo a lei de lenz, "o sentido. da corrente induzida é tal que o campo magnético por ela criado contrarie o campo que a gerou". Se o ímã for movimentado, aproximando e afastando da espira condutora, a variação do campo magnético irá gerar uma tensão induzida na espira. Esta tensão induzida também é chamada de força eletromotriz (f.e.m.), e é dada em volts. Os elétrons livres do condutor movem-se juntamente com este. Sobre qualquer partícula carregada que se mova num campo magnético, é exercida uma força designada por força de Lorenz (Lorenz:cientista holandês). Isso resulta em que os elétrons livres do condutor são conduzidos para um dos'seus lados. Gera-se assim excesso de elétrons de um lado do condutor e escassez do outro lado, onde cria-se uma tensão entre as extremidades do condutor.

[

1 – Movimento. 2 – Enrolamento condutor de fio de cobre. 3 – Imã permanente. 4 – Campo magnético. 44

A direção da tensão induzida depende da direção de movimentação do condutor e da orientação do campo magnético. A tensão alternada aumenta de 0V até ao seu valor positivo máximo (amplitude) e cai em seguida abaixo da linha dos 0V para o seu valor negativo máximo, regressando depois novamente aos 0V, e assim consecutivamente. Ao número de vezes por unidade de tempo (segundos) que estas oscilações acontecem dá-se o nome de frequência.

A unidade da frequência é o Hertz (Hz) f 

1 T

Alteração da tensão representada em onda senoidal 1 – Amplitude 2 – 1 oscilação total = 1ciclo =T U – Tensão em volts t – Tempo em segundos

PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO GERADOR Tal como acontece com a geração de tensão alternada unifásica, a tensão alternada trifásica é gerada em combinação com um movimento rotativo. Existem três bobinas idênticas em círculo defasadas de 120°. Segundo a lei da indução, a rotação do rotor induz tensões senoidais AC igual à disposição das bobinas, e as tensões nelas induzidos são também defasadas de 120°. 1 Estator com enrolamentos 2 Rotor com enrolamentos de excitação

U Tensão em volts. T Tempo em segundos.

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1.12 TRANSFORMADOR E um dispositivo utilizado para aumentar ou diminuir uma tensão alternada, sem variar a potência.

Constitui-se de dois enrolamentos distintos, bobinados sobre um núcleo de aço laminado. O enrolamento primário é aquele onde se aplica a tensão, e o secundário é o enrolamento do qual se retira à tensão modificada. Não há ligação elétrica entre os enrolamentos primário e secundário. Ao percorrer as espiras do enrolamento primário, a corrente cria um campo magnético, cujas linhas de força passam pelo núcleo e enlaçam o enrolamento secundário, induzindo neste uma tensão.

Vp = Tensão do primário Ip =Corrente do primário Np = Número de espiras do primário. Vs = Tensão no secundário. Is = Corrente no secundário. Ns = Número de espiras do secundário

Um mesmo transformador pode ser elevador ou abaixador de tensão, dependendo do lado em que a tensão de alimentação é aplicada. O lado de maior tensão tem menor corrente. Seu enrolamento, de resistência elétrica alta, contém mais espiras e é feito com fio de diâmetro reduzido. O outro lado, aquele, de tensão menor tem corrente maior. Sua bobina é de baixa resistência elétrica e tem menos espiras, de fio de maior diâmetro. O transformador quase não tem perdas, por não possuir peças móveis. Um transformador ideal obedece às seguintes equações.

Vp Np Is   Vs Ns Ip

Potência do primário = Potência do secundário ( Pp = Ps) Vp. Ip = Vs.Is 46

Se o número de espiras do secundário for maior que o numero de espiras do primário o transformador será elevador de tensão. Caso contrário, será abaixador de tensão.

Exemplo: Calcule a tensão de saída (secundário) de um transformador que possui as seguintes especificações: Tensão do primário igual a 110V. Nº. de espiras do primário 400 espiras. Nº. de espiras do secundário 800 espiras. Solução:

Dados:

Vp =110V Vs = ? Np = 400 espiras Ns = 800 espiras

Vp Np  Vs Ns

110 400  Vs 800

400Vs = 110.800 400Vs = 88000

Vs =

88000  220V 400

Tensão no secundário é 220V (Transformador elevador de tensão).

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II - MULTÍMETRO AUTOMOTIVO Agora que conhecemos os conceitos básicos de Corrente (A), Tensão(V) e Resistência (Ω) vamos ver como devemos operar o nosso multímetro de forma a obter as medidas desejadas. O multímetro é uma ferramenta indispensável ao eletricista, que o permite diagnosticar defeitos de maneira direta. Ele reúne basicamente: um Voltímetro, um Amperímetro e um Ohmímetro. Para medir, basta selecionar a função e a escala desejada, e utilizar o instrumento de acordo com o que foi descrito anteriormente para medidas de corrente, tensão e resistência, conforme o caso. Existem multímetros convencionais (analógicos e digitais) e automotivos (digitais). Os convencionais podem ser utilizados na área automotiva, porém precisam de uma atenção especial nas medições de resistência elétrica para que o mesmo não venha a queimar alguns componentes elétricos automotivos, como por exemplo, o módulo de injeção eletrônica. O Multímetro automotivo foi fabricado exclusivamente para ser utilizado na área automotiva sem que o mesmo venha a danificar os componentes elétricos e eletrônicos do veículo se usado corretamente.

MULTÍMETROS CONVENCIONAIS DIGITAIS E ANALÓGICOS

Analógico Digital

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Abaixo temos um multímetro digital AUTOMOTIVO com seus elementos e suas funções principais:

Hold (congela a medição executada)

Range – escolhe o número de casas decimais para melhor precisão na medição

Visor(Display)

Resistência

Milivolt contínuo

Tensão Contínua

Diodo e continuidade

Tensão alternada

Miliampère contínuo e alternado

Corrente contínua e alternada.

Botão seletor

Borne para medição de corrente até 400mA ( 0,4A)

Borne para medição de corrente até 10A.

MULTÍMETRO AUTOMOTIVO DIGITAL

Borne para ponta de prova vermelha. Utilizado para medição de tensão, corrente, diodo e continuidade. Borne para conexão da ponta de prova preta.

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Medindo tensão continua

__ ---( DCV / V )

Selecione as funções do multímetro conforme desenho e coloque as pontas de prova em paralelo com o componente a ser medido.

~

Medição de tensão alternada ( ACV/V )

50

~

Medindo corrente alternada (ACA/A) Selecione o multímetro conforme desenho e coloque-o em série com o componente.

Atenção! A colocação do amperímetro em paralelo com o componente fará com que o fusível do multímetro se abra instantaneamente.

__

---__ ---( DCV / V )

Medindo corrente contínua

__ ( DCA /A ) ----

Selecione o multímetro conforme desenho e coloque-o em série com o componente.

Atenção! A colocação do amperímetro em paralelo com o componente fará com que o fusível do multímetro se abra instantaneamente.

51

Medindo resistência elétrica Selecione conforme desenho e coloque as pontas de prova em paralelo com o componente.

Atenção! O circuito deve estar desligado da fonte de tensão.

Leitura da informação no display do multímetro

Tome cuidado com a leitura que está no display do aparelho de medição, ela pode estar sendo em múltiplos e submúltiplos.

1KΩ = 1000Ω 1MΩ = 1000000 OL ou 1 Significa que a resistência é infinita. 1mV = 0,001V

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Cuidados especiais com o multímetro: Ao utilizarmos o multímetro temos que ter cuidados especiais para não danificar o aparelho e nem sofrer acidentes. Chave seletora de funções e pontas de prova. Deve haver coerência entre a função selecionada e a instalação das pontas de prova.

Obs.: A posição da ponta de prova Vermelha na medição de corrente é diferente da medição das outras funções.

Cuidado com os fusíveis e valores máximos de medição: O multímetro possui fusíveis internos para proteção durante a leitura de correntes elétricas, jamais os substituam por fusíveis que não tenham as mesmas características, estes fusíveis são de ação rápida para se abrirem antes dos componentes eletrônicos internos do multímetro.

Tome cuidado também com a capacidade máxima de isolação dos componentes do multímetro. 53

lll - SEMICONDUTORES Os semicondutores são sólidos cujos átomos se encontram dispostos em padrões regulares, ou seja,que possuem uma estrutura cristalina. Próximos do zero absoluto (-273 °C), os semicondutores puros atuam como isoladores. No entanto, à temperatura ambiente tomam-se condutores, ainda que em pequena escala. Em termos de condutividade, estes materiais' encontram-se entre os metais e os isolantes, e são deno-. minados semi-condutores.

Átomo de Silício Para explicar a forma como os componentes do semicondutor funciona, utilizaremos o silício. como exemplo, pois trata-se do material semicondutor mais amplamente usado. Os processos atômicos são semelhantes ao do germânio e de outros materiais semicondutores.

1 Primeira órbita - 2 elétrons. 2 Segunda órbita - 8 elétrons 3 Terceira órbita - 4 elétrons(de 18 possíveis) 4 Núcleo

Na órbita mais externa do átomo de silício encontram-se quatro elétrons aos quais se dá o nome de elétrons de valência. Cada elétron de valência pertence ao seu próprio átomo e ao átomo mais próximo, o que liga os átomos entre si (ligação de par eletrônico). A temperaturas muito baixas, o elétron de valência não pode sair da sua posição na rede cristalina, pois nessas temperaturas, o cristal não conduz.

Si átomo de silício 1 Elétron de valência 2 Ligação de par eletrônico. 3 Representação simplificada

54

À temperatura ambiente, os átomos dos semicondutores movimentam-se na rede cristalina oscilam. Desse modo alguns elétrons separam-se dos seus átomos e movimentam-se livremente na rede cristalina. Se for aplicada uma tensão à rede cristalina, estes elétrons movem-se do pólo negativo para o pólo positivo da fonte de tensão. Aos elétrons que se movimentam livremente no cristal dá-se o nome de elétrons condutores. Quando um elétron da camada ou órbita de valência se afasta da sua ligação par, cria um espaço (vazio), que é denominado de lacuna (no caso, lacuna positiva, pois falta elétron). Estas lacunas contribuem também para a movimentação de elétrons (corrente elétrica). Quando se aplica uma tensão a um cristal semicondutor, os elétrons condutores passam do pólo negativo para o positivo.

Movimentação de elétrons num semicondutor Si Átomo de silício 1 elétron 2 lacuna A temperaturas elevadas, existem no semicondutor mais elétrons condutores e consequentemente mais lacunas. A condutividade dos semicondutores aumenta com o aumento da temperatura. Em outras palavras, a resistência de um semicondutor diminui com o aumento da temperatura. Representação simplificada: Imaginemos o cristal de silício como um recipiente de vidro e observemos os seus aspectos mais importantes: as bolas (elétrons de valência), que se perderam da rede cristalina, movimentam-se Ilivremente no cristal. Os círculos pontilhados representam as lacunas deixadas pelas bolas. Os números de bolas e de círculos pontilhados dependem da temperatura. 1

Recipiente de vidro Círculos lacunas Bolas elétron de valência 55

Se aplicarmos uma tensão ao recipiente de vidro (consideremos a placa de vidro do lado esquerdo como o pólo negativo e a placa de vidro do lado direito como o positivo), as bolas transferem-se para o pólo positivo através dos círculos (lacunas). O número de partículas livres portadoras de carga no semicondutor pode ser consideravelmente aumentado adicionando-se ao cristal determinadas Impurezas.

1

Recipiente de vidro Círculos lacunas Bolas elétron de valência

Se introduzirmos um átomo estranho com cinco elétrons de valência na rede cristalina do silício (quatro na órbita externa), apenas quatro dos elétrons de valência podem ser combinados. O quinto é utilizado para a condução de carga. Dado que neste caso o transporte de carga se faz através de transportadores de carga negativa (elétrons), dá-se a estes semicondutores o nome de condutores N.

Si Átomo de silício ( 4 elétrons de valência) Sb Antimônio (5 elétrons de valência) 1 elétrons Condutores

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Os semicondutores tipo N possuem elétrons livres como transportadores de carga. Quando se introduz um átomo com três elétrons de valência no cristal de silício, os três elétrons são combinados, mas um encontra-se ausente da rede cristalina, surgindo uma lacuna. Pode acontecer que, um elétron de valência de um átomo vizinho salte para esta lacuna na rede cristalina, criando outra lacuna. Neste caso, o transporte da corrente é feito por meio de transportadores de carga positiva; por esse motivo este semicondutor é designado de condutor P.

Si Átomo de silício( 4 elétrons de valência) In Átomo de índio (3 elétrons de valência) 1 Elétron 2 Lacuna

Os semicondutores tipo P utilizam-se de lacunas para o transporte de carga. Pode-se dizer também que: Os semicondutores do tipo N são redes cristalinas doadoras de elétrons. Os semicondutores do tipo P são redes cristalinas receptoras de elétrons. Quando se aplica uma tensão a um material condutor N, há uma passagem de elétrons do pólo negatIvo para o positivo. Quando se aplica uma tensão a um material condutor P, há uma passagem de lacunas do pólo positivo para o negativo.

1 Material condutor 2 Lacunas 3 Material condutor P 4 Elétrons I direção da corrente IE Corrente de elétrons IL Corrente de lacunas 57

3.1 DIODOS SEMICONDUTORES

Se juntarmos um semicondutor P a um N, cria-se a denominada junção PN. Esta junção forma um componente eletrônico: o diodo. No limite entre os condutores P e N há passagem de elétrons condutores do condutor N para o P – as lacunas do condutor P passam para o condutor N. A este processo dá-se o nome de difusão. Perto do limite P-N, qualquer elétron da região N preenche uma lacuna na região P e na região P as lacunas são preenchidas por elétrons da região N. Isto significa que a região de ambos os lados da junção PN possui muito poucos transportadores de carga e que, sem tensão aplicada, atua como camada isoladora.

1 Condutor N 2 Junção PN 3 Condutor P 4 Elétrons 5 Camada de Junção 6 Lacunas

A esta camada isoladora, dá-se o nome de junção. É uma zona neutra, pois oferece uma barreira de potencial. Será necessário aplicar uma tensão mínima para que elétrons e lacunas conduzam cargas através desta barreira. Se aplicarmos uma tensão na junção PN, a situação pode alterar-se de diversas formas, dependendo da polaridade: se o condutor P for ligado ao pólo positivo e o condutor N ao pólo negativo, a tensão força a passagem de elétrons condutores do condutor N e de lacunas do condutor P para a camada de junção.Esta é gradualmente reduzida até desaparecer completamente na chamada tensão direta. Se o pólo positivo for ligado ao condutor P e o negativo ao condutor N, a camada de junção desaparece e a corrente flui através do diodo.

1 Condutor N 2 Junção PN 3 Condutor P 4 Elétrons 5 Símbolo do diodo 6 lacunas I Fluxo da corrente

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Se o pólo positivo for ligado ao condutor N e o negativo ao condutor P, a camada de junção aumenta e o diodo bloqueia a corrente elétrica. As ligações elétricas do diodo são designadas de "ânodo" (+) e "cátodo" (-), correspondendo o ânodo à ligação do condutor P e o cátodo à do condutor N. Existem múltiplas utilizações para os diodos nos automóveis; por exemplo: retificadores, protetores de inversão de polaridade, diodos de relés de corte, válvulas de solenóide, válvulas de controle do ar da marcha-lenta, diodos unidirecionais em circuitos impressos, etc.

3.2 TIPOS DE DIODOS

1 Condutor P 2 Junção P 3 Condutor N 4 Elétrons 5 Símbolo do diodo. 6 Lacunas 7Camada da junção

Diodos retificadores Os diodos de silício são essencialmente utilizados em retificação. No caso do exemplo ao lado, as lâminas de silício, compostas de condutor N e condutor P, encontram-se dentro de um alojamento. Neste diodo de silício, a corrente flui da cápsula para o cabo. A curva característica de um diodo retificador de silício é muito mais profunda na banda passante do que aquela dos diodos de germânio. Assim, sendo a tensão direta a mesma, há uma passagem de corrente maior pelo diodo retificador de silício.

1 Símbolo 2 Lâmina de sillício 3 Alojamento. 4 Vedação de vidro. 5 Cabo 6 Terminal

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Na camada de junção, a corrente reversa é muito pequena, aumentando apenas um pouco quando a tensão reversa aumenta. Só quando se alcança a tensão de ruptura do ânodo é que há um aumento súbito da corrente reversa. Na prática, o valor da tensão reversa no diodo retificador de silício não deve de modo algum atingir a tensão de ruptura, pois isso provocaria a sua destruição. UR Tensão reversa UF Tensão direta IR Corrente reversa IF Corrente direta Us Tensão limiar UD Tensão de ruptura Si Curva característica do silício Ge Curva característica do germânio Diodos Zener Normalmente, os diodos Zener só são usados na direção do bloqueio. Se a tensão aplicada exceder a tensão reversa admissível (tensão Zener ou de Ruptura), o diodo Zener conduz. Esta aplicação do diodo como limitador de tensão dura enquanto a tensão aplicada exceder a quantidade admissível. Os diodos Zener são usados para proteção contra sobretensão (por exemplo, em instrumentos de medição). Uma outra aplicação importante é a estabilização de tensão em sistemas eletrônicos. Campos de aplicação no automóvel: no módulo de controle eletrônico do motor, para estabilização da tensão de alimentação de 5 V fornecida aos sensores.

Região de bloqueio de um diodo delimitador UR Tensão reversa IR corrente reversa Uz tensão de ruptura ou zener 1 Símbolo 60

EU Tensão de alimentação (por exemplo, 8-14V) UV Tensão de alimentação estabilizada (por exemplo, 5V) 1 Resistência.

Diodos emissores de luz O diodo emissor de luz (LED: Light Emitting Diode) funciona no sentido de passagem.Dependendo do tipo utilizado, o diodo emite luz com comprimentos de onda na faixa de infra-vermelho e luz visível. Os diodos emissores de infravermelhos (IRED: Infrared Emitting Diode) são, por exemplo, usados em barreiras luminosas.

1 Diodo LED 2 Símbolo

Os LED que emitem luz visível apresentam-se nas seguintes cores: verde, amarelo, laranja, vermelho e azul. Em automóveis, os LED são usados como fontes de luz e como indicadores luminosos. O LED necessita de uma resistência que atue como limitador de corrente. Dependendo do tipo de diodo, a tensão limiar situa-se aproximadamente entre 1,35V e 2,5 V, e a tensão de ruptura entre 3 e 6 V.

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3.3 RETIFICAÇÃO AC/DC Retificadores de meia-onda Quando se aplica uma tensão alternada (AC) a um diodo, a tensão é retificada, sendo o resultado a produção de uma tensão denominada de contínua pulsada (DC). Se a meia-onda positiva da tensão alternada for, aplicada ao ânodo, este conduz e permite à passagem da meia onda, ou seja, há a passagem de uma corrente com a forma desta meia onda através do diodo. A subsequente meia onda negativa (negativa no ânodo) é bloqueada pelo diodo. Durante a meia onda negativa não há passagem de corrente.

U ~ Tensão alternada L1 Erolamento primário L2 Enrolamento secundário D1 Diodo R1 resistência de carga (Consumidor)

Consequentemente, a tensão fornecida ao consumidor consiste numa série de meias ondas positivas, separadas por períodos que correspondem à duração da tensão negativa, durante os quais a tensão baixa para 0 volts. EU Tensão de alimentação t Tempo 1 Tensão de saída na resistência de Carga R1

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Retificadores de onda completa

O retificador de onda completa utiliza um circuito em ponte com quatro retificadores. O circuito é montado de maneira que a meia onda negativa não é suprimida, mas sim totalmente utilizada. Quando a meia onda positiva da tensão alternada se encontra em L2, o pólo positivo é ligado à extremidade superior e o pólo negativo à extremidade inferior do enrolamento secundário. Assim, a corrente passa através do diodo D2, do consumidor R1 e do diodo D3, regressando à ligação negativa de L2. Os diodos D1 e D4 invertem. A tensão que passa pelo consumidor corresponde à meia onda positiva.

Se, a meia onda negativa da tensão alternada estiver em L2, o pólo negativo é ligado à extremidade superior e o positivo à extremidade inferior do enrolamento secundário. Deste modo a corrente percorre o diodo D4, o consumidor R1 e o diodo D1,regressando à ligação negativa de L2 Os diodos D2 e D3 invertem. A corrente gerada pela meia onda negativa percorre o consumidor na mesma direção que a gerada anteriormente pela meia onda positiva. Assim, a tensão que percorre o consumidor R1 tem a mesma polaridade em ambos os casos. A tensão que percorre R1, é também pulsada continuamente.

U ~ Tensão alternada L1 Enrolamento primário L2 Enrolamento secundário D1-4 Diodo R1 resistência de carga (consumidor)

EU Tensão de alimentação T Tempo 1 Tensaõ de saída na resistência de carga R1

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As tensões e correntes de saída fornecidas pelos circuitos retificadores contêm componentes de tensão alternada e de corrente alternada. Entretanto, para muitas aplicações são necessárias tensões e correntes contínuas puras. Com a ajuda de um circuito de filtragem, estes componentes alternados (AC) podem ser filtrados ou reduzidos ao ponto de os seus resíduos não mais serem prejudiciais. Não é possível eliminar totalmente os componentes AC. O circuito de filtragem compõe-se normalmente de uma resistência e um capacitor (circuito de filtragem RC) ou de uma bobina e um capacitor (circuito de filtragem LC).

+ C

U ~ Tensão alternada L1 Enrolamento primário L2 Enrolamento secundário D1-4 Diodo R1 resistência de carga ( Consumidor) C Capacitor

Circuito de filtragem com capacitor U Tensão de alimentação na Resistência de carga R1. T Tempo.

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3.4 O TRANSISTOR

O transistor é constituído por três camadas semicondutoras. Nos transistores NPN, as duas camadas exteriores são condutores N, sendo a camada central um condutor P. O transistor possui, assim, duas junções PN, nas quais se formam camadas de junção. À primeira destas camadas dá-se o nome de emissor, dado que emite (envia) portadores de carga. À camada central dá-se o nome de base. Esta controla a emissão de portadores de carga. À última camada dá-se o nome de coletor, pois reúne portadores de carga.

1 Representação do transistor NPN 2 Símbolo do circuito do transistor NPN E Emissor B Base C Coletor

Existem dois tipos de transistor: o PNP e o NPN. Nos transistor NPN, o emissor envia "elétrons"; no transistor PNP, emite "lacunas". O símbolo identificativo do emissor é uma seta, a qual indica a direção convencional da corrente do emissor. Nos transistores NPN, as direções dos diodos são opostas às dos transistores PNP, o que significa que as polaridades da fonte de tensão ligada também devem ser invertidas. Em seguida, é explicado o princípio de funcionamento do transistor, tomando como exemplo o transistor NPN.

1 Representação 2 Símbolo do circuito do transistor PNP E Emissor B Base C Coletor

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Se ligarmos o pólo negativo de uma fonte de tensão ao emissor e o pólo positivo ao coletor, não se verifica passagem de corrente. Os elétrons do coletor deslocam-se em direção ao pólo positivo, as lacunas da base são repelidas pelo potencial positivo e deslocam-se para a junção entre a base e o emissor. Em consequência, a camada de junção entre o coletor e a base aumenta. Os elétrons do emissor são repelidos pelo potencial negativo da fonte de tensão e movem-se em direção à junção entre o emissor e a base, tal como sucedeu com as lacunas da base. Assim, a junção entre o emissor e a base desaparece.

E emissor B Base C Coletor RL resistência de carga.

Se aplicarmos adicionalmente uma tensão positiva baixa à base, há um fluxo de elétrons do emissor para a base através da junção PN. O coletor, que se encontra ligado ao potencial positivo, atrai a maior parte dos elétrons que se encontram na camada da base e "suga-os" através da junção PN entre a base e o coletor. Consequentemente sai corrente do coletor. Uma pequena parte da corrente do emissor regressa à fonte de tensão da base através desta última, formando assim a corrente de base (ou corrente de controle). E Emissor B Base C Coletor RL Resistência de carga. RB Resistência de base

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A relação entre a corrente do coletor e a corrente da base dá-se o nome de amplificação de corrente contínua. Os esclarecimentos sobre o funcionamento também se aplicam ao transistor PNP com exceção de que deve-se levar em conta as diferenças de polaridade e de corrente.

Através da alteração da tensão na base (por meio de um potenciômetro, por exemplo), a corrente do coletor pode ser aumentada ou diminuída e ainda ligada ou desligada. Desta forma, o transistor pode ser usado não só como amplificador, mas também como interruptor. Se for utilizado um transistor como interruptor, cria-se no transistor uma tensão base emissor no sentido de passagem. A tensão aplicada tem de ser maior do que a tensão limiar, a fim de deixar passar a corrente do coletor. O consumidor é ligado ao cabo do coletor. Se for utilizada, por exemplo, uma resistência dependente da luz na alimentação de tensão da base-emissor, o transistor pode ser usado como interruptor dependente da intensidade da luz. Não se inclui nesta publicação uma explicação de outros tipos de transistor, pois isto ultrapassa o âmbito deste curso básico. Nos automóveis, o transistor é usado essencialmente como interruptor, pois não se baseia na abertura e fechamento de contatos, constituindo um interruptor extremamente rápido e isento de desgaste (ver, por exemplo, ignição transistorizada).

ANALOGIA DO TRANSISTOR COM O RELÉ Um transistor se parece muito como um relé numa forma eletrônica. Os relés são utilizados sempre que uma corrente precisar ser transferida por uma fonte remota. Um transistor pode executar esta função com maior velocidade e maior confiabilidade. Para explicar melhor como um transistor funciona, iremos comparar sua função àquela de um relé executando a mesma tarefa.

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Operação Imagine a parte interna de um transistor NPN como sendo uma combinação de relé e diodo. O "relé" do transistor é ativado para completar um circuito entre o coletor e o emissor sempre que a "bobina do relé" é energizado. Veja como um "diodo" está ligado por fio dentro do transistor. A corrente só pode fluir a partir da base ao emissor (devido ao diodo na extremidade do emissor). Quando o transistor tiver a polaridade e o nível de tensão corretas fornecidos à sua trajetória da base/emissor, ele é chamado de transistor polarizado diretamente. Esta condição faz com que o transistor se ative e se ligue do coletor ao emissor. Isto completa o circuito à carga. Tanto a pequena corrente de controle (base/emissor) como a grande carga de corrente (coletor/emissor) compartilham do mesmo terminal ao terra do emissor. Isto significa que o transistor NPN pode ser utilizado como um interruptor do lado do terra onde a tensão da bateria (B+) já foi fornecida ao dispositivo de saída. O dispositivo necessita somente de um terra (fornecido pelo transistor) para funcionar. Os transistores podem transferir uma carga muito mais rapidamente que um relé. Eles são também mais confiáveis, pois não possuem peças móveis que possam falhar ou desgastar-se. Nenhum técnico de motores de desempenho moderno pode imaginar os atuais injetores de combustível eletrônicos sendo acionados por relés individuais. Só para aguçar a sua imaginação, você acredita que injetores de combustível acionados por relés podem ser confiáveis, duráveis e com capacidade de execução na velocidade de um motor automotivo? 68

Nota: Alguns transistores têm a capacidade de estarem parcialmente ligados. Eles produzem sinais analógicos. Fototransistores,são um exemplo. Polarizado diretamente - Tensão aplicada a um transistor de tal maneira que o transistor permite um grande fluxo de corrente através do mesmo (passa a conduzir).

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3.5 SIMBOLOGIA DE COMPONENTES DE CIRCUITOS

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IV -SINAIS ELÉTRICOS - ELETRÔNICOS Existem dois tipos de sinais elétricos utilizados nos sistemas controlados eletronicamente: DIGITAL e ANALÒGICO As entradas e as saídas comunicam e funcionam utilizando ambos os tipos de sinais elétricos.

4.1 SINAIS DIGITAIS Um sinal digital está LIGADO ou DESLIGADO. Quando visto com um osciloscópio, um sinal digital gera um padrão de onda quadrado quando ativado repetidamente. Os sinais digitais são produzidos por: - Interruptores LIGA/DESLIGA. - Sensores de efeito hall. - sensores óticos. Nota: Estes dispositivos estão explicados em detalhes no curso de injeção eletrônica. Por enquanto é necessário somente reconhecer que diferentes sinais elétricos são utilizados em diferentes situações e que esses sinais são analógicos ou digitais. DIGITAL-Um sinal elétrico com dois estados – LIGADOS ou DESLIGADOS (ON/OFF).

4.2 SINAIS ANALÓGICOS 73

Um sinal analógico é variável. A tensão varia dentro de uma certa faixa com o tempo. Quando visto com um osciloscópio, os sinais analógicos podem ser AC ou DC. Analógico – Um sinal de tensão que pode fornecer informações numa faixa de tensão. DC – Corrente Contínua AC – Corrente Alternada Exemplos de “ondas” de sinais analógicos.

Exemplo de um sensor analógico – Sensor de posição da borboleta(TP) 74

Um dispositivo tal como o sensor de posição de da borboleta de aceleração(TP) produz um sinal analógico. Por exemplo, a saída do valor da tensão de um sensor de posição da borboleta em marcha-lenta é tipicamente de 1V ou menos. A tensão gradualmente conforme a borboleta abre-se.

Os sinais de tensão de fontes analógicas podem variar entre os valores máximo e mínimo. Os sinais digitais possuem somente dois possíveis valores-LIGADO ou DESLIGADO.

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Referências bibliográficas: 1. Fiat Automóveis - Sistemas elétricos I 2. Auto treinamento Ford – Fundamentos de eletricidade e eletrônica automotiva. 3. Auto treinamento Ford – Conceito e funcionamento de sistemas eletrônicos. 4. Treinamento Mercedes- Benz – Princípios básicos de eletricidade

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