O que é uma fonte de alimentação comutada (SMPS)?

Em comparação com as fontes de alimentação lineares tradicionais, as fontes de alimentação comutadas (SMPS) oferecem maior eficiência e ocupam menos espaço, mas é necessário manter o ruído de saída num nível baixo.

Visão geral das fontes de alimentação comutadas

As fontes de alimentação comutadas são amplamente utilizadas devido às suas vantagens em termos de dimensões, peso, custo, eficiência e desempenho global.

Graças a estas vantagens de desempenho, as fontes de alimentação comutadas são utilizadas na maioria dos sistemas eletrónicos para fornecer energia com eficiência, exceto nas aplicações mais exigentes.

As fontes de alimentação comutadas tornaram-se uma tecnologia amplamente aceite na eletrónica. Também são habitualmente designadas por conversores de potência comutados ou, simplesmente, por «conversores comutados».

Terminologia das fontes de alimentação comutadas

São utilizados vários termos próximos para descrever a tecnologia das fontes de alimentação comutadas (SMPS). Embora todos se refiram à mesma tecnologia de base, descrevem partes diferentes do sistema completo.

• Fonte de alimentação comutada (SMPS): este termo refere-se geralmente a uma unidade completa que se liga à rede elétrica ou a outra fonte de energia externa e produz uma saída regulada. Por outras palavras, é uma fonte de alimentação completa.
• Regulador comutado: refere-se geralmente apenas ao circuito eletrónico que efetua a regulação de tensão. Um regulador comutado é uma parte de uma fonte de alimentação comutada completa.
• Controlador de regulador comutado: muitos circuitos integrados de reguladores comutados não incluem o elemento de comutação em série. Isto é particularmente comum em aplicações de corrente ou tensão mais elevada, nas quais um elemento de comutação em série externo suporta melhor a corrente, a tensão e a dissipação de potência resultante.

Fundamentos das fontes de alimentação comutadas

O conceito básico de uma fonte de alimentação comutada (SMPS) consiste em utilizar um regulador comutado para controlar a tensão de saída. Este utiliza um elemento de comutação em série que liga e desliga periodicamente a corrente que chega a um condensador de filtragem.

O tempo de condução do elemento em série é controlado pela tensão aos terminais do condensador. Se a tensão subir acima do valor necessário, o elemento de comutação em série desliga; se descer abaixo desse valor, liga. Desta forma, a tensão aos terminais do condensador de filtragem ou de armazenamento de energia mantém-se no nível necessário.

Princípio de funcionamento de um regulador comutado

Abrir este circuito no EveryCircuit

Vantagens e desvantagens das fontes de alimentação comutadas

Qualquer tecnologia exige, em geral, uma avaliação cuidada das suas vantagens e desvantagens. As fontes de alimentação comutadas não são exceção: oferecem vários benefícios claros, mas também têm limitações.

Vantagens das fontes de alimentação comutadas

• Elevada eficiência: devido ao funcionamento por comutação, o elemento regulador em série está ligado ou desligado. Assim, é dissipada muito pouca energia sob a forma de calor, o que permite uma eficiência muito elevada.
• Design compacto: a elevada eficiência e a reduzida necessidade de dissipação de calor permitem fabricar fontes de alimentação comutadas mais compactas.
• Custo: o custo é um dos aspetos mais atrativos das fontes de alimentação comutadas. A sua elevada eficiência e o funcionamento por comutação fazem com que dissipem menos calor do que as fontes de alimentação lineares, ajudando a reduzir os custos. Além disso, a comutação permite utilizar componentes de menor custo em muitas partes do circuito.
• Flexibilidade técnica: a tecnologia das fontes de alimentação comutadas pode ser utilizada tanto para elevar como para reduzir a tensão, permitindo uma conversão eficiente.

Desvantagens das fontes de alimentação comutadas

• Ruído: os picos transitórios gerados durante a comutação são uma das principais desvantagens das fontes de alimentação comutadas. Se não forem devidamente filtrados, podem propagar-se a diferentes partes dos circuitos alimentados pela SMPS. Os picos ou perturbações transitórias também podem produzir interferência eletromagnética ou de radiofrequência que afeta equipamentos eletrónicos próximos, especialmente recetores de rádio.
• Componentes externos: embora seja possível conceber um regulador comutado em torno de um único circuito integrado, normalmente continuam a ser necessários componentes externos. O mais evidente é o condensador de armazenamento de energia, sendo também necessários componentes de filtragem. Em alguns projetos, o elemento de comutação em série pode ser integrado no chip, mas, quando é necessário fornecer uma determinada corrente, o elemento de comutação em série é geralmente externo. Estes componentes ocupam espaço e aumentam o custo.
• Necessidade de conhecimentos especializados de projeto: construir uma fonte de alimentação comutada funcional geralmente não é difícil, mas garantir que cumpre os requisitos de desempenho especificados pode ser mais exigente. Em particular, manter a ondulação e a interferência dentro dos limites exigidos pode ser bastante difícil.
• Filtragem: a filtragem de uma fonte de alimentação comutada deve ser cuidadosamente concebida, pois um filtro mal projetado pode causar níveis elevados de ruído e picos na saída.

Como ligar um interruptor de corrente a um relé, PLC, NPN ou PNP?

Um interruptor de corrente é amplamente utilizado na automação industrial, na monitorização de equipamentos e na deteção do estado das cargas. Permite detetar se há corrente a circular num condutor e enviar um sinal de comutação a um relé, PLC ou sistema de controlo.

O que é um interruptor de corrente?

Um interruptor de corrente é um sensor que deteta a corrente num condutor e emite um sinal de comutação.

Normalmente, não é utilizado para medir valores de corrente com precisão, mas para determinar se a corrente ultrapassa um limiar predefinido. Por exemplo, um interruptor de corrente com limiar fixo de 2 A pode emitir um sinal quando a corrente medida atinge aproximadamente 2 A, confirmando que a carga entrou em funcionamento.

Comparação dos tipos de produto

Apresentação do interruptor de deteção de corrente JWY-297

O JWY-297 é um interruptor de deteção de corrente CA que não requer alimentação auxiliar e é utilizado para detetar se há corrente a circular num condutor.

Quando a corrente no condutor monitorizado ultrapassa o limiar de atuação, aproximadamente 2 A, o transístor interno conduz, permitindo a deteção digital do «estado de funcionamento do equipamento».

A sua saída é do tipo NPN de coletor aberto, pelo que são necessários diferentes métodos de ligação consoante o sistema de controlo.

1. Ligação a uma carga com relé

O STWA1S pode acionar diretamente pequenos relés de CC se a corrente da bobina estiver dentro da capacidade da saída, por exemplo, 40 V CC / 40 mA ou menos. Quando é detetada corrente, o transístor de saída conduz e liga uma extremidade da bobina do relé à massa, energizando-o.

Cenários de aplicação

• Indicação simples do funcionamento de equipamentos
• Sistemas de controlo autónomos sem PLC
• Monitorização do estado ligado/desligado de pequenas bombas, ventiladores e aquecedores

2. Ligação a uma entrada de PLC fornecedora de corrente (sourcing) — configuração pull-down

Os módulos de entrada sourcing fornecem internamente uma tensão de pull-up, normalmente de +24 V. Como a saída do STWA1S apenas consegue fazer descer o sinal, pode colocar diretamente a entrada do PLC a 0 V para ativar o sinal.

Características

• Não requer resistências externas
• Ligação mais simples
• Compatível com a maioria dos PLC modernos, incluindo módulos de entradas digitais comuns da Siemens, Omron e Mitsubishi

Aplicações

• Monitorização do estado de funcionamento de sistemas de automação
• Deteção do funcionamento de ventiladores, bombas ou aquecedores
• Deteção de corrente em vários canais com lógica OU em paralelo

3. Ligação a uma entrada de PLC absorvedora de corrente (sinking) — configuração pull-up

Os módulos de entrada sinking têm uma estrutura interna de pull-down e requerem uma tensão externa de pull-up. Neste caso, é necessário adicionar uma resistência de pull-up à saída do STWA1S para garantir que a entrada do PLC recebe um nível alto.

Características

• Requer uma resistência externa de pull-up, normalmente de 2,2 kΩ–10 kΩ
• Adequado para PLC antigos ou placas de controlo especializadas

Cenários de aplicação

• Entradas digitais em placas de controlo industrial
• Modelos de PLC antigos, como alguns modelos S5 e os primeiros PLC de fabrico nacional

4. Ligação a módulos digitais integrados, como os Siemens S5

Módulos como o Siemens 6ES5 431 8MA11 já fornecem internamente uma tensão de pull-up, pelo que é possível utilizar diretamente o método de ligação padrão do STWA1S.

Cenários de aplicação

• Modernização de equipamentos antigos
• Monitorização do estado de funcionamento de sistemas S5
• Atualização de equipamentos existentes em salas de servidores, edifícios e fábricas

Resumo

Um interruptor de corrente oferece uma forma simples e fiável de detetar se uma carga está em funcionamento ou parada. Em comparação com os transformadores e transmissores de corrente, centra-se no estado de comutação, em vez da medição precisa da corrente.

Para o controlo de relés, pode acionar diretamente bobinas de pequenos relés de CC dentro da capacidade nominal da saída. Nos sistemas PLC, o método de ligação depende de o módulo ter uma entrada sourcing ou sinking. Quando é utilizado com módulos digitais integrados, como os Siemens S5, o interruptor de corrente pode muitas vezes ser ligado diretamente se o módulo já fornecer internamente uma tensão de pull-up.

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Diferenças e aplicações dos transmissores de corrente com saída RMS e TRMS em CC

Na automação industrial, na gestão de energia e na monitorização do estado dos equipamentos, os transmissores de corrente são habitualmente utilizados para converter a corrente CA do lado primário em sinais CC normalizados — como 0–1 V, 0–5 V, 0–10 V ou 4–20 mA — que podem ser facilmente recebidos por PLC, instrumentos ou sistemas de aquisição de dados.

Consoante a forma como o valor eficaz é processado, estes transmissores são geralmente classificados como modelos com saída RMS ou saída TRMS. Ambos podem representar o valor eficaz da corrente do lado primário através de um sinal CC, mas diferem significativamente na capacidade de lidar com diferentes formas de onda de entrada.

I. A importância do valor eficaz da corrente

O valor eficaz de uma corrente CA representa o efeito térmico que esta produz numa carga resistiva e equivale, nesse efeito, a uma determinada intensidade de corrente CC.

Define-se da seguinte forma:

Para uma onda sinusoidal padrão, a relação entre o valor eficaz e o valor de pico da corrente é:

Os transmissores de corrente convertem o valor eficaz medido num sinal analógico CC. Por exemplo, num transmissor com uma gama de 0–100 A e uma saída de 4–20 mA, quando a corrente do lado primário é de 50 A, a saída teórica é de aproximadamente 12 mA.

II. Transmissores de corrente com saída RMS

Os transmissores com saída RMS habitualmente utilizados em engenharia funcionam, em geral, por retificação, filtragem e cálculo da média do sinal de entrada. O transmissor mede primeiro o valor médio da forma de onda CA retificada e depois converte-o em valor eficaz segundo uma relação fixa baseada numa onda sinusoidal padrão.

Este método utiliza um circuito relativamente simples e oferece vantagens como baixo custo, boa estabilidade e resposta suave. Proporciona bons resultados de medição em ondas sinusoidais à frequência da rede ou em correntes CA com pouca distorção.

Aplicações adequadas para transmissores com saída RMS

• Circuitos de distribuição elétrica à frequência da rede
• Equipamentos de aquecimento resistivo convencionais
• Motores, ventiladores e bombas à frequência da rede
• Circuitos de iluminação
• Cargas CA com pouca distorção da forma de onda
• Projetos centrados sobretudo na monitorização do estado de funcionamento e das tendências de carga

Aplicações típicas de produtos com saída RMS

Por exemplo, o YHDC SCT016T-D utiliza um design autoalimentado de tipo aberto, baseado no princípio do transformador de corrente. Após a retificação e filtragem do sinal secundário, fornece uma saída de 0–1 V CC ou 0–5 V CC. Não necessita de alimentação externa e é adequado para modernizar quadros de distribuição, monitorizar o consumo de energia em edifícios e recolher dados da corrente de funcionamento de equipamentos em geral.

Para a transmissão a longa distância, o TST016T de tipo aberto e fechado, com ligação a dois fios, pode converter os resultados da medição num sinal de 4–20 mA. A interface a dois fios oferece uma cablagem simples e elevada resistência a interferências, sendo adequada para ligação a PLC e sistemas de controlo industrial.

Para instalação centralizada em armários de controlo, o YHDC TCAH apresenta um design de tipo fechado e montagem em calha DIN, com opções de saída de 4–20 mA ou 0–10 V. É adequado para novos quadros de distribuição, conjuntos completos de equipamentos e monitorização de cargas comuns à frequência da rede.

Para barramentos de alta corrente, cabos grossos ou aplicações com espaço de instalação limitado, pode utilizar-se uma solução com bobina de Rogowski. Os YHDC TRV02 da série de integradores para bobinas de Rogowski podem fornecer saídas de 4–20 mA ou 0–1 V, sendo adequados para medir barramentos à frequência da rede, equipamentos de aquecimento de elevada potência e sinais CA de alta corrente com formas de onda próximas de uma onda sinusoidal.

III. Transmissores de corrente com saída TRMS

TRMS significa verdadeiro valor eficaz. Os transmissores TRMS processam a corrente de entrada elevando os valores ao quadrado, calculando a média e extraindo a raiz quadrada, segundo o princípio do valor quadrático médio. Assim, conseguem medir não só ondas sinusoidais padrão, mas também diversas formas de onda não sinusoidais.

Desde que a amplitude, a frequência e o fator de crista da corrente de entrada não excedam os limites especificados para o produto, os transmissores TRMS conseguem refletir com maior precisão os efeitos térmicos reais provocados por correntes distorcidas.

Aplicações adequadas para transmissores com saída TRMS

• Terminais de entrada e saída de variadores de frequência
• Sistemas UPS e inversores
• Equipamentos retificadores e fontes de alimentação comutadas
• Equipamentos de regulação de potência controlados por tirístores
• Equipamentos de soldadura e aquecimento por indução
• Cargas não lineares com grande quantidade de harmónicas
• Correntes com limitação de amplitude, impulsos ou condução intermitente

Aplicações típicas de produtos com saída TRMS

Por exemplo, o YHDC THT2032 apresenta um design fechado e pode fornecer saídas de 4–20 mA ou 0–10 V, sendo adequado para instalação em novos armários de controlo ou sistemas completos de equipamentos. Em comparação com os transmissores RMS convencionais, é mais adequado para variadores de frequência, arrancadores suaves, sistemas UPS, fontes de alimentação com retificador e cargas com tirístores.

Em aplicações com correntes elevadas ou nas quais os transdutores de malha fechada convencionais não são viáveis, podem utilizar-se os integradores de corrente de efeito Hall da série YHDC TRS02. Esta série fornece saídas de 4–20 mA ou 0–1 V e permite medir com maior precisão correntes CA distorcidas, pulsadas e com elevado teor de harmónicas, sendo adequada para conversores de frequência, inversores, equipamentos de soldadura e barramentos de alta corrente.

IV. Principais diferenças entre as saídas RMS e TRMS

A principal diferença entre as duas não está na interface de saída. Tanto os produtos RMS como os TRMS podem fornecer sinais de tensão CC ou de 4–20 mA; a diferença está na forma como o transmissor calcula internamente o valor eficaz da corrente de entrada.

V. Cenários de aplicação típicos

Sistemas convencionais de distribuição elétrica à frequência da rede

Em aplicações nas quais a frequência da rede é estável e a carga consiste sobretudo em resistências, indutores e motores convencionais à frequência da rede, a forma de onda da corrente é geralmente próxima de uma onda sinusoidal, pelo que um transmissor com saída RMS é suficiente para cumprir os requisitos de monitorização.

Para modernizar circuitos de distribuição existentes, podem utilizar-se os modelos de tipo aberto SCT016T-D ou TST016T; para instalação centralizada em armários de controlo, pode utilizar-se o TCAH, de tipo fechado e com montagem em calha DIN; e, para barramentos de alta corrente, pode utilizar-se o TRV02 em conjunto com uma bobina de Rogowski.

Sistemas com variadores de frequência

A saída dos variadores de frequência apresenta geralmente uma forma de onda modulada por PWM, e a corrente pode conter componentes de alta frequência e harmónicas significativas. Os transmissores RMS convencionais podem não refletir com precisão o verdadeiro valor eficaz; por isso, deve dar-se prioridade aos produtos TRMS.

Para novas instalações com correntes baixas a médias, pode utilizar-se o modelo fechado THT2032; para barramentos de alta corrente, cabos grossos ou situações com espaço de instalação limitado, podem utilizar-se os integradores para bobinas de Rogowski da série TRS02.

Equipamentos de controlo de potência por tirístores

Os tirístores regulam a potência de saída ajustando o ângulo de condução em cada ciclo. Embora a frequência fundamental da corrente permaneça em 50 Hz ou 60 Hz, a forma de onda deixa de ser uma onda sinusoidal pura.

Nestes casos, os transmissores RMS convencionais podem produzir erros de medição significativos; devem utilizar-se transmissores com saída TRMS, como os das séries THT2032 ou TRS02.

Monitorização do consumo de energia e avaliação do estado dos equipamentos

Se o sinal de corrente for utilizado sobretudo para determinar se um equipamento está ligado ou desligado, ou para analisar tendências de variação da carga, e a forma de onda medida for relativamente estável, os produtos RMS são geralmente mais económicos.

Se os resultados da medição forem utilizados para avaliar o aquecimento dos condutores, o fator de carga, situações de sobrecarga ou o funcionamento de equipamentos com frequência variável, os produtos TRMS podem fornecer dados mais fiáveis sobre o valor eficaz da corrente.

VI. Resumo

Tanto os transmissores de corrente RMS como os TRMS conseguem converter a corrente CA do lado primário num sinal CC normalizado, mas diferem na capacidade de lidar com diferentes formas de onda de entrada.

Para cargas com formas de onda próximas de ondas sinusoidais — como a distribuição elétrica convencional à frequência da rede, o aquecimento resistivo, a iluminação e os motores à frequência da rede — podem escolher-se produtos com saída RMS, como o SCT016T-D, TST016T, TRV02 ou TCAH, para conciliar os requisitos de medição com os custos de operação.

Para variadores de frequência, sistemas UPS, inversores, equipamentos retificadores, regulação de potência controlada por tirístores, equipamentos de soldadura e outras cargas não lineares, deve dar-se prioridade a produtos com saída TRMS, como o THT2032 ou o TRS02, para obter um valor eficaz da corrente que reflita melhor o efeito térmico real.

Como converter um sinal de corrente de 4–20 mA em tensão

O circuito de corrente de 4–20 mA é um método comum de transmissão de sinais analógicos na automação industrial. Este artigo explica o significado básico do circuito de corrente de 4–20 mA, como converter corrente em tensão e como selecionar uma resistência de amostragem adequada.

I. Significado básico do circuito de corrente de 4–20 mA

O circuito de corrente de 4–20 mA é um método comum de transmissão de sinais analógicos na automação industrial. A YHDC produz diversos transmissores de corrente e transmissores de tensão com diferentes formatos e parâmetros.

Neste sinal, 4 mA representam o limite inferior da gama, ou seja, 0%, e 20 mA representam o limite superior da gama, ou seja, 100%.

II. Como converter corrente em tensão

A forma mais simples de converter um sinal de corrente de 4–20 mA num sinal de tensão é ligar uma resistência de precisão em série no circuito. Esta resistência é geralmente designada por resistência de amostragem ou resistência de carga.

Segundo a lei de Ohm:

Em que:

• V representa a tensão aos terminais da resistência.
• I representa a corrente que atravessa a resistência.
• R representa o valor da resistência de amostragem.

Quando a corrente atravessa a resistência de amostragem, gera-se uma tensão correspondente aos seus terminais. Quanto maior for a corrente, maior será a tensão.

III. Seleção dos valores de resistência mais comuns

A precisão da resistência de amostragem afeta diretamente a precisão da medição. Recomenda-se a utilização de uma resistência de precisão com tolerância de 0,1%.

Na prática, utiliza-se frequentemente uma resistência de precisão de 250 Ω para converter um sinal de corrente de 4–20 mA num sinal de tensão de 1–5 V.

Assim, ao passar por uma resistência de 250 Ω, o sinal de corrente de 4–20 mA dá origem a um sinal de tensão de 1–5 V.

IV. Seleção da potência da resistência

A potência nominal da resistência também é muito importante. Para evitar que o aumento da temperatura da resistência altere o seu valor, recomenda-se que a sua potência nominal seja pelo menos 10 vezes superior à potência calculada.

A fórmula de cálculo da potência é:

Tomemos como exemplo uma resistência de 250 Ω. A 20 mA:

Fatores que afetam a precisão das bobinas de Rogowski

Embora as bobinas de Rogowski ofereçam muitas vantagens, vários fatores podem afetar a sua precisão:

Posicionamento e alinhamento: Um desses fatores é a posição da bobina de Rogowski relativamente ao condutor. É necessário assegurar o alinhamento correto — por exemplo, colocando a bobina plana e perpendicular à direção da corrente — caso contrário, a precisão da medição não pode ser garantida. Esta sensibilidade ao posicionamento pode causar erros até 3%, o que pode mais do que duplicar rapidamente o erro global das medições com transformadores de corrente (TC).

Dimensões e distância do condutor: As dimensões transversais do condutor medido relativamente à bobina de Rogowski afetam a precisão da medição. Se a bobina for demasiado pequena para captar todas as linhas de fluxo magnético, os valores medidos serão inferiores aos reais.

Interferências externas:

Equipamentos próximos que emitam interferência eletromagnética (EMI) podem afetar os resultados de medição do sensor. Devem seguir-se rigorosamente as boas práticas de blindagem e instalação.

Variações de temperatura:

As variações de temperatura afetam as características elétricas tanto da bobina de Rogowski como do condutor, podendo causar imprecisões na medição.

Requisitos do integrador:

A saída da bobina de Rogowski tem de ser processada por um circuito integrador para se obter uma forma de onda de corrente utilizável.

Os transformadores de corrente de núcleo bipartido são adequados para uso residencial?

Sim, os transformadores de corrente de núcleo bipartido (TC) são adequados para uso residencial e constituem uma solução habitual para a monitorização da energia doméstica e projetos de adaptação de instalações existentes.

Por que são ideais para habitações

As principais razões para a sua utilização em ambientes residenciais são a **facilidade de instalação e a segurança**. Num quadro elétrico doméstico, a linha de alimentação principal permanece sob tensão, a menos que a empresa fornecedora desligue o contador. Os TC de núcleo bipartido permitem encaixar o sensor no condutor sem desligar o circuito.

1. Instalação não intrusiva

Para instalar um TC de núcleo fechado, é necessário desligar a linha de alimentação principal, passar o condutor através de um conector em forma de “anel” e voltar a ligá-lo. Esta operação é perigosa e geralmente exige uma interrupção total da alimentação. Com um transformador de corrente de núcleo bipartido, basta encaixá-lo no condutor isolado.

2. Segurança (saída de baixa tensão)

A maioria dos transformadores de corrente de núcleo bipartido para uso residencial foi concebida para fornecer uma tensão de saída muito baixa (normalmente **0.333V**), em vez de uma saída de corrente. Isto aumenta consideravelmente a segurança, pois um transformador de corrente convencional com saída de corrente pode gerar um arco elétrico de alta tensão se for desligado enquanto o condutor estiver sob tensão. Os transformadores de corrente de núcleo bipartido com saída de tensão são mais “práticos” para entusiastas de projetos «faça você mesmo» e sistemas de domótica.

3. Dimensões compactas, adequadas para quadros elétricos

Os transformadores de corrente de núcleo bipartido modernos são concebidos para ser estreitos. Mesmo em quadros elétricos lotados, costuma haver folga suficiente na linha principal ou nos condutores dos circuitos individuais para instalar sensores pequenos.

Porque são tão importantes os transdutores de corrente em chillers, compressores de ar e geradores?

Nos sistemas industriais, os chillers, os compressores de ar e os geradores podem parecer pertencer a áreas diferentes, mas têm algo em comum: os seus componentes principais são motores elétricos. Por isso, os transdutores de corrente de qualidade desempenham um papel essencial na monitorização destes sistemas, garantindo medições de corrente precisas e fiáveis.

E o indicador mais direto e preciso do estado de funcionamento de um motor é a corrente.

Para captar eficazmente este sinal, os transdutores de corrente (também conhecidos como transmissores de corrente ou transdutores de monitorização de corrente) são amplamente utilizados em equipamentos industriais.

Porque é a «corrente» o sinal industrial mais valioso

Os equipamentos industriais podem medir muitos parâmetros: tensão, temperatura, pressão, caudal, vibração e outros.

No entanto, nos equipamentos que dependem de motores elétricos, a corrente é o parâmetro que melhor reflete o estado real de funcionamento. Por isso, os transdutores de corrente para motores são essenciais para um diagnóstico preciso.

Ao monitorizar a corrente com transdutores de corrente industriais, pode determinar rapidamente:

– Se o equipamento está em funcionamento

– Se está em sobrecarga

– Se está com carga insuficiente ou a funcionar em vazio

– Se a eficiência diminuiu

– Se existem sinais de uma possível avaria

Exemplo de um chiller

Por exemplo: em unidades arrefecidas a água, uma corrente de arranque excessivamente elevada pode indicar um bloqueio mecânico ou uma avaria elétrica, enquanto uma corrente anormalmente baixa pode indicar falta de fluido frigorigéneo ou um compressor a funcionar sem carga.

Estas situações são facilmente detetadas por transdutores de corrente para chillers, que fornecem perfis de corrente em tempo real para análise de falhas.

Exemplo de um compressor de ar

Nos compressores de ar, grandes oscilações de corrente podem indicar instabilidade durante o funcionamento sem carga ou fugas na rede de tubagens. Uma corrente excessivamente elevada em vazio pode indicar desgaste interno ou resistência anormal.

A utilização de transdutores de corrente em compressores de ar ajuda as equipas de manutenção a identificar estes problemas precocemente e a melhorar a fiabilidade do sistema.

Embora não tenham sido descritos em pormenor acima, os geradores também dependem em grande medida de transdutores de corrente para monitorizar variações de carga, detetar consumos anormais de corrente e assegurar um funcionamento estável.

Porque é proibido operar transformadores de corrente em sobrecarga?

O funcionamento de transformadores de corrente (TC) em sobrecarga é proibido porque compromete gravemente a precisão da medição, a integridade dos equipamentos e a segurança. Embora possam ser admissíveis sobrecargas de curta duração (até 10 vezes a corrente nominal), as sobrecargas prolongadas podem provocar várias falhas graves.

1. Erro de medição e saturação do núcleo

Uma corrente primária excessiva aumenta a densidade de fluxo magnético, levando à saturação do núcleo. Após a saturação, a relação entre as correntes primária e secundária deixa de ser linear, provocando distorção da forma de onda e erros de medição. A sobrecarga também pode provocar magnetismo residual no núcleo, afetando a corrente e o ângulo de fase do transformador de corrente e reduzindo a precisão de medições posteriores.

 2. Danos no equipamento e degradação do desempenho

A sobrecarga aumenta a temperatura dos enrolamentos. O calor gerado nos enrolamentos é proporcional ao quadrado da corrente (perdas I²R); por exemplo, um aumento de 10% na corrente eleva a geração de calor em cerca de 21%. As temperaturas elevadas aceleram a decomposição química dos materiais isolantes. Por cada aumento de 6–8 °C na temperatura, a vida útil do isolamento reduz-se para metade. A exposição prolongada a temperaturas elevadas pode derreter o isolamento, provocar curto-circuitos internos e, por fim, queimar completamente o transformador de corrente.

3. Riscos graves para a segurança

A rigidez dielétrica do meio isolante diminui devido ao envelhecimento ou a danos causados por temperaturas elevadas. Um sobreaquecimento grave ou falhas internas com formação de arco podem fazer com que o transformador de corrente expluda ou incendeie os materiais circundantes. Em casos extremos, a sobrecarga pode abrir o circuito secundário, eliminando o efeito desmagnetizante e fazendo com que toda a corrente primária se converta em corrente de excitação. Isso pode gerar uma tensão de pico de vários milhares de volts nos terminais secundários e criar risco de choque elétrico.

Funcionamento e manutenção de transformadores de corrente (TC)

Os transformadores de corrente (TC) são equipamentos essenciais nos sistemas elétricos. Convertem proporcionalmente correntes elevadas do lado de alta tensão em correntes baixas do lado de baixa tensão e fornecem sinais precisos e fiáveis aos sistemas de medição, contagem de energia e proteção por relés. Dado o seu papel central na rede, o funcionamento correto e a manutenção cuidadosa afetam diretamente a segurança e a estabilidade de todo o sistema elétrico. Este artigo apresenta de forma sistemática os princípios fundamentais do funcionamento e da manutenção dos transformadores de corrente.

1. Efeitos do funcionamento em sobrecarga nos transformadores de corrente

Embora os transformadores de corrente sejam concebidos para suportar o funcionamento a 1,2 vezes a corrente nominal durante períodos curtos ou longos, isso não significa que se possam ignorar os riscos da sobrecarga prolongada. O funcionamento contínuo em sobrecarga desencadeia uma série de problemas que prejudicam gravemente o desempenho e a vida útil do equipamento.

Redução da precisão de medição: A sobrecarga põe à prova a gama de funcionamento linear dos TC. Quando a corrente ultrapassa os limites normais, os erros de relação e de ângulo de fase aumentam significativamente. Isto provoca leituras incorretas dos instrumentos, desvios na contagem de energia e incapacidade de representar com precisão a carga real do sistema.
Saturação e sobreaquecimento do núcleo: Durante uma sobrecarga prolongada, a corrente excessiva no primário mantém a densidade do fluxo magnético do núcleo elevada, podendo levá-lo à saturação. A saturação impede que a corrente secundária aumente proporcionalmente e, em casos graves, pode impedir a atuação dos dispositivos de proteção. Ao mesmo tempo, segundo a lei de Joule (Q=I²Rt), o calor gerado é proporcional ao quadrado da corrente. A sobrecarga provoca um aumento rápido da temperatura nos enrolamentos primário e secundário, bem como no núcleo.
Envelhecimento acelerado do isolamento e redução da vida útil: As temperaturas elevadas persistentes são especialmente prejudiciais aos materiais isolantes. O calor gerado pelas sobrecargas acelera o envelhecimento e a fragilização do isolamento dos enrolamentos, reduzindo a sua rigidez dielétrica. Com o tempo, o isolamento degrada-se significativamente e pode originar curtos-circuitos entre espiras ou uma rutura do isolamento. Isto pode destruir completamente o transformador e reduzir drasticamente a sua vida útil.

2. Consequências graves da abertura do circuito secundário

Manter fechado o circuito secundário dos transformadores de corrente é uma regra fundamental que deve ser rigorosamente cumprida nos trabalhos elétricos. Se houver corrente no primário e o circuito secundário for interrompido inesperadamente, surge de imediato uma situação extremamente perigosa.

Geração de alta tensão perigosa: Em funcionamento normal, a força magnetomotriz produzida pela corrente secundária anula em grande parte a produzida pela corrente primária. Se o secundário ficar aberto, esse efeito desaparece. O elevado fluxo magnético concentra-se no núcleo e induz tensões perigosas de milhares de volts nos terminais do enrolamento secundário. Isto pode provocar de imediato a rutura do isolamento do próprio transformador e representa um risco de eletrocussão mortal para quem esteja perto do circuito secundário ou em contacto com ele.
O aquecimento intenso do núcleo pode queimar os enrolamentos: A elevada densidade do fluxo magnético aumenta acentuadamente as perdas por histerese e por correntes parasitas no núcleo. O calor gerado faz subir rapidamente a temperatura do núcleo até níveis capazes de derreter ou queimar os enrolamentos secundários, causando danos permanentes no equipamento.
O magnetismo residual afeta a precisão: Mesmo que a abertura do circuito seja rapidamente corrigida, a forte saturação magnética deixa magnetismo residual persistente (remanência) no núcleo. A alteração da permeabilidade magnética aumenta os erros de relação e de ângulo de fase nas operações seguintes, degradando permanentemente a precisão da medição e da proteção.

Plano de resposta: O circuito secundário nunca deve ser desligado durante o funcionamento. Ao detetar sinais de circuito aberto (por exemplo, leituras anormais dos instrumentos, ruídos invulgares ou cheiro a queimado), tome imediatamente medidas para reduzir a corrente de carga no primário. Em seguida, use ferramentas isoladas adequadas para estabelecer um curto-circuito seguro no ponto de abertura.

3. Precauções nas intervenções no circuito secundário durante o funcionamento

Todas as intervenções nos circuitos secundários devem cumprir rigorosamente os procedimentos de segurança, seguindo o princípio fundamental de “curto-circuitar primeiro, intervir depois”.

É estritamente proibido desligar circuitos: Em tarefas como a substituição de instrumentos ou a inspeção da cablagem, é absolutamente proibido desligar diretamente um circuito secundário em serviço sem tomar medidas para o curto-circuitar.
Curto-circuito correto: **Devem ser usadas placas de curto-circuito ou cabos próprios para esse efeito** para curto-circuitar de forma segura o circuito secundário em ambos os lados do ponto de abertura, assegurando um percurso contínuo para a corrente. Os pontos de curto-circuito devem ficar o mais próximo possível do próprio transformador de corrente.
Definição dos limites da intervenção: É estritamente proibido trabalhar no segmento do circuito entre o transformador de corrente e o ponto de curto-circuito, para evitar o contacto acidental com partes sob tensão.
Aplicação de medidas de segurança: Deve estar presente um supervisor durante a intervenção. Os profissionais devem usar ferramentas isoladas adequadas e posicionar-se sobre tapetes isolantes para garantir a sua segurança.
Atenção aos pontos de ligação permanente à terra: Ao executar tarefas como a limpeza de blocos de terminais, use o equipamento de proteção necessário e tenha extremo cuidado para não desligar acidentalmente os pontos permanentes de ligação à terra instalados como medida de proteção.

4. Requisitos para a substituição de TC ou de circuitos secundários

A substituição dos transformadores de corrente ou dos respetivos cabos secundários exige cuidado para garantir a compatibilidade dos parâmetros dos equipamentos antigos e novos, bem como a correção das ligações.

Requisitos para a substituição de TC:
* Compatibilidade do modelo: A relação de transformação, a classe de precisão, a capacidade e os restantes parâmetros do novo TC devem corresponder integralmente às especificações do projeto original.
* Polaridade correta: A cablagem deve respeitar a correspondência original entre os terminais P1 e P2 e os terminais S1 e S2 do TC. Ligações invertidas podem causar atuações indevidas da proteção ou erros de contagem.
* Características tensão-corrente semelhantes: Nos TC de proteção, as características tensão-corrente devem ser semelhantes às dos restantes TC do mesmo grupo para assegurar a precisão da proteção.
* Calibração posterior: Após a substituição dos TC, é necessário voltar a verificar e calibrar todas as definições de proteção relevantes e os fatores de multiplicação dos instrumentos de medição, para garantir o funcionamento correto dos parâmetros do sistema.
* Substituição dos cabos secundários: Ao substituir os cabos secundários, confirme que a secção dos novos cabos cumpre os requisitos de capacidade de condução de corrente e queda de tensão. Após a substituição, meça a resistência de isolamento para verificar a conformidade.
* Verificação final da polaridade: Após todas as substituições e antes da entrada formal em serviço, volte a medir a polaridade de todo o circuito secundário. Esta é a verificação final para assegurar o funcionamento correto do sistema.

5. Inspeção antes da entrada em serviço

Antes da entrada em serviço dos novos TC, ou após uma intervenção de manutenção, deve efetuar-se uma inspeção completa do estado exterior e das ligações antes de restabelecer a alimentação.
* Estado exterior: Confirme que o corpo do TC está limpo e sem pó nem manchas de óleo. Nos TC com óleo, verifique se há fugas; nos TC de baixa tensão de núcleo bipartido, procure pó e ferrugem nas superfícies de contacto do núcleo.
* Componentes de isolamento: Inspecione os isoladores de porcelana para confirmar que não apresentam fissuras, danos ou marcas de descarga.
* Aperto das ligações: Verifique todos os parafusos dos terminais de ligação primários e secundários para garantir um bom contacto, sem ferrugem, e evitar que se soltem devido a vibrações ou à dilatação e contração térmicas.
* Ligação fiável à terra: Verifique se a caixa do TC está devidamente ligada à terra. Além disso, os circuitos secundários dos TC de proteção exigem geralmente uma ligação fiável à terra num único ponto (por exemplo, no bloco de terminais) para evitar tensões induzidas elevadas. Atenção especial: Segundo a origem, os circuitos secundários dos TC usados para contagem de energia geralmente não devem ser ligados à terra, para evitar desvios de corrente que afetem a precisão da contagem.

6. Pontos essenciais da manutenção durante o funcionamento

As inspeções diárias e a manutenção regular são essenciais para assegurar o funcionamento estável dos transformadores de corrente a longo prazo.
 *Ensaio preventivo: De acordo com os procedimentos aplicáveis, deve realizar-se um ensaio preventivo completo dos transformadores de corrente a cada 1 a 2 anos, incluindo a medição da resistência de isolamento, da relação de transformação, da polaridade e das características tensão-corrente, entre outros parâmetros, para detetar atempadamente possíveis defeitos.
 *Integridade do circuito: Durante as inspeções diárias, deve prestar-se especial atenção à integridade do circuito secundário e confirmar que não há sinais de interrupção.
 *Verificação das ligações e do estado:

 Inspecione regularmente todos os terminais de ligação, sobretudo os dos equipamentos instalados no exterior, para detetar sinais de desaperto ou ferrugem.
Durante a inspeção, escute atentamente para confirmar que não há ruídos anormais, como os produzidos por descargas no interior do TC.
Observe o equipamento e verifique se há odores que indiquem sobreaquecimento ou queimado.

Porque é que a saída de CA de um transformador acende um LED?

Os transformadores fornecem sempre corrente alternada (CA), não corrente contínua (CC). A sua função é manter as características da corrente alternada (com inversão do sentido 50 ou 60 vezes por segundo), aumentando ou reduzindo a tensão. Então, porque é que os LEDs acendem e porque é que alguns dispositivos de “corrente contínua” conseguem funcionar quando são ligados diretamente à saída do transformador? A razão é simples.
Um LED é, essencialmente, um díodo. Deixa passar a corrente num sentido (polarização direta) e bloqueia-a no sentido oposto. Por isso, acende durante uma de cada duas meias ondas. Utiliza aproximadamente metade do seu brilho e, em teoria, piscará à frequência da rede elétrica (50/60 Hz), embora o olho humano normalmente não detete esta intermitência.

A tensão inversa máxima admissível de muitos LEDs é normalmente de apenas 5 a 10 V. A tensão inversa de pico de um transformador de 12 V CA é de aproximadamente 17 V. A utilização prolongada danificará os LEDs.
Um circuito corretamente concebido deve incluir uma resistência em série para limitar a corrente e um díodo adicional para proteção contra a tensão inversa, ou então um dispositivo retificador.

Qual é a diferença entre um sensor de corrente e um transmissor de corrente？

Os sensores de corrente funcionam como os “sentidos”, responsáveis por detetar sinais de corrente; os transmissores de corrente vão mais longe. Além de detetarem os sinais, também os ‘traduzem’ para uma “linguagem” universal e normalizada que outros dispositivos conseguem interpretar e utilizar.

Resumo essencial

Relação: Um transmissor de corrente pode ser considerado uma versão aperfeiçoada ou integrada de um sensor de corrente. Inclui um elemento de deteção de corrente e acrescenta circuitos de condicionamento do sinal e de saída normalizada.

Diferença principal: A distinção essencial está na natureza do sinal de saída. Um sensor fornece a matéria-prima — um sinal elementar, não processado. Um transmissor fornece um sinal normalizado e pronto a utilizar.

Como escolher:

• Se o seu projeto utilizar uma placa de circuito impresso e exigir medição e controlo precisos da corrente — por exemplo, numa fonte de alimentação ou num controlador de motor —, escolha um circuito integrado ou módulo sensor de corrente.
• Se precisar de monitorizar, num ambiente industrial, a corrente de funcionamento de uma grande bomba de água situada a dezenas de metros e enviar os dados para uma sala de controlo central para visualização e registo, deve utilizar um transmissor de corrente.

Uma bobina de Rogowski pode medir correntes CC?

A bobina de Rogowski é uma bobina oca, em forma de anel, colocada à volta de um condutor. O seu princípio de funcionamento baseia-se na lei da indução eletromagnética de Faraday: o campo magnético variável gerado pela corrente induz na bobina uma tensão proporcional à taxa de variação da corrente (di/dt).
Por isso, as bobinas de Rogowski tradicionais não conseguem medir corrente contínua estática.
No entanto, conseguem medir a parte de um sinal CC pulsado que varia rapidamente, variações associadas a desvios CC significativos ou as componentes CA de sinais CC.

O que acontece se uma bobina de Rogowski não tiver um integrador?

Sem um integrador, o sinal obtido representa di/dt, e não a própria corrente.

Isto significa que:

1. 1. As medições no domínio do tempo (formas de onda, valor eficaz, energia) ficam completamente distorcidas
2. 2. Só pode ser utilizado para análise no domínio da frequência (por exemplo, harmónicas e transitórios de alta frequência)
3. 3. Não pode ser utilizado em aplicações convencionais, como medição de energia, proteção ou monitorização

Por outras palavras, sem um integrador, uma bobina de Rogowski não pode funcionar como um sensor de corrente convencional.

Embora um integrador seja quase sempre indispensável, existem exceções:

1. 1. Dispositivos com integradores incorporados

Muitos circuitos integrados modernos para medição de potência (ADE7953, ATM90E32AS), contadores de energia (iEM3555, MD-P1-3-RC-16), analisadores de potência (ABB M4M, PW3390) e processadores DSP com integradores digitais integrados (ADS131E08, TMS320F280049, MCP3910, STM32G4).

2. 2. Aplicações especializadas

Algumas aplicações de deteção de avarias em motores ou de ensaio de correntes pulsadas centram-se apenas no di/dt de alta frequência e podem utilizar diretamente o sinal bruto.

3. 3. Cenários de «autointegração»

Quando a largura do impulso é significativamente menor do que a constante de tempo da bobina, a própria bobina apresenta características aproximadas de integração. No entanto, trata-se de uma aplicação muito específica.

Qual é a diferença entre transformadores de corrente de baixa tensão e de alta tensão?

O transformador de corrente, abreviado como TC, é um dispositivo utilizado para medir corrente alternada. Converte uma corrente elevada numa corrente mais baixa por indução eletromagnética, facilitando a medição, a proteção e o controlo. Os transformadores de corrente de baixa tensão e os de alta tensão distinguem-se sobretudo pelos respetivos níveis de tensão de funcionamento. Os transformadores de corrente de baixa tensão são normalmente utilizados em sistemas elétricos com tensão alternada de 1000 V (1 kV) ou inferior. Os transformadores de corrente de alta tensão são utilizados em redes elétricas de 1 kV a 100 kV.

Comparação das principais diferenças

O que é a relação de transformação de um transformador de corrente？

A relação de transformação de um transformador de corrente representa a relação entre a corrente primária e a corrente secundária, por exemplo, 500/5, 250/5 ou 100/5. Uma relação de 500/5 indica que, quando a corrente primária atinge 500 A, a corrente secundária é de 5 A.

As correntes nominais normalizadas no lado primário incluem 20, 30, 40, 50, 75, 100, 150 e 2×a/C, sendo as correntes nominais no lado secundário geralmente de 1 A ou 5 A. A notação 2×a/C indica um transformador de dupla relação, obtida através da ligação em série (a/c) ou em paralelo (2×a/C) dos componentes internos. Nas aplicações de medição, a corrente nominal primária (I1n) deve ser superior ou igual à corrente de carga calculada (IC). Por exemplo, uma corrente de carga de 350 A exigiria um transformador de corrente de 400/5. Nas aplicações de proteção, pode selecionar-se uma relação de transformação superior para garantir a precisão.

Porque é que uma bobina de Rogowski tem de ser utilizada com um integrador?

As bobinas de Rogowski, também conhecidas como bobinas de núcleo oco ou transformadores de corrente flexíveis, são amplamente utilizadas na monitorização de sistemas elétricos, na medição de impulsos de corrente de alta frequência e na proteção contra correntes elevadas, graças a vantagens como a ausência de saturação magnética, a ampla gama de medição e a facilidade de instalação. No entanto, em aplicações práticas, normalmente não podem ser ligadas diretamente a instrumentos de medição e têm de ser utilizadas com um integrador.

1. Natureza física da bobina de Rogowski: sensor de di/dt

O princípio de funcionamento da bobina de Rogowski baseia-se na lei da indução eletromagnética de Faraday. Quando a corrente medida i(t) passa pelo centro da bobina, é gerada nela uma força eletromotriz induzida e(t). A sua expressão matemática é:

Aqui, M representa o coeficiente de indutância mútua entre a bobina e o condutor primário.

Como se pode observar pela fórmula, a tensão de saída da bobina de Rogowski não corresponde diretamente à intensidade da corrente; é proporcional à taxa de variação (derivada) da corrente. Isto significa que:

• Se a corrente for contínua e constante, a saída da bobina de Rogowski é zero.
• Se a corrente tiver uma forma de onda sinusoidal, a tensão de saída estará 90° adiantada em fase em relação à corrente e a sua amplitude aumentará linearmente com a frequência.

Por isso, para reconstruir a verdadeira forma de onda da corrente i(t), o sinal de saída da bobina tem de ser sujeito a uma integração matemática.

2. Funções principais do integrador

O integrador desempenha um papel crucial no sistema de medição com bobina de Rogowski, com três funções principais:

1 Reconstrução da forma de onda (integração): Um circuito eletrónico de integração (normalmente um integrador ativo composto por amplificadores operacionais) converte o sinal di/dt num sinal de tensão proporcional a i(t).
2 Correção de fase: Compensa o adiantamento de fase de 90° gerado pela bobina de Rogowski, assegurando que o sinal de saída fica em fase com o sinal de corrente original. Isto é essencial para medições de potência, como o cálculo do fator de potência.
3 Condicionamento e amplificação do sinal: A tensão induzida diretamente pela bobina é normalmente muito fraca (da ordem dos milivolts). O integrador amplifica-a até níveis normalizados e aumenta a capacidade de acionamento para transmissão a longa distância ou alimentação de cargas.

3. Comparação dos tipos de saída comuns dos integradores

Consoante os requisitos específicos do equipamento recetor a jusante (como contadores de eletricidade, PLC, osciloscópios ou dispositivos de proteção por relé), os integradores são concebidos com vários formatos de saída. A tabela seguinte apresenta uma comparação detalhada dos tipos de saída mais comuns:

3.1 Saída de tensão instantânea (333mV / 1V CA)

Atualmente, este é o método de saída mais comum para as bobinas de Rogowski. Os 333 mV representam uma especificação normalizada de transformadores de baixa tensão amplamente adotada na América do Norte e a nível internacional. A principal vantagem deste método de saída é a segurança: mesmo que o circuito secundário seja desligado, não gera tensões elevadas potencialmente mortais, ao contrário dos transformadores de corrente tradicionais. Preserva a informação sobre as harmónicas da corrente, o que o torna ideal para a análise da qualidade da energia com elevada precisão.

3.2 Saída de corrente instantânea (1A / 5A CA)

Para manter a compatibilidade com instrumentos secundários originalmente concebidos para TC tradicionais com núcleo, os integradores podem fornecer correntes de saída de 1 A ou 5 A. Este tipo de integrador funciona, essencialmente, como um amplificador de potência que converte tensão em corrente. Resolve a incapacidade das bobinas de Rogowski de acionarem diretamente cargas de alta impedância. No entanto, devido à necessidade de fornecer correntes mais elevadas, o consumo de energia e as dimensões físicas do próprio integrador aumentam significativamente.

3.3 Saída de sinal normalizado (4-20mA / 0-1V CC)

Na automação industrial, os utilizadores muitas vezes precisam apenas do valor eficaz da corrente, sem ter de analisar as formas de onda. Estes integradores incorporam circuitos internos de conversão do valor eficaz em CC, que transformam sinais CA complexos em sinais CC estáveis. A saída em laço de corrente de 4-20 mA oferece uma excelente imunidade ao ruído, sendo ideal para transmissão a longa distância para sistemas PLC ou DCS.

3.4 Saída sem integrador (di/dt)

Em aplicações científicas especializadas, como a medição da corrente de descargas atmosféricas ou experiências de física de altas energias, os utilizadores podem captar diretamente o sinal di/dt bruto da bobina de Rogowski. Esta abordagem contorna as limitações de largura de banda e a deriva a baixa frequência inerentes aos integradores, permitindo uma integração digital por algoritmos de pós-processamento para obter larguras de banda de medição extremamente elevadas (até vários MHz ou mais).

4. Resumo

O integrador resolve os principais desafios de reconstrução da forma de onda, correção de fase e amplificação do sinal.
A escolha do tipo de saída adequado depende do equipamento a jusante:

•Para precisão e segurança, escolha 333mV/1V CA;
•Para compatibilidade com sistemas antigos, escolha 1A/5A CA;
• Para monitorização industrial, escolha 4-20mA CC;
•Ao utilizar equipamento de medição compatível com bobinas de Rogowski ou ao realizar investigação em altas frequências, considere a utilização da saída direta di/dt.

Ao combinar corretamente a bobina de Rogowski com o integrador, pode tirar pleno partido da sua ausência de saturação e da sua ampla gama de medição para obter um controlo preciso em ambientes com correntes complexas.

Erro de ângulo de fase do transformador de corrente: o fator invisível por detrás da precisão da monitorização de energia

Nos sistemas elétricos, a medição precisa da energia é a base de transações justas, da poupança de energia e do funcionamento estável do sistema.
Enquanto componente essencial dos sistemas de monitorização de energia, a precisão dos transformadores de corrente (TC) determina diretamente a exatidão das leituras finais.
No entanto, para além do conhecido “erro de relação” (erro de amplitude), um parâmetro muitas vezes ignorado, mas crucial — o erro de ângulo de fase — pode afetar significativamente a precisão da medição de energia em determinadas condições.

1. O que é o erro de ângulo de fase de um transformador de corrente?

Para compreender o erro de ângulo de fase, é necessário reconhecer primeiro a diferença entre a teoria ideal e a realidade prática.

• Situação ideal: Um transformador de corrente ideal deverá fornecer um sinal de corrente secundária exatamente em oposição de fase ao sinal de corrente primária (do circuito principal), mantendo uma diferença de fase perfeita de 180°.
• Realidade: Nos transformadores reais, a fase da corrente secundária não se opõe exatamente à da corrente primária em 180°; apresenta antes um pequeno desvio angular. O ângulo entre este vetor real da corrente secundária e o vetor ideal, oposto ao da corrente primária, define-se como erro de ângulo de fase.

De acordo com as normas internacionais, quando o vetor da corrente secundária está adiantado em fase relativamente à posição ideal, o erro de ângulo de fase é positivo (+); quando está atrasado, o erro é negativo (-).
Este ângulo aparentemente insignificante é crucial para a medição de energia de elevada precisão.

2. Porque apresentam os transformadores de corrente um desfasamento?

A causa fundamental do erro de ângulo de fase reside nas características próprias da estrutura física do transformador e dos princípios eletromagnéticos, em particular na presença da corrente de excitação.

Os transformadores de corrente funcionam de forma semelhante aos restantes transformadores: a corrente primária que atravessa o núcleo gera um campo magnético que, por sua vez, induz uma corrente secundária.
Para estabelecer esse campo magnético necessário no núcleo, o próprio transformador consome parte da energia. A corrente correspondente a esse consumo de energia é a corrente de excitação.

• Componente de magnetização: Utilizada para estabelecer o campo magnético no núcleo, a sua fase está atrasada 90° relativamente à força eletromotriz induzida.
• Componente de perdas no ferro: Compensa as perdas de energia no núcleo causadas pela histerese e pelas correntes de Foucault sob campos magnéticos alternados. Está em fase com a força eletromotriz induzida.

Uma vez que a corrente primária I₁ é igual à soma vetorial da corrente secundária I₂ (referida ao lado primário) e da corrente de excitação I₀ (I₁ = I₂ + I₀),
a presença da corrente de excitação I₀, cuja fase não coincide com as restantes, cria inevitavelmente uma diferença de fase entre I₁ e I₂.
Essa diferença de fase manifesta-se, por fim, como uma diferença angular no transformador de corrente.

Em termos simples, a diferença angular é, essencialmente, uma “perturbação” na relação de fase entre as correntes causada pela corrente de excitação.
Todos os fatores que afetam a amplitude e a fase da corrente de excitação — como as propriedades magnéticas do material do núcleo, a carga secundária ligada ao transformador e a própria amplitude da corrente primária — influenciam diretamente a diferença angular.

3. Como afeta a diferença angular a precisão da monitorização da energia elétrica?

A fórmula para calcular a energia elétrica (potência ativa) é:

P = U × I × cos(φ), em que φ é o ângulo de fase entre a tensão e a corrente, e cos(φ) representa o fator de potência.

O erro de ângulo de fase do transformador altera diretamente o ângulo de fase φ medido pelo contador de energia, provocando erros no cálculo da potência.

Relação de propagação dos erros: O erro total na medição de energia é aproximadamente igual à soma dos erros de relação de tensão e de corrente com o erro de ângulo de fase.
Uma fórmula simplificada pode ser expressa da seguinte forma:

Erro de medição da potência ≈ Erro de relação de tensão + Erro de relação de corrente + tan(φ) × Δφ

Em que Δφ representa o erro de ângulo de fase introduzido pelos transformadores de medição.

Principal fator de influência: fator de potência

• Fator de potência elevado (cos(φ) ≈ 1, φ ≈ 0°): tan(φ) é muito pequeno e o erro angular Δφ contribui pouco para o erro total. O erro de medição é determinado principalmente pelo “erro de relação” (erro de amplitude).
• Fator de potência baixo (cos(φ) → 0, φ → ±90°): tan(φ) torna-se extremamente elevado. Mesmo um pequeno erro de ângulo de fase Δφ, amplificado por tan(φ), pode provocar erros significativos na medição da potência.

Por exemplo: num circuito com um fator de potência extremamente baixo, mesmo que o erro de relação (erro de amplitude) do transformador de medição seja muito pequeno,
a leitura final da energia calculada pode ainda assim apresentar um desvio significativo em relação ao valor real se existir qualquer erro de ângulo de fase.

4. Manifestações do impacto do erro de ângulo de fase

• Cargas indutivas (por exemplo, motores e transformadores com fator de potência atrasado): Um erro de fase positivo faz normalmente com que a leitura do contador exceda o consumo real de energia, resultando em encargos de eletricidade desnecessários para o utilizador.
• Cargas capacitivas (por exemplo, bancos de condensadores e cabos excessivamente longos, com fator de potência adiantado): Um erro de ângulo de fase positivo faz com que a leitura do contador seja inferior ao consumo real de energia, causando perdas ao fornecedor de eletricidade.

Nos atuais contextos industriais e comerciais, a utilização generalizada de variadores de frequência, motores, iluminação LED e fontes de alimentação comutadas tornou o fator de potência da rede cada vez mais complexo e, muitas vezes, abaixo do ideal.
Neste contexto, a diferença de ângulo de fase dos transformadores de corrente passou de parâmetro secundário a fator decisivo para que um sistema de monitorização de energia funcione com “precisão e justiça.”

Choque de modo comum vs. indutores de modo diferencial: diferenças, aplicações e critérios de seleção

 
A compatibilidade eletromagnética (CEM) é uma consideração essencial na conceção de equipamentos eletrónicos modernos. A interferência eletromagnética (EMI) afeta o funcionamento normal dos equipamentos e pode também levar ao incumprimento de requisitos regulamentares. Para suprimir estas perturbações, os engenheiros utilizam diversos componentes de filtragem, entre os quais os indutores desempenham um papel central. Dos muitos tipos de indutores, os choques de modo comum e os indutores de modo diferencial estão entre os mais utilizados e têm funções muito diferentes.

Embora ambos sejam usados na filtragem EMI, diferem muito quanto aos tipos de perturbações que combatem, à estrutura e aos princípios de funcionamento. Neste artigo, abordamos as principais diferenças entre choques de modo comum e indutores de modo diferencial, as suas aplicações e critérios práticos de seleção para ajudar os engenheiros a escolher o componente certo na conceção de circuitos.

1. Choque de modo comum

1.1 Definição e princípio de funcionamento

Um indutor de modo comum, também conhecido como choque de modo comum, é um elemento de filtragem utilizado principalmente para suprimir interferências de modo comum.

O ruído de modo comum (CMN) é um sinal de ruído com a mesma direção e amplitude em duas linhas de sinal (por exemplo, as linhas de alimentação L e N ou as linhas de dados D+ e D-), relativamente à terra ou ao plano de referência. Esta interferência resulta geralmente do acoplamento de campos eletromagnéticos externos ou de circuitos desequilibrados no equipamento, sendo irradiada para o exterior através do cabo ou introduzida no equipamento por essa via.

Na construção típica de um indutor de modo comum, dois ou mais conjuntos de bobinas são enrolados no mesmo núcleo de ferrite de elevada permeabilidade, com igual número de espiras e a mesma orientação.

O princípio de funcionamento baseia-se no cancelamento dos campos magnéticos e na elevada impedância:

Para sinais de modo diferencial (sinais úteis): Quando correntes normais de modo diferencial (ou seja, sinais de sentidos opostos e amplitudes iguais nas duas linhas) atravessam os dois enrolamentos, os fluxos magnéticos que geram no núcleo têm sentidos opostos e anulam-se. Por isso, a impedância de um indutor de modo comum perante um sinal de modo diferencial é extremamente baixa e praticamente não afeta a transmissão dos sinais úteis.

Para sinais de modo comum (ruído): Quando correntes de modo comum (no mesmo sentido) atravessam os dois enrolamentos, geram fluxos magnéticos no núcleo com o mesmo sentido, que se somam. Isto faz com que o núcleo apresente uma elevada indutância, criando uma impedância extremamente alta ao ruído de modo comum e permitindo suprimir e atenuar a interferência.

1.2 Características estruturais

Os choques de modo comum têm geralmente quatro terminais (dois de entrada e dois de saída) e são compostos por dois enrolamentos cujas extremidades homólogas se encontram do mesmo lado do núcleo toroidal.

2. Indutor de modo diferencial

2.1 Definição e princípio de funcionamento

O indutor de modo diferencial é um componente indutivo convencional utilizado principalmente para suprimir interferências de modo diferencial.

O ruído de modo diferencial (DMN) é um sinal de ruído de sentidos opostos e amplitudes diferentes entre duas linhas de sinal. Este tipo de interferência sobrepõe-se diretamente ao sinal útil e resulta geralmente de fatores internos, como a comutação da fonte de alimentação, alterações da carga ou desadaptação de impedância das linhas de sinal.

A estrutura de um indutor de modo diferencial é semelhante à de um indutor comum: geralmente tem apenas um enrolamento, disposto sobre um núcleo magnético.

O seu princípio de funcionamento baseia-se no efeito de autoindução do indutor:

Para sinais de modo diferencial (sinais úteis e ruído): Um indutor de modo diferencial opõe-se à variação da corrente que o atravessa. Quer se trate de um sinal normal de modo diferencial, quer de ruído de modo diferencial, a corrente que passa pelo indutor é afetada pela sua indutância.

Efeito de filtragem: graças à sua elevada impedância a altas frequências, o indutor de modo diferencial atenua o ruído de modo diferencial de alta frequência, mantendo uma baixa impedância para os sinais úteis de baixa frequência (como a componente CC da alimentação ou uma componente CA de baixa frequência). É assim que se obtém a filtragem.

2.2 Características estruturais

Os indutores de modo diferencial têm geralmente apenas dois terminais e um único enrolamento. Nos circuitos de filtragem EMI, são normalmente ligados em série na linha de alimentação ou de sinal.

3. Comparação das principais diferenças

A principal distinção entre choques de modo comum e indutores de modo diferencial reside nos tipos de ruído que combatem, na sua estrutura e no seu efeito sobre os sinais úteis. A tabela seguinte resume as principais diferenças:

4. Aplicações

4.1 Aplicações dos choques de modo comum

Graças à sua excelente capacidade de suprimir o ruído de modo comum sem afetar a transmissão de sinais de modo diferencial, os choques de modo comum são amplamente utilizados nas seguintes aplicações:

• • Fontes de alimentação comutadas (SMPS): Na etapa de entrada de conversores CA/CC ou CC/CC, suprimem o ruído de modo comum gerado pela comutação, impedindo a sua condução e radiação através das linhas de alimentação.
  • Interfaces de comunicação de dados: Linhas de sinal diferencial de alta velocidade, como USB, HDMI e Ethernet (conectores RJ45). Os choques de modo comum filtram eficazmente o ruído de modo comum acoplado externamente, preservando a integridade do sinal diferencial.
  • Eletrónica automóvel: Utilizados em redes de veículos (por exemplo, CAN e LIN) e linhas de alimentação para suportar ambientes eletromagnéticos complexos.

   

  4.2 Aplicações dos indutores de modo diferencial

  Os indutores de modo diferencial suprimem principalmente o ruído de modo diferencial nas linhas de alimentação e são frequentemente combinados com condensadores para formar filtros do tipo π ou L:

   

  • • Filtragem de linhas de alimentação: Nas entradas de alimentação, são combinados com condensadores de classe X para criar circuitos de filtragem de modo diferencial que atenuam a interferência conduzida de modo diferencial gerada internamente.
    • Aplicações de baixa frequência: Adequados à filtragem de alimentação de baixa frequência ou a circuitos de processamento de sinais em que a atenuação de sinais de alta frequência não é crítica.
    • Saídas de conversores CC/CC: Utilizados para suavizar a corrente de saída e suprimir a componente de modo diferencial da ondulação causada pela comutação.

    5. Critérios de seleção

    Uma seleção adequada é essencial para assegurar uma filtragem EMI eficaz. Ao escolher indutores de modo comum e de modo diferencial, devem considerar-se os seguintes parâmetros principais:

     

    5.1 Critérios de seleção do choque de modo comum

     Corrente nominal (I_rated): O choque deve suportar a corrente máxima de funcionamento contínuo do circuito.

    Impedância de modo comum (Z_CM): Este é o parâmetro mais importante. Selecione choques com impedância máxima à frequência do ruído a suprimir (normalmente de dezenas a centenas de MHz). Uma impedância mais elevada proporciona uma melhor supressão.

    Impedância de modo diferencial (Z_DM): Selecione indutores com baixa impedância de modo diferencial para minimizar a atenuação dos sinais úteis.

    Resistência em CC (DCR): É preferível uma DCR mais baixa para reduzir as perdas de potência e a elevação de temperatura.

    Gama de frequências de funcionamento: Selecione o material do núcleo e a estrutura dos enrolamentos de acordo com a frequência de funcionamento do circuito e a frequência do ruído.

     

    5.2 Principais considerações na seleção de indutores de modo diferencial

    Indutância (L): Determine o valor da indutância com base na frequência de corte e nas características de filtragem pretendidas. Uma indutância mais elevada proporciona melhor atenuação do ruído de baixa frequência.

    Corrente nominal (I_rated): Tal como nos indutores de modo comum, deve cumprir o requisito de corrente máxima de funcionamento do circuito.

    Corrente de saturação (I_sat): Quando a corrente ultrapassa um determinado limite, o núcleo satura e a indutância diminui acentuadamente. Ao selecionar o componente, a corrente de saturação deve exceder a corrente de pico do circuito para assegurar o desempenho da filtragem.

    Resistência em CC (DCR): Do mesmo modo, a DCR deve ser tão baixa quanto possível.

    Conclusão

    Os choques de modo comum e os indutores de modo diferencial são dois componentes indispensáveis nos circuitos de filtragem EMI. Graças à sua estrutura de dois enrolamentos, os indutores de modo comum suprimem eficazmente a interferência de modo comum e preservam a integridade dos sinais úteis. São a escolha preferencial para suprimir a radiação em linhas de sinal de alta velocidade e linhas de alimentação. O indutor de modo diferencial, através do efeito de autoindução, atenua diretamente a interferência de modo diferencial e é fundamental na filtragem da interferência conduzida nas linhas de alimentação.

     

    Compreender as diferenças fundamentais entre estes componentes — os tipos de interferência que suprimem, as suas estruturas e os seus princípios de funcionamento — é a base de uma conceção correta dos circuitos e da seleção dos componentes. Ao ter em conta os tipos específicos de interferência e os requisitos do circuito, é possível construir um sistema eletrónico que cumpra normas rigorosas de CEM.

Porque é que a corrente secundária nominal dos transformadores de corrente ligados a contadores de eletricidade é quase sempre de 5 A (ou 1 A)?

Nos sistemas elétricos, os dispositivos de medição, como os contadores de eletricidade, normalmente têm de ser ligados a circuitos de alta tensão ou de corrente elevada através de transformadores de corrente (TC). Uma convenção comum é que os parâmetros de interface dos contadores de eletricidade e a corrente secundária nominal dos TC correspondentes sejam quase sempre de 5 A (ou 1 A). Este artigo explica as razões desta convenção e, com base nas indicações de parâmetros habitualmente presentes nos contadores de eletricidade, mostra como selecionar corretamente o transformador de corrente correspondente.

1. Interpretação dos parâmetros dos transformadores de corrente

Os parâmetros dos transformadores de corrente suportados pelo contador costumam estar indicados no aparelho, por exemplo, 0.25-5(6)A, 0.015-1.5(6)A, 0.25-5(80)A e 0.25-5(100)A. Estes parâmetros identificam a gama de funcionamento e os requisitos técnicos para a ligação a um TC externo. Estes parâmetros identificam a gama de funcionamento e os requisitos técnicos do contador quando ligado a um TC externo:
Tomemos 0.015-1.5(6)A como exemplo:
* Corrente de arranque (0.015): corrente mínima de 15 mA que o contador consegue medir com precisão.
* Corrente de base Ib(1.5): a corrente nominal do contador de energia é de 1,5 A, e a sua classe de precisão pode ser garantida quando funciona com esta corrente.
* Corrente máxima Imax(6): corrente máxima que o contador pode suportar de forma segura e contínua sem sofrer danos, 6 A. Este valor está abrangido pela norma IEC/EN 62053 relativa a contadores de eletricidade.

2. Como selecionar o transformador de corrente (TC) correto de acordo com os parâmetros

Ao selecionar um transformador de corrente adequado, devem seguir-se dois princípios fundamentais: fazer corresponder a corrente secundária e dimensionar a corrente primária.

Correspondência da corrente secundária nominal (essencial)

A corrente secundária nominal do TC deve corresponder à corrente de base Ib do contador de energia.
– Para contadores com os parâmetros 0.25-5(6)A, 0.25-5(80)A ou 0.25-5(100)A, é necessário um transformador de corrente com uma corrente secundária nominal de 5 A.
– Para contadores de energia com os parâmetros 0.015-1.5(6)A (utilizados em situações específicas, embora a corrente de base não corresponda aos valores normalizados de 5 A/1 A), é necessário um TC com uma corrente secundária nominal de 1,5 A (estes são menos comuns e normalmente seguem o padrão de 5 A ou 1 A).

Seleção da corrente primária nominal e da relação de transformação

A corrente primária nominal do TC (que determina a relação de transformação, por exemplo, 100/5A, 500/5A ou 100/1A) deve ser selecionada de acordo com a corrente de carga do circuito primário real. O princípio de seleção consiste em fazer com que a corrente de carga em funcionamento normal se aproxime da corrente primária nominal do TC. Segundo a norma IEC/EN 61869, um valor de 1,2 vezes a corrente primária nominal também está dentro da precisão nominal do produto, permitindo assegurar a melhor precisão de medição.
Por conseguinte, para contadores de energia com os parâmetros 0.015-1.5(6)A, a melhor opção é um transformador de corrente (TC) com uma saída secundária nominal de 1 A.
Se pretender medir correntes baixas e não tiver requisitos elevados quanto à precisão e à gama de medição, também pode escolher um transformador de corrente (TC) com uma saída secundária nominal de 100 mA.

3. Porque é que 5 A (ou 1 A) se tornou o padrão do setor?

Voltando à questão central do artigo, porque é que o setor adotou, de forma generalizada, 5 A ou 1 A como corrente secundária padrão dos TC? A razão resulta da combinação de desempenho, normalização e segurança:
Requisitos de desempenho e razões históricas
Os primeiros contadores de energia eletromecânicos e relés de proteção exigiam uma determinada quantidade de energia física (potência) para acionar os componentes mecânicos. Uma corrente de 5 A fornecia um sinal e uma potência suficientes para assegurar o funcionamento fiável e preciso desses dispositivos. Os sinais de corrente na ordem dos miliamperes são demasiado fracos, suscetíveis a interferências e incapazes de acionar dispositivos mais antigos.
Normalização e intercambiabilidade global
Os 5 A consolidaram-se como padrão global no setor elétrico, assegurando que dispositivos de diferentes fabricantes e países sejam facilmente compatíveis e intercambiáveis, o que simplifica muito a conceção, o fabrico e a manutenção dos sistemas.
Equilíbrio entre segurança e economia
O principal objetivo de segurança de um TC é isolar os circuitos de alta tensão e corrente elevada dos circuitos de medição de baixa tensão. A corrente secundária relativamente baixa de 5 A reduz os riscos operacionais. Ao mesmo tempo, os 5 A oferecem um bom equilíbrio entre os custos de cablagem, os requisitos de secção dos condutores e as perdas de potência. Quando são necessárias longas distâncias de cablagem, utiliza-se o padrão de 1 A para reduzir ainda mais as perdas na linha (as perdas a 1 A são apenas 4% das perdas a 5 A).
Em resumo, a escolha de 5 A (ou 1 A) como corrente secundária padrão dos TC resulta de práticas de engenharia que otimizam o desempenho, o custo, a compatibilidade histórica e a fiabilidade operacional.

Análise comparativa: bobinas de Rogowski vs. transformadores de corrente

 
As bobinas de Rogowski (RC) e os transformadores de corrente (CTs) são duas tecnologias fundamentais para medir corrente alternada, ambas baseadas no princípio da indução eletromagnética. No entanto, apresentam diferenças estruturais fundamentais: a presença ou ausência de um núcleo magnético resulta em diferenças significativas de desempenho, aplicações e segurança. O CT utiliza um núcleo e oferece um desempenho particularmente bom em medições de elevada precisão, baixa frequência e regime permanente. A RC não tem núcleo magnético, oferecendo maior flexibilidade, uma gama dinâmica mais ampla e resistência à saturação, o que a torna uma escolha ideal para aplicações com correntes elevadas, altas frequências e fenómenos transitórios.

I. Diferenças fundamentais: princípio e estrutura

A conceção do núcleo é a principal diferença entre as duas tecnologias.

II. Comparação de desempenho e segurança

A bobina de Rogowski, por não ter núcleo magnético, apresenta vantagens em termos de gama dinâmica e segurança, enquanto o núcleo de ferro do CT oferece simplicidade e elevada precisão nas condições nominais.

III. Aplicações

A escolha entre uma RC e um CT depende sobretudo dos requisitos específicos da aplicação.

Conclusão

As bobinas de Rogowski e os transformadores de corrente são tecnologias complementares. O transformador de corrente continua a ser uma solução de referência para a monitorização e proteção convencionais de sistemas elétricos, com elevada precisão em regime permanente às frequências da rede. A bobina de Rogowski, sem núcleo magnético, oferece uma solução moderna, flexível e mais segura, especialmente eficaz em ambientes exigentes com correntes elevadas, amplas gamas dinâmicas e fenómenos transitórios de alta frequência, nomeadamente na análise da qualidade da energia e em ensaios de eletrónica de potência.

Porquê utilizar sinais de corrente de 4–20 mA

Nos sistemas industriais de medição e controlo, os transmissores de corrente e os transmissores de tensão convertem sinais analógicos em sinais elétricos normalizados para transmissão a longa distância até às salas de controlo, onde são monitorizados, registados e utilizados para controlo. A uniformidade destes sinais normalizados é essencial para garantir a interoperabilidade entre dispositivos e a estabilidade do sistema. A Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) estabeleceu os sinais de 4–20 mA CC e de 1–5 V CC (obtido por conversão resistiva) como padrões de sinais analógicos para sistemas de controlo de processos.

1. Vantagens dos sinais de corrente

Os sinais de corrente oferecem vantagens significativas face aos sinais de tensão na transmissão a longa distância. Os ambientes industriais estão frequentemente sujeitos a fortes interferências eletromagnéticas, que distorcem facilmente os sinais de tensão. Além disso, na transmissão por longos cabos, a resistência dos condutores provoca quedas de tensão que atenuam o sinal e originam erros de medição.

As principais vantagens dos sinais de corrente são as seguintes:

• Elevada resistência a interferências: As tensões de ruído em ambientes industriais podem atingir vários volts, mas a potência do ruído é baixa e gera normalmente correntes de ruído inferiores a 1 nA. Os sinais de corrente são menos afetados pela resistência da linha, resistem à atenuação e asseguram uma transmissão de dados fiável em ambientes com elevado ruído elétrico.
• Longa distância de transmissão: As fontes de corrente apresentam resistência interna infinita, pelo que a resistência dos condutores em série no circuito não afeta a precisão. Desde que o circuito de transmissão não tenha derivações, a corrente mantém-se constante independentemente do comprimento dos condutores. Isto permite transmitir sinais ao longo de centenas de metros ou mais em cabos de par entrançado comuns, mantendo a precisão.
• Menos cablagem: A transmissão de um sinal de 4–20 mA a dois fios fornece simultaneamente alimentação e sinal, reduzindo a quantidade de cabos e, consequentemente, os custos e a complexidade da instalação.

2. Porquê o sinal de 4–20 mA CC

O sinal de 4–20 mA CC é o sinal analógico normalizado mais utilizado em aplicações industriais. A sua escolha resulta de várias considerações técnicas e de segurança.

2.1 Razão para escolher 4 mA como ponto de partida («zero vivo»)

A escolha de 4 mA, em vez de 0 mA, como ponto de partida do sinal de 4–20 mA é uma das suas características mais importantes, conhecida como «zero vivo».
• Diagnóstico de falhas: Uma leitura de 0 mA indica claramente uma interrupção da linha (circuito aberto) ou uma avaria do dispositivo, e não um valor de medição nulo. Isto torna o diagnóstico de falhas simples e intuitivo, evitando confundir uma medição nula com um fio interrompido.
• Alimentação do sensor: Nos transmissores a dois fios, a corrente de 4 mA fornece a corrente mínima necessária ao funcionamento dos sensores. Assim, dispensam-se fios de alimentação adicionais e simplifica-se a cablagem.

2.2 Razões para escolher 20 mA como valor final

A escolha de 20 mA como valor de fundo de escala do sinal também se baseia em considerações de segurança e utilidade prática.

• Segurança: A energia da faísca gerada pela circulação de uma corrente de 20 mA é insuficiente para inflamar gás, cumprindo os requisitos de segurança intrínseca para atmosferas explosivas, essenciais em ambientes industriais inflamáveis e explosivos.
• Consumo de energia e custos: Os 20 mA representam uma corrente relativamente baixa, que ajuda a reduzir o consumo de energia e os custos do equipamento sem comprometer a qualidade e a rapidez de resposta da transmissão do sinal.

Conclusão

Em resumo, o sinal de 4–20 mA CC tornou-se o padrão mais utilizado na automação industrial e no controlo de processos graças à sua elevada resistência a interferências, capacidade de transmissão a longa distância, função de diagnóstico de falhas através do «zero vivo» e segurança intrínseca. Permite transmitir dados de medição de forma fiável, reduzindo os custos de cablagem e aumentando a fiabilidade do sistema.

Como utilizar um sensor de corrente bidirecional para medições

1. Interpretação do sinal de saída

Os sensores de corrente da série HAS indicam a intensidade e o sentido da corrente medida através dos seus sinais de saída de tensão. A sua principal característica é usar 2,5 V como ponto central da saída, que varia consoante o sentido e a intensidade da corrente. Este funcionamento permite medir corrente nos dois sentidos.

2. O significado da saída de 2,5 V ± 0,625 V

No sensor de corrente HAS14Z, a gama de tensão de saída é de 2,5 V ± 0,625 V. Isto significa:

• Corrente nula (0 A): Quando não passa corrente pelo sensor, a tensão de saída é de 2,5 V.
• Corrente no sentido direto: A tensão de saída aumenta a partir de 2,5 V até um máximo de 2,5 V + 0,625 V = 3,125 V.
• Corrente no sentido inverso: A tensão de saída diminui a partir de 2,5 V até 1,875 V, com um mínimo de 2,5 V – 0,625 V = 1,875 V.

Esta gama de 2,5 V ± 0,625 V corresponde normalmente à gama de corrente nominal medida pelo sensor. Por exemplo, a corrente nominal do HAS2009 é de ±20 A e a do HAS4009 é de ±100 A.

3. Método de cálculo da corrente

A sensibilidade nominal (SN) do sensor permite converter o sinal de tensão obtido no valor real da corrente. A fórmula é a seguinte:
IP = (Vout – 2.5V)/SN

Em que:

• IP é a corrente medida (unidade: A)
• Vout é a tensão de saída do sensor (unidade: V)
• 2,5 V é a tensão de referência quando a corrente é nula
• SN é a sensibilidade nominal do sensor (unidade: V/A ou mV/A).

Exemplo:

Suponhamos que se utiliza o sensor de corrente HAS14Z (SN = 104,2 mV/A ou 0,1042 V/A).

• Se Vout for 2,8 V: IP = (2,8 V – 2,5 V) / 0,1042 V/A ≈ 2,88 A (corrente no sentido direto)
• Se Vout for 2,2 V: IP = (2,2 V – 2,5 V) / 0,1042 V/A ≈ -2,88 A (corrente no sentido inverso)

4. Identificação dos pinos e ligação do sensor

Os sensores de corrente da série HAS têm normalmente os seguintes pinos:

• VCC (+5 V): Entrada positiva da alimentação do sensor, ligada a uma fonte estável de 5 V CC.
• GND: A terra da alimentação e a terra do sinal do sensor devem estar ligadas à terra do sistema de controlo.
• OUT (Vout): Pino de saída de tensão do sensor, utilizado para obter o sinal correspondente à corrente.

Typical wiring diagram (taking microcontrollers as an example) :

Cuidados na ligação

1). Alimentação: Assegure uma alimentação estável de 5 V para o sensor. A qualidade da alimentação afeta diretamente a precisão da medição.
2). Terra comum: O sensor e o microcontrolador devem partilhar a mesma terra para evitar erros de medição causados por diferenças de potencial.
3). Ligação: O condutor cuja corrente se pretende medir deve passar corretamente pela abertura do sensor e ficar o mais centrado possível para garantir a melhor medição.

5. Passos para a aquisição do sinal

O sinal de saída de tensão de 2,5 V ± 0,625 V do sensor de corrente é adquirido principalmente através de um conversor analógico-digital (ADC). Seguem-se os passos detalhados:
1). Configuração do ADC:

• Selecione o pino do ADC: Ligue o pino OUT do sensor a um dos pinos de entrada do ADC do microcontrolador.
• Defina a tensão de referência: Defina a tensão de referência do ADC como 5 V (se a gama de saída do sensor for de 0,25 V a 4,75 V) ou escolha uma tensão adequada à instalação. Assegure que o ADC cobre toda a gama de saída do sensor.
• Defina a resolução e a taxa de amostragem: Escolha a resolução (por exemplo, 10 ou 12 bits) e a taxa de amostragem do ADC de acordo com a aplicação. Uma resolução mais elevada permite medições mais precisas; uma taxa de amostragem mais elevada é adequada a correntes que variam rapidamente.

2). Leia o valor do ADC:

• Através da programação do microcontrolador, leia periodicamente os valores digitais dos pinos de entrada do ADC.

3). Converta o valor do ADC em tensão:

• Converta o valor digital lido na tensão real Vout. Por exemplo, para um ADC de 10 bits (0-1023) com tensão de referência de 5 V, a fórmula de conversão é: Vout = (ADC_Value / 1024.0) * 5.0 (unidade: V)

4). Calcule a corrente real

• Utilize a seguinte fórmula para converter a tensão Vout na corrente real IP: IP = (Vout – 2.5V)/SN, em que SN é a sensibilidade nominal do sensor (unidade: V/A). Por exemplo, a SN do HAS14Z é de 0,1042 V/A.

Exemplo de cálculo
Suponhamos que se utiliza o sensor de corrente HAS14Z (SN = 0,1042 V/A).

• Se a tensão de saída Vout medida pelo ADC for 2,8 V: IP = (2,8 V – 2,5 V) / 0,1042 V/A ≈ 2,88 A (corrente no sentido direto)
• Se a tensão de saída Vout medida pelo ADC for 2,2 V: IP = (2,2 V – 2,5 V) / 0,1042 V/A ≈ -2,88 A (corrente no sentido inverso)

Seguindo estes passos, pode determinar a intensidade e o sentido da corrente medida.

6. Aplicações

Graças à capacidade de medir corrente nos dois sentidos e à saída de tensão, os sensores de corrente de malha fechada da série HAS são amplamente utilizados nas seguintes áreas:

• Controlo de motores: Permite controlar com precisão a velocidade e o binário de veículos elétricos, robôs industriais e outros equipamentos.
• Sistema de gestão de baterias (BMS): Monitoriza a carga e a descarga da bateria para otimizar a sua vida útil e eficiência.
• Gestão de energia: Permite controlar com precisão o fluxo de energia em fontes de alimentação ininterrupta (UPS), fontes de alimentação comutadas (SMPS), inversores solares, entre outros equipamentos.
Sistemas de energia renovável: Monitorizam a corrente nos pontos de ligação entre os sistemas de armazenamento de energia e a rede elétrica para otimizar a conversão de energia.
• Automação industrial: Fornece dados de corrente em tempo real para controlo de processos, diagnóstico de avarias e proteção de segurança.

Qual é a diferença entre um transformador de corrente, um transformador de tensão e um transformador de isolamento para controlo/segurança?

 
Os transformadores de corrente (TC), os transformadores de tensão (TT, também conhecidos como transformadores de potencial (TP)) e os transformadores de potência funcionam segundo o princípio da indução eletromagnética, mas diferem significativamente na conceção, finalidade e características de funcionamento. Em termos simples, os TC e os TT são transformadores de medida, utilizados principalmente para medir a corrente ou a tensão em sistemas elétricos e para fins de proteção, enquanto os transformadores de potência são utilizados sobretudo para a conversão de tensão na transmissão e distribuição de energia elétrica. Em seguida, comparo-os sob vários aspetos.

1. Definição e princípio básicos

• Transformador de corrente (TC): Utilizado para converter corrente elevada em corrente mais baixa (normalmente 1 A ou 5 A), para medição por instrumentos ou proteção por relés. O enrolamento primário é ligado em série no circuito e o secundário fornece um sinal proporcional à corrente primária.
• Transformador de tensão (TT): Utilizado para converter tensão elevada em tensão mais baixa (normalmente 100 V ou 110 V), para medição de tensão e proteção. O enrolamento primário é ligado em paralelo no circuito e a saída do secundário é proporcional à tensão primária.
• Transformador de isolamento para controlo/segurança: Utilizado para alterar os níveis de tensão (por exemplo, aumentá-los ou reduzi-los) em sistemas elétricos, permitindo a transmissão e distribuição eficientes de energia. Não é utilizado para medição: alimenta diretamente a carga.

2. Comparação das principais diferenças

A tabela seguinte resume as principais diferenças entre os três tipos de transformadores:

Ligação entre o transformador de corrente e o chip Atmel M90E32AS

Introdução

Nos sistemas modernos de medição de energia, a medição precisa da corrente é essencial. O Atmel M90E32AS é um circuito integrado de medição de energia multifásica, de elevado desempenho e ampla gama dinâmica, utilizado em diversos contadores de energia e equipamentos de monitorização de energia. Os transformadores de corrente (TC) desempenham um papel indispensável na transmissão segura e precisa de sinais de alta tensão e corrente elevada para o M90E32AS, onde são processados. Este artigo explica os princípios de funcionamento dos transformadores de corrente e como ligá-los corretamente ao M90E32AS para obter medições de corrente fiáveis.

Visão geral do chip Atmel M90E32AS

O Atmel M90E32AS é um circuito integrado de elevado desempenho concebido para a medição de energia multifásica. Integra seis conversores analógico-digitais (ADC) Sigma-Delta independentes de segunda ordem, capazes de processar simultaneamente sinais de tensão e corrente trifásicos. O processador digital de sinais (DSP) interno do chip efetua cálculos complexos com os dados recolhidos pelos ADC para determinar parâmetros energéticos essenciais, como potência ativa, potência reativa, potência aparente, fator de potência, frequência e valores eficazes de tensão e corrente. O M90E32AS permite medir a corrente através de um transformador de corrente (TC) ou de uma bobina de Rogowski, e medir a tensão através de uma rede divisora resistiva.

Canal de entrada de corrente

O chip M90E32AS dispõe de três conjuntos de pinos de entrada diferencial de corrente: I1P/I1N, I2P/I2N e I3P/I3N, correspondentes à medição da corrente trifásica. Estes pinos são os terminais de entrada dos canais ADC analógicos e permitem atribuir os canais de forma flexível a diferentes configurações de sistemas trifásicos, como sistemas trifásicos a quatro fios ou a três fios.

ADC interno e amostragem

O ADC integrado no chip converte o sinal analógico de corrente num sinal digital. O M90E32AS oferece uma ampla gama dinâmica e elevada precisão, permitindo medições precisas numa vasta gama de correntes. Segundo a ficha técnica, a amostragem da corrente é efetuada através de um transformador de corrente (TC) ou de uma bobina de Rogowski (bobina di/dt) [1]. Isto significa que o sensor externo converte o sinal de corrente num sinal de tensão adequado ao M90E32AS.

Processamento de sinais e calibração

O DSP do M90E32AS calcula os parâmetros energéticos e permite compensar o ganho e o ângulo de fase para corrigir os erros introduzidos pelos sensores e circuitos externos. Isto é essencial para garantir a precisão de todo o sistema de medição. O chip também dispõe de limiares programáveis de arranque e de potência em vazio, bem como de monitorização de sinais transitórios de corrente e tensão. Estas funções permitem que o M90E32AS funcione de forma estável e fiável em ambientes elétricos complexos.

Princípio de funcionamento do transformador de corrente (TC)

Um transformador de corrente (TC) é um tipo especial de transformador utilizado para converter proporcionalmente correntes elevadas em correntes mais baixas para fins de medição, proteção e controlo. As suas principais funções são o isolamento e a redução proporcional da corrente. O princípio de funcionamento de um TC baseia-se na lei da indução eletromagnética: quando a corrente percorre o enrolamento primário (normalmente, o condutor que passa pelo centro do TC), gera um fluxo magnético no núcleo. Esse fluxo induz uma força eletromotriz no enrolamento secundário, produzindo uma corrente secundária.

Características principais

Relação de transformação:

A relação de transformação de um TC é a relação entre a corrente nominal do lado primário e a corrente nominal do lado secundário, por exemplo, 100A/5A ou 100A/0.1A. Isto significa que, quando circulam 100A no primário, a corrente de saída do secundário será de 5A ou 0.1A. Nas aplicações de medição de energia, selecionam-se normalmente TC com uma corrente secundária de alguns miliamperes ou menos, para permitir a ligação direta à entrada de corrente de um chip de medição.

Classe de precisão:

A classe de precisão de um TC indica o seu erro de medição dentro da gama de correntes nominais. Por exemplo, um TC de classe 0.2S indica um erro de ±0.2% numa determinada gama de correntes, o que é fundamental para a medição de energia de elevada precisão.

Carga secundária:

A carga secundária de um TC corresponde à impedância do instrumento ou dispositivo de medição ligado ao seu lado secundário. O circuito secundário de um TC deve permanecer sempre fechado; caso contrário, um circuito aberto provocará o aparecimento de uma tensão elevada no secundário, que poderá danificar o TC ou pôr as pessoas em perigo. Isolamento: os TC proporcionam isolamento elétrico entre o circuito de alta tensão do lado primário e o circuito de medição de baixa tensão do lado secundário, melhorando assim a segurança e a fiabilidade do sistema.

Aplicações na medição de energia

Na medição de energia, os TC são frequentemente utilizados para medir correntes elevadas no circuito principal. Os TC podem reduzir a tensão e a corrente do sinal de corrente elevada no circuito principal, convertendo-o num sinal de baixa corrente ou baixa tensão que o chip de medição consegue processar. Isto protege o chip de medição da exposição direta a tensões e correntes elevadas e torna a conceção do sistema de medição mais flexível e segura.

Ligação de transformadores de corrente ao chip M90E32AS

A ligação de transformadores de corrente ao chip Atmel M90E32AS exige atenção ao circuito de condicionamento de sinal para garantir a precisão da medição e a segurança do chip. Os pinos de entrada de corrente do chip M90E32AS (I1P/I1N, I2P/I2N e I3P/I3N) são entradas diferenciais, ou seja, medem a diferença de tensão entre os dois pinos. Por isso, a saída do transformador de corrente tem normalmente de ser convertida num sinal de tensão através de uma resistência de amostragem antes de ser aplicada às entradas diferenciais do chip.

Circuito de ligação típico

Vejamos como é ligado um transformador de corrente (TC). Normalmente, o lado secundário do TC é ligado a uma resistência de derivação de baixo valor. Quando a corrente atravessa essa resistência, gera-se aos seus terminais uma queda de tensão proporcional à corrente. Esta queda de tensão constitui o sinal de entrada para o ADC do chip M90E32AS.

Tomando como exemplo a medição de corrente monofásica, a saída secundária do TC é ligada à resistência de derivação, que, por sua vez, é ligada aos pinos I_P e I_N do chip M90E32AS. Para melhorar a precisão da medição e suprimir o ruído em modo comum, liga-se normalmente um condensador em paralelo com a resistência de derivação, formando uma rede de filtragem RC. Além disso, poderá ser necessária uma rede divisora de tensão ou um circuito de polarização para fornecer uma tensão de polarização adequada e garantir que a entrada do ADC permanece dentro da gama de funcionamento do M90E32AS.

Porque são importantes os transformadores para placa de circuito impresso encapsulados a vácuo

Riscos do encapsulamento:

Possibilidade de formação de cavidades, que podem causar descargas parciais, pontos quentes e fissuras provocadas por ciclos térmicos
A vida útil pode ser reduzida em 40–60%

Vantagens do encapsulamento a vácuo:

Remove o ar a ≤5 mbar
Injeta resina epóxi UL94V-0 e promove a cura num ambiente sem humidade
Melhora significativamente o desempenho do isolamento e a estabilidade térmica

Resultados reais e dados de ensaio

Um transformador para dispositivos médicos encapsulado a vácuo passou num ensaio de envelhecimento acelerado de 50 000 horas.
Um dispositivo sem encapsulamento a vácuo falhou após 18 000 horas.

Capacidade de resistir a ambientes extremos

Recomendações para verificar a qualidade do encapsulamento

–Não se baseie apenas na ficha técnica; solicite:
–Radiografia que mostre a distribuição das cavidades
–Relatório de secção transversal com a medição do tamanho das bolhas
–Ensaio de choque térmico (-55°C a +150°C, 500 ciclos)
–Ensaio de descargas parciais <5 pC (ao dobro da tensão de funcionamento)

Os transformadores para placa de circuito impresso da YHDC utilizam tecnologia de encapsulamento a vácuo, proporcionando uma capacidade muito elevada de suportar tensões, maior resistência a choques mecânicos e um desempenho mecânico estável em ambientes de temperaturas altas e baixas. São adequados para aplicações que exigem elevada fiabilidade, como equipamentos médicos e militares, sistemas de controlo industrial e eletrónica automóvel.

Um transformador de corrente de núcleo bipartido facilita a medição da corrente sem cortar os cabos.
O núcleo deste tipo de transformador pode ser aberto, permitindo passar o cabo pelo centro e fixá-lo. É adequado para aplicações em que não é possível cortar os cabos. O vídeo demonstra como ligar e testar um transformador de corrente, monitorizar a corrente e a tensão de saída e utilizar um retificador para converter CA em CC.
Os transformadores de corrente de núcleo bipartido proporcionam um excelente isolamento e são fáceis de utilizar na medição de potência.

Qual é a diferença entre um autotransformador e um transformador de isolamento?

Autotransformador:

Um autotransformador é um transformador em que os circuitos primário e secundário partilham o mesmo enrolamento. Quanto à estrutura, pode ser do tipo de tensão ajustável ou de tensão fixa. O acoplamento num autotransformador envolve acoplamento eletromagnético. Os transformadores convencionais transferem energia através do acoplamento eletromagnético entre as bobinas primária e secundária. Não existe ligação elétrica direta entre os lados primário e secundário. Nos autotransformadores, os lados primário e secundário têm uma ligação elétrica direta, e a bobina de baixa tensão faz parte da bobina de alta tensão. Os autotransformadores e outros equipamentos de proteção também são utilizados em dispositivos de proteção de linhas de comunicação.

Um autotransformador é um transformador com acoplamento próprio. A sua estrutura é relativamente simples e de baixo custo, e a entrada, a saída e o condutor neutro são partilhados. O lado secundário do transformador faz parte do lado primário. Os lados primário e secundário partilham um enrolamento, como duas bobinas derivadas de um mesmo fio. As duas bobinas utilizam a diferença de corrente para cortar as linhas de fluxo magnético e transformar a tensão. É geralmente utilizado para elevar a tensão em sistemas de alimentação CC. A saída e a entrada do transformador têm uma ligação elétrica direta, pelo que a segurança é reduzida.

Transformador de isolamento:

Um transformador de isolamento é um transformador com isolamento elétrico entre o enrolamento de entrada e o enrolamento de saída. É utilizado para evitar o contacto acidental simultâneo com elementos sob tensão. O isolamento do transformador separa eletricamente os enrolamentos primário e secundário. Foi utilizado inicialmente no setor da energia em países europeus e é amplamente utilizado na alimentação de circuitos de controlo na indústria eletrónica, em empresas industriais e mineiras, em máquinas-ferramenta e equipamentos mecânicos, bem como na alimentação de iluminação de segurança e luzes indicadoras.

A principal função do transformador de isolamento é isolar o equipamento elétrico da rede de alimentação. É utilizado em situações que exigem segurança ou resistência a interferências. Não existe ligação elétrica direta entre o equipamento elétrico e a fonte de alimentação. A estrutura de isolamento utiliza mais materiais e tem um custo elevado. Além de alterar a tensão, também permite isolar eletricamente entre si os enrolamentos de entrada e de saída e separar a entrada, a saída e o condutor neutro, para evitar o perigo de tocar simultaneamente num elemento sob tensão (ou em partes metálicas que possam ficar sob tensão devido a danos no isolamento) e na terra. Além disso, o transformador de isolamento também atenua algumas interferências, apresenta capacidade de filtragem e oferece um elevado nível de segurança.

A diferença entre um autotransformador e um transformador de isolamento:

1. Diferença de estrutura

O transformador de isolamento é o tipo de transformador mais comum. Os seus enrolamentos de baixa e alta tensão são formados por bobinas separadas e não têm ligação elétrica entre si. Não existe ligação elétrica direta entre os lados primário e secundário, e o enrolamento secundário não está ligado à terra.

Os lados primário e secundário do autotransformador têm uma ligação elétrica direta. A sua bobina de baixa tensão faz parte da bobina de alta tensão, ou seja, existe um único enrolamento com um só percurso elétrico. Há uma derivação a meio do enrolamento que constitui o ponto comum das bobinas de alta e baixa tensão.

2. Diferença no nível de segurança

Normalmente, um dos condutores da alimentação CA que utilizamos está ligado à terra, enquanto o outro apresenta uma diferença de potencial de 220 V ou 380 V em relação à terra. Uma pessoa pode sofrer um choque elétrico se lhe tocar. As bobinas de alta e baixa tensão do lado secundário do transformador de isolamento estão eletricamente isoladas entre si e não estão ligadas à terra. Não existe diferença de potencial entre qualquer um dos seus condutores e a terra. Uma pessoa não sofrerá um choque elétrico se tocar em qualquer condutor, o que é mais seguro. Assim, independentemente de a tensão secundária ultrapassar o valor de tensão considerado seguro, desde que a pessoa não toque simultaneamente nos dois pontos de saída do secundário entre os quais existe uma diferença de potencial, não sofrerá danos. Esta é a maior vantagem do transformador de isolamento. No entanto, é volumoso e dispendioso.

Como as bobinas de alta e baixa tensão do autotransformador se sobrepõem, é necessário menos fio para as bobinas, o que reduz tanto o tamanho como o custo. No entanto, as bobinas de alta e baixa tensão estão ligadas entre si. Mesmo que a tensão de saída do lado de baixa tensão de um transformador redutor seja muito baixa, como os dois enrolamentos partilham uma secção, a alta tensão do primário pode “passar” para a bobina secundária, criando um risco elevado para as pessoas.

3. Diferenças de utilização

Os transformadores de isolamento trifásicos são utilizados principalmente para alimentar cargas em sistemas elétricos de potência e em empresas industriais e mineiras, bem como equipamentos que necessitam de isolamento da rede elétrica para converter a eletricidade da rede em energia magnética. São utilizados como equipamentos de alimentação em medições de precisão e ensaios que exigem uma alimentação filtrada, resistente a interferências. Os transformadores de isolamento são fontes de alimentação seguras e são geralmente utilizados na manutenção de máquinas para oferecer proteção, evitar os efeitos de descargas atmosféricas e filtrar interferências.

Os lados primário e secundário do autotransformador estão diretamente ligados do ponto de vista elétrico. Se houver danos na linha ou uma fuga de corrente, é muito fácil causar danos às pessoas. É geralmente utilizado em locais onde os requisitos de segurança são menos exigentes. Basta alterar a tensão para que esta corresponda à tensão exigida pelo equipamento. No entanto, o equipamento não pode ser equipado com um dispositivo de proteção contra correntes de fuga e o condutor neutro não pode ser ligado à terra.

Diferenças entre fontes de alimentação comutadas e lineares: análise e comparação

 
No vasto conjunto dos equipamentos eletrónicos, a fonte de alimentação é essencial para garantir um funcionamento estável. As fontes de alimentação comutadas e lineares, dois tipos comuns, apresentam diferenças claras em vários aspetos, que afetam diretamente a sua adequação a diferentes aplicações. Compreender estas diferenças é importante tanto para engenheiros eletrónicos que projetam circuitos como para entusiastas que mantêm e utilizam equipamentos eletrónicos.

Ⅰ. Princípio de funcionamento: diferentes métodos de conversão de energia

1. Fonte de alimentação comutada: comutação de alta frequência

O funcionamento da fonte de alimentação comutada baseia-se em ligar e desligar um transístor de comutação a alta frequência. Tomemos como exemplo um circuito redutor Buck comum:

Fase de condução: quando o transístor de comutação liga, a tensão de entrada é aplicada à bobina, que começa a armazenar energia. Ao mesmo tempo, a corrente alimenta a carga e carrega o condensador de saída, enquanto a corrente na bobina aumenta gradualmente.
Fase de desligamento: quando o transístor de comutação desliga, a corrente na bobina não pode variar instantaneamente. Por isso, fecha o circuito através do díodo de roda livre, continua a alimentar a carga e diminui gradualmente.
Método de controlo: a tensão de saída é controlada com precisão ajustando a proporção do tempo de condução do transístor de comutação em cada ciclo de comutação (ou seja, o ciclo de trabalho).

Por exemplo, a conversão de uma entrada de 12V numa saída de 5V é obtida ajustando o ciclo de trabalho. A frequência de funcionamento da fonte de alimentação comutada situa-se normalmente entre dezenas de kHz e vários MHz. O funcionamento a alta frequência permite utilizar bobinas, condensadores e outros componentes de armazenamento de energia de dimensões reduzidas, aumentando a densidade de potência.

2. Fonte de alimentação linear: regulação contínua da tensão por componentes lineares

As fontes de alimentação lineares utilizam as características de amplificação linear de componentes de regulação linear (como o transformador linear) para estabilizar a tensão de saída:

Processo básico: a tensão de entrada em CA é primeiro reduzida pelo transformador e depois convertida em CC pelo retificador. Após uma filtragem inicial pelo condensador, o transístor de regulação linear ajusta continuamente a sua resistência interna de acordo com o sinal de realimentação, para estabilizar a tensão de saída.

Estado de funcionamento: o transístor de regulação linear funciona sempre na região de amplificação linear e a corrente passa continuamente, assegurando a estabilidade do processo de regulação da tensão.

Este método de regulação contínua torna a tensão de saída mais estável e é adequado para aplicações que exigem elevada precisão da tensão.

Ⅱ. Eficiência: uma diferença evidente

1. Fonte de alimentação comutada: elevada eficiência e poupança de energia

A eficiência de uma fonte de alimentação comutada situa-se normalmente entre 70% e 95%, sobretudo devido às seguintes características:

Quando está ligado: a resistência interna do transístor de comutação é extremamente baixa, pelo que a perda de energia sob a forma de calor é reduzida durante a passagem da corrente.

Quando está desligado: praticamente não passa corrente, pelo que a perda de potência é desprezável.

Apenas no momento da comutação: ocorre alguma perda devido à sobreposição da tensão e da corrente, mas a sua proporção global é pequena.

Em aplicações de alta potência (como fontes de alimentação para servidores e equipamentos industriais), a elevada eficiência das fontes de alimentação comutadas pode reduzir significativamente o consumo de energia e os custos de funcionamento.

2. Fonte de alimentação linear: eficiência relativamente baixa

A eficiência de uma fonte de alimentação linear situa-se geralmente entre 30% e 60%, principalmente porque:

O transístor de regulação linear precisa de dissipar continuamente energia para ajustar a tensão de saída.

Quando a diferença entre as tensões de entrada e de saída é grande, a perda de potência no transístor de regulação é significativa e uma grande quantidade de energia elétrica é dissipada sob a forma de calor.

Por exemplo, com uma entrada de 12V e uma saída de 5V, o transístor de regulação tem de suportar uma queda de tensão de 7V, dissipando a energia correspondente sob a forma de calor. Por isso, as fontes de alimentação lineares são utilizadas sobretudo em aplicações de baixa potência em que se aceita uma menor eficiência.

III. Ondulação da saída: diferenças significativas de amplitude

1. Fonte de alimentação comutada: ondulação relativamente elevada

Devido ao seu funcionamento por impulsos, a fonte de alimentação comutada apresenta uma ondulação de saída elevada. Embora seja possível reduzi-la acrescentando um circuito de filtragem (por exemplo, um condensador eletrolítico e um condensador cerâmico em paralelo), a ondulação continua a ser superior à de uma fonte de alimentação linear.

Aplicações adequadas: equipamentos com requisitos pouco exigentes quanto à ondulação, como fontes de alimentação comuns para acionamento de motores.

Aplicações limitadas: circuitos com requisitos exigentes quanto à limpeza da alimentação, como o processamento de sinais analógicos de precisão ou equipamentos de áudio de gama alta.

2. Fonte de alimentação linear: ondulação reduzida

Graças à regulação linear e à filtragem, a fonte de alimentação linear apresenta uma ondulação de saída extremamente reduzida e é adequada para:

Equipamentos de medição de alta precisão (como osciloscópios e instrumentos de diagnóstico médico)
Sistemas com requisitos muito exigentes de estabilidade da tensão (como instrumentos de investigação científica e circuitos amplificadores de precisão)

IV. Volume e peso: diferenças evidentes

1. Fonte de alimentação comutada: pequena e leve

A fonte de alimentação comutada funciona a uma frequência elevada, pode utilizar bobinas e condensadores pequenos e dispensa grandes transformadores de frequência de rede. Por isso, apresenta:

Dimensões reduzidas e baixo peso

Elevada densidade de potência: pode fornecer mais potência para o mesmo volume

É amplamente utilizada em dispositivos portáteis (como carregadores de telemóveis e adaptadores de alimentação para tablets) e em sistemas com limitações de espaço rigorosas.

2. Fonte de alimentação linear: grandes dimensões e peso elevado

A fonte de alimentação linear funciona a uma frequência baixa e requer transformadores de potência de grandes dimensões e condensadores de filtragem de elevada capacidade, o que resulta em:

Grandes dimensões e peso elevado

Inadequação para equipamentos com pouco espaço disponível

Em aplicações como equipamentos médicos portáteis e pequenos drones, a utilização de fontes de alimentação lineares pode ser limitada pelo seu volume

Ⅴ. Velocidade de resposta: velocidades diferentes

1. Fonte de alimentação comutada: resposta relativamente lenta

Devido à presença de componentes de armazenamento de energia, como bobinas e condensadores, o ajuste da tensão de saída demora algum tempo quando a carga muda subitamente. Embora seja possível melhorar a velocidade de resposta otimizando o circuito de controlo, esta melhoria é limitada pelas características dos componentes de armazenamento de energia.

Aplicações adequadas: equipamentos em que as alterações de carga são pouco frequentes

2. Fonte de alimentação linear: resposta rápida

O transístor de regulação de uma fonte de alimentação linear consegue ajustar rapidamente a sua resistência interna e responder às alterações de carga. É adequado para:

Amplificadores de áudio (que precisam de acompanhar rapidamente o sinal áudio)

Sistemas de aquisição de dados de alta velocidade

Sistemas de controlo de movimento de precisão

Ⅵ. Interferência eletromagnética: intensidades diferentes

1. Fonte de alimentação comutada: forte interferência eletromagnética

A fonte de alimentação comutada gera harmónicas de alta frequência ao ligar e desligar a alta frequência, causando uma forte interferência eletromagnética (EMI):

Interferência conduzida: propaga-se pela linha de alimentação

Interferência radiada: propaga-se pelo espaço

Para reduzir a interferência, são necessárias medidas de filtragem, blindagem e otimização da disposição dos componentes na placa de circuito impresso, o que aumenta a complexidade e o custo do projeto.

2. Fonte de alimentação linear: fraca interferência eletromagnética

A fonte de alimentação linear funciona a uma frequência baixa e as principais fontes de interferência eletromagnética são o fluxo de dispersão do transformador e o ruído do retificador. A frequência e a intensidade da interferência são baixas, pelo que quase não são necessárias medidas adicionais de supressão.

Aplicações adequadas: ambientes sensíveis à interferência eletromagnética, como locais próximos de equipamentos de comunicação sem fios

Sensor não invasivo: transformador de corrente YHDC SCT013 utilizado com Arduino

Os sensores da série SCT013 são transformadores de corrente não invasivos que medem a intensidade da corrente que atravessa um condutor sem necessidade de cortar ou modificar o próprio condutor. Podemos usar estes sensores com um processador, como o Arduino, para medir a intensidade da corrente ou a potência consumida por uma carga.
Os sensores SCT013 são transformadores de corrente, dispositivos de medição que fornecem uma leitura proporcional à intensidade da corrente que percorre um circuito. A medição é feita por indução eletromagnética.

Os sensores SCT013 têm um núcleo bipartido (semelhante a uma pinça) que permite colocá-los à volta de um condutor elétrico sem o cortar.

Na série SCT013, há modelos que fornecem a medição como saída de corrente ou saída de tensão. É preferível usar a saída de tensão porque a ligação é mais simples.

O erro de precisão do sensor pode ser de apenas 1 a 2%. Para garantir a máxima precisão, é essencial confirmar que o núcleo está bem fechado. Mesmo uma pequena folga de ar pode causar um desvio de 10%.

Como desvantagem, por ser uma carga indutiva, o SCT013 introduz uma variação do ângulo de fase, cujo valor depende da carga que o atravessa e pode chegar a 3º.

Os transformadores de corrente são componentes comuns na indústria e na distribuição elétrica, pois permitem monitorizar pontos de consumo onde outras formas de medição não são viáveis. Também são utilizados em vários instrumentos de medição, incluindo equipamentos portáteis, como pinças amperimétricas e analisadores de rede.

Por exemplo, em projetos de eletrónica e domótica, podemos usar os sensores de corrente SCT013 para medir o consumo elétrico de um dispositivo, verificar o estado de uma instalação elétrica e registar o consumo de eletricidade em monitores de energia domésticos. Também podemos consultar os dados da instalação pela Internet em tempo real.

PREÇO

A série SCT013 inclui vários modelos, que diferem na gama de medição e no tipo de saída. Fisicamente, são iguais, embora seja possível identificá-los pelo texto inscrito na caixa do produto.

O preço de todos os modelos é semelhante, e podemos encontrá-los em vendedores internacionais, como eBay, Amazon ou AliExpress.

O modelo mais comum é o SCT013-000, cuja corrente máxima é de 100A e cuja saída de corrente é de 50mA (100A:50mA). A corrente máxima do SCT-013-030 é de 30A (30A/1V), e a sua saída de tensão é de 1V.

Por fim, embora seja útil dispor de uma ampla gama de medição, convém lembrar que um modelo para correntes mais elevadas terá menor precisão. Uma corrente de 30A a 230V corresponde a uma carga de 6 900W, suficiente para a maioria dos utilizadores domésticos.

Como funciona o SCT013?

Os sensores SCT013 são pequenos transformadores de corrente, ou TC. Os transformadores de corrente são instrumentos amplamente utilizados para efetuar medições.

Um transformador de corrente é semelhante a um transformador de tensão e baseia-se nos mesmos princípios de funcionamento (na realidade, eram anteriormente idênticos). No entanto, têm finalidades diferentes e, por isso, são concebidos e construídos de formas distintas.

Um transformador de corrente procura gerar no secundário uma corrente proporcional à corrente que passa pelo primário. Para isso, pretende-se que o primário tenha um número reduzido de espiras.

Podemos usar um transformador de corrente para construir sensores de corrente não invasivos. Nestes sensores, o núcleo ferromagnético pode ser separado para permitir a sua colocação à volta do condutor.

Assim, temos um transformador em que:

• O cabo por onde passa a corrente a medir constitui o enrolamento primário
• A “pinça” é o núcleo magnético.
• O enrolamento secundário está integrado na sonda.

Quando a corrente alternada circula pelo condutor, gera um fluxo magnético no núcleo ferromagnético que, por sua vez, induz uma corrente elétrica no enrolamento secundário.

A relação de transformação da corrente depende da relação entre os números de espiras:

O primário é geralmente formado por uma única espira do condutor a medir. No entanto, é possível passar o condutor mais do que uma vez pelo interior da “pinça”. O número de espiras do secundário, integrado na sonda, varia entre 1000 e 2000, consoante o modelo SCT013.

Ao contrário dos transformadores de tensão, num transformador de corrente o circuito secundário nunca deve ser aberto, pois as tensões induzidas podem danificar o componente. Por este motivo, os sensores SCT013 incluem proteção: uma resistência de carga nos modelos com saída de tensão ou díodos de proteção nos modelos com saída de corrente.

Esquemas de montagem

Para compreender a ligação do sensor SCT013, temos de compreender e resolver três questões:

 Saída de corrente do sensor

 Ajuste da gama de tensão

 Tensões positivas e negativas

SAÍDA DE CORRENTE DO SENSOR

Os SCT013 são transformadores de corrente, ou seja, fornecem a medição como um sinal de corrente proporcional à corrente que percorre o cabo. No entanto, os processadores só conseguem medir tensões.

Este problema é fácil de resolver. Para converter a saída de corrente numa saída de tensão, basta incluir uma resistência de carga.

Com exceção do modelo SCT013-000, todos os outros modelos SCT013 têm uma resistência de carga interna, pelo que a saída é um sinal de tensão de 1V. Assim, não é necessário acrescentar essa resistência.

O SCT013-000 é o único modelo sem resistência de carga interna, pelo que a sua saída é um sinal de ± 50mA. Basta ligar uma resistência de 33Ω em paralelo com o sensor.

Tensões positivas e negativas

Outra questão a resolver é que estamos a medir corrente alternada e a corrente induzida no secundário também é alternada. Depois de passar pela resistência de carga, interna ou externa, a saída de tensão continua a ser alternada.

No entanto, como sabemos, as entradas analógicas da maioria dos processadores, incluindo o Arduino, só conseguem medir tensões positivas.

Para medir a tensão à saída do transformador, temos várias opções, aqui ordenadas da menos recomendada para a mais recomendada:

1. Retificar o sinal com uma ponte de díodos e medir a onda como valores positivos. Esta solução não é aconselhável, pois perdemos a informação sobre a semionda positiva ou negativa. Além disso, há uma queda de tensão nos díodos e, como estes não conduzem abaixo de determinada tensão, o sinal fica distorcido junto das passagens por zero.
2. Adicionar um desvio em CC com duas resistências e um condensador, criando um ponto médio entre GND e Vcc. A solução melhora ainda mais se acrescentarmos um amplificador operacional como seguidor de tensão.
3. Adicionar um ADC com entrada diferencial, que permita medir tensões positivas e negativas, como o ADS1115. Esta é a opção que vamos utilizar.

Adaptação da gama de tensão

A última questão é a necessidade de adaptar a gama de tensões à saída do sensor. O Arduino só consegue efetuar medições entre 0 e Vcc. Além disso, quanto menor for a parte utilizada dessa gama, maior será a perda de precisão, pelo que devemos adaptar o sinal.

Por outro lado, devemos lembrar-nos de que, para tensões CA, se usam normalmente valores eficazes. Vejamos brevemente as equações da tensão de pico e da tensão de pico a pico:

Assim, para um sensor com uma saída de ±1V eficaz, a tensão de pico é de ±1,414V e a

No caso do SCT013-000, a saída será de ±50mA. Com uma resistência de carga externa de 33Ω, a tensão de saída é de ±1,65V eficazes, pelo que a tensão de pico é de ±2,33V e a tensão de pico a pico é de 4,66V.

Ligação elétrica

Já temos todos os componentes para medir a corrente da rede com um sensor SCT-013. Vamos usar um sensor com saída de tensão de ± 1V eficaz e resistência de carga interna, juntamente com um ADC como o ADS1115 em modo diferencial.

Ao ajustar o ganho do ADS1115 para 2,048V, a gama abrangerá os ± 1,414V. Com um sensor de 30A, teremos uma resolução de 1,87mA; com um sensor de 100A, será de 6,25mA.

Se usar um SCT013-000 com saída de ± 50mA, terá de acrescentar uma resistência de carga externa de 33Ω e ajustar o ganho do ADS1115 para 4,096V, de modo a abranger a gama de ± 2,33

Do lado do Arduino, a ligação consiste apenas em alimentar o módulo ADS1115, como vimos no artigo sobre o ADS1115.

Para efetuar a medição, é importante colocar apenas um condutor na “pinça” Se colocarmos vários condutores (dois numa instalação monofásica ou três numa instalação trifásica), os seus campos magnéticos anulam-se. O resultado é uma medição nula.

O sensor SCT013 tem uma ficha jack de 3,5 mm, muito comum em equipamentos de áudio, mas pouco prática para utilização em projetos de eletrónica. Para o ligar, podemos cortar o cabo ou adquirir uma tomada jack fêmea para soldar. Felizmente, estes conectores são fáceis de encontrar, embora cortar o cabo também seja uma opção.

Se não quiser usar um ADC externo, pode optar por uma solução mais tradicional, com um circuito que acrescenta um desvio até ao ponto médio da alimentação.

Daqui em diante, vamos pressupor que utiliza um Arduino com Vcc de 5V. Se usar outro processador ou um modelo de Arduino com outra Vcc (por exemplo, 3,3V), terá de ajustar os valores em conformidade.

Ao acrescentarmos um desvio de 2,5V CC, a gama final passou a ser de 1,08V a 3,92V, dentro da gama da entrada analógica do Arduino alimentado a 5V.

Exemplo de código.

Montagem com ADS1115

Se usar um SCT013 com saída de ±1V eficaz e um ADS1115, o código necessário será semelhante ao apresentado no artigo sobre o ADS1115. Deverá consultar a biblioteca da Adafruit para o ADS1115.

Para aumentar a velocidade de amostragem do ADS1115, temos de modificar o ficheiro ‘Adafruit_ADS1015.h’.

Com esta alteração, podemos reduzir o tempo de amostragem de cerca de 8 a 9 milissegundos (aproximadamente 100 hertz) para cerca de 1,8 milissegundos (aproximadamente 500 hertz). Ao afastarmo-nos do limite imposto pela frequência de Nyquist, melhoramos o desempenho da medição.

Outra versão utiliza os valores máximo e mínimo medidos e calcula o valor da medição com base no valor de pico. O resultado deverá ser semelhante ao do exemplo da soma dos quadrados. Para isso, pode substituir esta função pelas seguintes funções:

Podemos ver os resultados no monitor da porta série e representá-los num gráfico com o plotter série, integrá-los num projeto maior para os apresentar numa página Web ou guardá-los num cartão SD.

MONTAGEM COM RESISTÊNCIA E PONTO MÉDIO

Neste caso, o exemplo é muito simples e só precisamos de efetuar a medição através de uma entrada analógica:

Porquê utilizar uma bobina de Rogowski?

Visão geral

As bobinas de Rogowski são dispositivos especializados na medição de corrente alternada (CA) ou de impulsos rápidos de corrente e oferecem vantagens próprias em diversas aplicações. São particularmente úteis quando a flexibilidade, a precisão e a segurança são essenciais.

Flexibilidade e facilidade de utilização

As bobinas de Rogowski são flexíveis e podem ser colocadas em torno de condutores sob tensão sem os desligar, sendo ideais para espaços reduzidos ou quadros elétricos congestionados. Esta instalação não invasiva reduz o tempo de paragem e simplifica a montagem, sobretudo em ambientes industriais ou comerciais.

Capacidade de medição de correntes e frequências elevadas

Ao contrário dos transformadores de corrente tradicionais, as bobinas de Rogowski têm núcleo de ar, o que evita a saturação magnética. Assim, conseguem medir com precisão correntes muito elevadas, como as presentes na transmissão de energia ou na soldadura, e acompanhar variações rápidas, como transitórios ou impulsos, sendo adequadas para aplicações de alta frequência.

Segurança e relação custo-benefício

São mais seguras porque não produzem tensões elevadas quando o circuito está aberto, reduzindo o risco de choque elétrico. Além disso, o seu baixo peso e a sua conceção simples reduzem os custos de fabrico e instalação, oferecendo uma solução económica para a medição de corrente.

O que é a bobina de Rogowski?

Uma bobina de Rogowski é um dispositivo elétrico especializado, concebido para medir corrente alternada (CA). Consiste num fio enrolado helicoidalmente e de forma uniforme em torno de um núcleo não magnético preenchido com ar, geralmente disposto em forma toroidal (semelhante a um anel). A bobina é colocada em torno de um condutor percorrido por corrente e, quando a CA circula no condutor, gera um campo magnético variável. Este campo magnético variável induz na bobina de Rogowski uma tensão proporcional à taxa de variação da corrente (a derivada temporal, di/dt).

Para obter uma medição direta da corrente, a tensão induzida é normalmente processada por um circuito integrador, que converte o sinal de tensão num sinal proporcional à própria corrente. Isto torna a bobina de Rogowski particularmente útil em aplicações que exigem a medição de correntes elevadas ou de correntes transitórias rápidas, como sistemas elétricos de potência, equipamentos industriais ou atividades de investigação.

Principais características e vantagens

Conceção com núcleo de ar: Ao contrário dos transformadores de corrente tradicionais com núcleos de ferro, o núcleo de ar da bobina de Rogowski evita a saturação magnética, permitindo medir correntes muito elevadas sem distorção.
Flexibilidade: Muitas bobinas de Rogowski são flexíveis e podem ser abertas para envolver um condutor sem necessidade de o desligar, o que torna a instalação simples e não intrusiva.
Largura de banda ampla: A bobina consegue medir com precisão correntes com componentes de alta frequência ou variações rápidas, como as associadas a descargas atmosféricas ou transitórios de comutação.

Aplicações

Monitorização e proteção de sistemas elétricos de potência.
Medição de correntes elevadas em processos de soldadura ou industriais.
Aplicações de investigação, como a análise de fenómenos transitórios.

Compreender os transformadores de corrente e as suas aplicações

Os transformadores de corrente (TC) são componentes essenciais dos sistemas elétricos modernos. Permitem medir, monitorizar e controlar correntes elevadas em segurança, produzindo uma réplica reduzida da corrente que percorre um condutor. Este artigo explica como funcionam, quais são os seus diferentes tipos e em que aplicações são utilizados.

O que são transformadores de corrente?

Os transformadores de corrente são dispositivos concebidos para medir correntes elétricas elevadas, gerando uma corrente inferior e proporcional que pode ser medida de forma fácil e segura com instrumentos convencionais. Fazem a ligação entre circuitos de alta potência e equipamentos eletrónicos sensíveis, permitindo que os sistemas de monitorização e controlo funcionem sem ficarem expostos a correntes elevadas perigosas.

Como funcionam os transformadores de corrente?

Os transformadores de corrente funcionam com base no princípio da indução eletromagnética. Quando uma corrente percorre o condutor primário (que pode ser apenas um fio a passar pelo núcleo do TC), produz um campo magnético. Este campo magnético induz uma corrente no enrolamento secundário do TC. A relação entre o número de espiras do enrolamento primário (muitas vezes constituído apenas pelo próprio condutor) e o número de espiras do enrolamento secundário determina o fator de transformação e, por sua vez, a corrente de saída em relação à corrente primária.

Por exemplo, um TC concebido para fornecer uma saída secundária de 1 A pode ter uma relação de 3000:1, o que significa que, quando circulam 3000 A no circuito primário, o TC fornece 1 A. Em muitos casos, a saída secundária é normalizada (por exemplo, 1 A, 5 A ou até uma saída de tensão como 0,333 V) para simplificar a conceção dos sistemas de instrumentação e proteção.

Tipos de transformadores de corrente

Existem vários tipos de transformadores de corrente, cada um adequado a diferentes aplicações:

• TC de núcleo fechado (ou de núcleo enrolado):
  Têm um núcleo magnético fixo e fechado. São normalmente utilizados em instalações novas, nas quais o TC pode ser concebido e fabricado como parte integrante do sistema.
• TC de núcleo bipartido (ou de núcleo aberto):
  Estes TC têm uma dobradiça ou um mecanismo de abertura que permite colocá-los à volta de um condutor existente sem o desligar. Por isso, são ideais para modernizar sistemas em funcionamento e para aplicações em que a segurança e a facilidade de instalação são essenciais.
• TC do tipo barra:
  Nestes modelos, o TC é integrado diretamente em barramentos ou condutores, oferecendo um desempenho robusto em aplicações de corrente elevada.
• Bobinas de Rogowski:
  Embora tecnicamente não sejam transformadores no sentido tradicional, as bobinas de Rogowski são utilizadas para medir correntes alternadas. São flexíveis e permitem medir sem interferir com o condutor, mas requerem circuitos integradores para produzir uma saída de tensão proporcional à corrente.

Principais aplicações dos transformadores de corrente

Os transformadores de corrente têm uma vasta gama de aplicações em vários setores:

1. Medição de energia

Os TC são fundamentais na medição da eletricidade, permitindo às empresas de distribuição e aos consumidores medir com precisão o consumo de energia. Ao reduzir as correntes elevadas dos sistemas de distribuição de energia para níveis mensuráveis, os TC permitem uma faturação precisa e a monitorização da energia.

2. Sistemas de proteção

Nos relés de proteção e no controlo de disjuntores, os TC fornecem informações essenciais sobre a corrente que percorre um circuito. Estes dados ajudam a detetar situações anormais, como sobrecargas ou curtos-circuitos, e a acionar medidas de proteção para isolar e proteger os equipamentos.

3. Controlo e monitorização

Os sistemas de automação e controlo industrial utilizam TC para monitorizar os níveis de corrente em motores, transformadores e outros equipamentos. Esta monitorização ajuda a gerir o desempenho e a eficiência do sistema, garantindo que os componentes funcionam dentro de parâmetros seguros.

4. Sistemas de energias renováveis

Em instalações de energias renováveis, como parques eólicos e centrais solares, os TC são utilizados para monitorizar o fluxo de eletricidade desde a produção até à rede. Ajudam a garantir um funcionamento eficiente e seguro, ao mesmo tempo que fornecem dados para otimizar o desempenho.

5. Segurança e instrumentação

Os TC ajudam a garantir a segurança das pessoas ao permitirem a utilização de instrumentos de medição isolados. Ao fornecerem uma corrente secundária de baixo nível, permitem o funcionamento seguro de medidores e sensores que, se fossem ligados diretamente a circuitos de corrente elevada, ficariam em risco.

Utilizado para caracterizar o comportamento dinâmico de um transdutor, o tempo de resposta ao degrau é o intervalo entre o momento em que a corrente primária atinge 90% do seu valor final e o momento em que a saída do transdutor atinge 90% da sua amplitude final. A corrente primária deve comportar-se como um degrau de corrente, com uma taxa de variação di/dt definida (normalmente 100 A/µs) e uma amplitude próxima do valor da corrente nominal I_PN .

O fluxo magnético residual (remanência) do núcleo varia consoante o tipo de sensor e o material magnético, e provoca um desvio adicional na medição, designado “desvio magnético”. O valor do desvio magnético depende da magnetização anterior do núcleo e atinge o máximo após a saturação do circuito magnético.

A magnetização pode ocorrer nas seguintes situações:

1. Corrente de sobrecarga elevada

2. Interrupção da alimentação elétrica (falha de energia)

O desvio causado pela magnetização desaparece nas seguintes situações:

1. O desvio causado pela magnetização desaparece naturalmente (o núcleo recupera lentamente, a uma velocidade que depende do material magnético)

2. É eliminado pela desmagnetização do sensor, por exemplo, invertendo adequadamente a corrente primária ou utilizando um ciclo de desmagnetização próprio. Após a desmagnetização, o sensor pode recuperar o desempenho inicial.

Processo de desmagnetização:

Para desmagnetizar o núcleo magnético de um transdutor, são geralmente seguidos os seguintes passos:

1. Excitação CA: Uma fonte de CA de baixa frequência faz o núcleo magnético percorrer todo o seu ciclo de histerese B-H (a curva do campo magnético em função da magnetização), aplicando corrente alternada para levar a magnetização do núcleo da saturação positiva à negativa.

2. Redução gradual da excitação: Após fazer o núcleo percorrer o ciclo B-H durante pelo menos 5 ciclos completos à amplitude máxima, reduz-se gradualmente a amplitude da excitação CA. A redução não deve exceder 4% por ciclo, para assegurar que a magnetização do núcleo regressa suavemente a zero (a origem da curva B-H).

3. Tempo necessário: Normalmente, um ciclo de desmagnetização requer cerca de 30 ciclos a uma frequência baixa, por exemplo, 500 milissegundos a 60 Hz.

Considerações especiais para dispositivos de malha fechada:

Os transdutores de malha fechada (dispositivos com uma bobina de compensação) exigem cuidados adicionais, pois a bobina de compensação pode contrariar os efeitos da desmagnetização e interferir com o processo. Esta interferência pode impedir o núcleo de atingir o seu estado neutro. Por isso, podem ser necessárias medidas adicionais para garantir uma desmagnetização adequada.

Desmagnetização parcial:

Em alternativa, pode obter-se uma desmagnetização parcial aplicando um sinal específico de polaridade oposta à magnetização do núcleo. Contudo, este método é mais complexo, pois exige determinar com precisão a amplitude e a duração corretas do sinal para reduzir eficazmente a magnetização sem ultrapassar o valor pretendido nem compensar de forma insuficiente.

Na prática, quando uma aplicação específica é bem conhecida, é possível determinar empiricamente o sinal de correção necessário e aplicá-lo sempre que seja preciso desmagnetizar o núcleo.

A desmagnetização é essencial para manter a precisão e a fiabilidade das medições de um transdutor, especialmente após a exposição a campos magnéticos intensos ou uma utilização prolongada.

Efeitos das diferentes ligações de Vref na saída

Tomemos como exemplo um produto com uma tensão de alimentação de +5V e uma saída de 2,5V ± 0,625V, com uma precisão de 1%.
O nosso pino Vref desempenha duas funções: serve de ponto de referência para a saída, sendo habitualmente utilizado em dispositivos de aquisição com entrada diferencial; nos dispositivos de aquisição com entrada única, é utilizado para controlar a saída do sensor, tornando mais precisa a saída em repouso (2,5V). Afeta apenas a saída em repouso (2,5V quando existe alimentação auxiliar e não há sinal de entrada) e não afeta a amplificação (0,625V).
Devido à dispersão dos parâmetros dos produtos, os sensores não podem ser perfeitamente idênticos nem ideais, pelo que haverá sempre algum erro. Na maioria dos nossos produtos, o erro do ponto de referência em repouso situa-se dentro de ±15mV. Isto significa que a saída em repouso de 2,5V (com 0V ou GND como ponto de referência) ficará entre 2,485V e 2,515V, intervalo considerado aceitável.
Por exemplo, para um produto com alimentação de +5V e uma saída de 2,5V ± 0,625V, com uma precisão de 1%:

Se a saída tiver 0V (GND) como referência, calibramo-la da seguinte forma:
Primeiro, verificamos se a tensão de Vref cumpre os requisitos (o valor padrão é 2,5V ± 1%, geralmente sem exceder 0,5%).
O segundo passo consiste em ajustar a saída em repouso para um valor entre 2,485V e 2,515V (ou seja, 2,5V ± 15mV).
O terceiro passo consiste em aplicar o sinal de entrada à entrada nominal e ajustar a saída para um valor dentro de 2,5V + (0,625V ± 1%).
Por fim, verificamos se a saída a 10% da entrada nominal é precisa. Se houver um erro significativo, ajustamos o componente de ponto zero para o corrigir. Em seguida, verificamos se os valores de ponto zero e de escala completa cumprem os requisitos. Se tudo estiver correto, o produto passa à etapa seguinte do processo.

Se a saída tiver Vref como referência, ajustamo-la da seguinte forma:

Primeiro, verificamos se a tensão de Vref cumpre os requisitos (o valor padrão é 2,5V ± 1%, geralmente sem exceder 0,5%).
O segundo passo consiste em ajustar a saída em repouso para um valor entre 2,485V e 2,515V (ou seja, 2,5V ± 15mV).
O terceiro passo consiste em ligar a ponta de prova preta do multímetro ao ponto Vref, aplicar o sinal de entrada à entrada nominal e ajustar a saída para um valor dentro de 0,625V ± 1%.
Por fim, verificamos se a saída a 10% da entrada nominal é precisa. Se houver um erro significativo, ajustamos o componente de ponto zero para o corrigir. Em seguida, verificamos se os valores de ponto zero e de escala completa cumprem os requisitos. Se tudo estiver correto, o produto passa à etapa seguinte do processo.

Se um produto ajustado pelo primeiro método for utilizado num dispositivo de aquisição com entrada diferencial, o sinal adquirido será impreciso e poderá até apresentar erros de saída negativos.
Se um produto ajustado pelo segundo método for utilizado num dispositivo de aquisição com entrada única, o sinal adquirido também será incorreto e poderá provocar erros de transbordamento.

Por predefinição, os nossos produtos são calibrados pelo primeiro método (com referência a 0V/GND), conforme solicitado pela maioria dos clientes.

Example 1: A product calibrated using the first method, with Vref = 2.510V and Vout = 2.505V in the static state. This product is qualified, and the precision is acceptable. However, when used in a differential input acquisition device, since Vout is lower than Vref, the static output will be negative, which is incorrect.

Example 2: A product calibrated using the second method, with Vref = 2.510V and Vout = 2.520V in the static state. This product is also qualified, as the zero-point error does not exceed 15mV. However, when used in a single-ended input acquisition device, the output of 2.520V exceeds the calibrated 15mV error, and the full-scale value will also be higher, which could reach up to 2% in extreme cases, affecting the customer’s use.
Now that some customers have reported this type of error, we are asking them to provide calibration requirements to correct the issue. Sales representatives are also being asked to label products based on different calibration methods to ensure correct production for customers.

Num transformador de corrente (CT), a carga corresponde à impedância total (resistência e reatância) apresentada ao enrolamento secundário do CT pelos dispositivos de medição ligados, como amperímetros, relés ou contadores. É normalmente expressa em volt-amperes (VA) para uma determinada corrente secundária (geralmente 1 A ou 5 A) e pode incluir a impedância dos cabos de ligação e dos instrumentos.

Pontos principais:

1. Componentes da carga: A carga inclui a impedância dos dispositivos ligados (como contadores, relés de proteção e cabos) que recebem energia do enrolamento secundário do CT.
2. Carga nominal:
   • Os CT têm uma carga máxima nominal expressa em VA. Por exemplo, num CT com uma carga nominal de 10 VA, a carga ligada não deve exceder 10 VA.
   • Se a carga exceder o valor nominal do CT, podem ocorrer erros na medição de corrente ou falhas na proteção, porque o CT pode deixar de manter a sua precisão ou de reduzir corretamente a corrente.
3. Importância de uma carga adequada:
   • A carga afeta a precisão do CT. Se for demasiado elevada (ou seja, se a impedância dos dispositivos ligados for demasiado grande), o CT não transformará a corrente com precisão, originando medições incorretas ou falhas dos relés de proteção.
   • Por outro lado, se a carga for demasiado baixa, o CT pode funcionar mais perto da saturação, o que também provoca imprecisões.
4. Consideração prática:
   • Ao instalar um CT, é essencial calcular a carga de todos os dispositivos ligados e garantir que se mantém dentro da carga nominal do CT para assegurar o funcionamento correto.

Em resumo, a carga é a carga imposta ao enrolamento secundário do transformador de corrente, e mantê-la dentro da capacidade nominal do CT é essencial para medir a corrente com precisão e garantir um funcionamento seguro.

1. Circuito monofásico:

• Connection Mode: A single current transformer is connected in series with the live wire or neutral wire of the circuit.
• Application: This is used for measuring single-phase current, power, and providing protection against single-phase faults, such as ground faults or short circuits.
• Diagram:
• 

2. Estrela incompleta (ligação em V) para dois transformadores de corrente (circuito trifásico):

• Connection Mode: Two current transformers are connected in a “V” configuration (incomplete star), where the primary windings are connected to two of the three-phase conductors. The secondary windings are then connected together to form a measuring point.
• Application: This connection is used to measure three-phase current, power, and to protect the system from phase-to-phase short-circuit faults. Although only two transformers are used, it provides sufficient information about the three-phase system for protection and measurement in a balanced system.
• Diagram:
• 

3. Diferença de corrente entre duas fases com dois transformadores de corrente (proteção diferencial entre fases):

• Connection Mode: Two current transformers are placed in two different phases (e.g., Phase A and Phase B), and their secondary windings are connected to each other to detect any current difference between these phases.
• Application: This configuration is used for measuring one-phase current and for protecting against phase-to-phase short-circuit faults. It is based on detecting differences in the phase currents, which indicates a fault between phases.
• Diagram:
• 

4. Ligação em estrela para três transformadores de corrente (sistema trifásico a quatro fios):

• Connection Mode: Three current transformers are connected in a star (wye) configuration. Each CT is placed on one phase of a three-phase system, and the secondary windings are connected to a common point (neutral).
• Application: This setup is suitable for measuring three-phase current, power, and protecting the system in a three-phase four-wire system. It can detect any form of fault, including ground faults, phase-to-phase faults, and phase-to-neutral faults.
• Diagram:
• 

Um sensor de corrente residual (RCS) é um dispositivo de segurança elétrica concebido para detetar corrente residual (também conhecida como corrente de fuga) num circuito. A corrente residual ocorre quando existe um desequilíbrio entre a corrente que entra num sistema (através do condutor de fase) e a corrente que regressa do sistema (através do condutor neutro). Este desequilíbrio indica que parte da corrente está a escapar para a terra, muitas vezes devido a uma falha de isolamento, a cablagem defeituosa ou ao contacto de uma pessoa com o sistema elétrico.

Como funciona um sensor de corrente residual?

1. Deteção do desequilíbrio de corrente: O RCS mede a diferença entre a corrente no condutor de fase e a corrente no condutor neutro. Em condições normais de funcionamento, as correntes que circulam nestes dois condutores devem ser iguais. Se existir uma diferença, significa que há uma fuga de corrente.
2. Limiar de deteção: Se a diferença entre as correntes da fase e do neutro ultrapassar um determinado limiar (normalmente de alguns miliamperes, como 10 mA ou 30 mA, consoante a aplicação), o sensor deteta-a como corrente residual.
3. Ativação do mecanismo de segurança: Quando é detetada corrente residual, o sensor normalmente envia um sinal a um dispositivo de proteção, como um dispositivo diferencial residual (RCD) ou um interruptor de circuito por falha à terra (GFCI). Estes dispositivos cortam rapidamente a alimentação para evitar perigos como choques elétricos ou incêndios.

Principais características de um sensor de corrente residual:

• Elevada sensibilidade: Os dispositivos RCS conseguem detetar diferenças de corrente muito pequenas, frequentemente da ordem dos miliamperes (mA).
• Medição não intrusiva: O sensor consegue monitorizar a circulação da corrente sem interromper o circuito.
• Resposta rápida: Aciona os mecanismos de segurança assim que deteta uma fuga, reduzindo os riscos.
• Precisão: Os RCS modernos detetam e monitorizam a corrente residual com precisão, ajudando a evitar disparos intempestivos.

Aplicações:

1. Segurança elétrica doméstica: O RCS é amplamente utilizado em RCD e GFCI domésticos para proteger os utilizadores contra choques elétricos, sobretudo em zonas húmidas, como cozinhas e casas de banho.
2. Sistemas industriais: Em ambientes industriais, os dispositivos RCS monitorizam equipamentos para detetar falhas de isolamento ou possíveis condições de avaria que possam originar perigos elétricos.
3. Energias renováveis: O RCS também é utilizado em sistemas de energias renováveis, como instalações solares, para garantir um funcionamento seguro e evitar fugas de corrente para a terra.

Vantagens:

• Prevenção de choques elétricos: O RCS pode detetar quando a corrente circula para a terra através de uma pessoa ou de cablagem defeituosa, ajudando a evitar lesões graves.
• Prevenção de incêndios: Ao detetar correntes de fuga causadas por falhas de isolamento, o RCS pode ajudar a prevenir incêndios de origem elétrica.
• Conformidade com as normas de segurança: Os sensores de corrente residual são essenciais para cumprir os requisitos de segurança elétrica em habitações, escritórios e instalações industriais.

Em resumo, um sensor de corrente residual é um importante dispositivo de segurança que monitoriza continuamente os circuitos para detetar correntes de fuga, ajudando a proteger pessoas e bens contra perigos elétricos ao identificar desequilíbrios na circulação da corrente e acionar mecanismos de proteção.

A bobina de Rogowski, também chamada sensor de corrente diferencial, é uma bobina circular “oca” colocada em torno do condutor, de modo que o campo magnético alternado gerado pela corrente induza uma tensão na bobina. Na prática, a bobina funciona como um transformador acoplado ao condutor em ensaio, e a tensão diretamente fornecida pela bobina é proporcional à taxa de variação da corrente; por exemplo, a 50 Hz/1 kA, Vout=85 mV e, a 60 Hz/1 kA, Vout=85*60/50=102 mV. Para obter a forma de onda ou o valor da corrente independentemente da frequência, também é necessário acrescentar um circuito integrador que compense o desfasamento de 90° e equalize a resposta em frequência.

A série RF é um sensor de corrente flexível baseado no princípio da bobina de Rogowski. É compacta, leve e fácil de instalar, está disponível em vários tamanhos e pode ser personalizada mediante encomenda para satisfazer requisitos específicos do cliente. Não apresenta saturação magnética e dispõe de uma camada de blindagem que reduz a influência dos campos magnéticos externos, permitindo medições estáveis desde correntes baixas até centenas de kA. A bobina de Rogowski flexível é uma solução muito prática para a medição de corrente,
particularmente adequada à monitorização de corrente e à modernização de instalações elétricas. Pode ser utilizada em muitas situações em que um transformador de corrente (CT) tradicional não é viável, ou substituí-lo. Os sistemas que utilizam circuitos integrados ADC (ADS131M04) ou circuitos integrados de medição de potência (ADE7753) compatíveis com o princípio da bobina de Rogowski oferecem vantagens adicionais.

1. Determine o tipo de corrente a medir:
   • Identifique se a corrente a medir é CA (corrente alternada) ou CC (corrente contínua). A maioria dos transformadores de corrente destina-se a CA; por isso, se precisar de medir corrente CC, terá de selecionar um transformador de corrente específico para CC.
2. Determine a corrente nominal:
   • Avalie a corrente máxima que precisa de ser medida. Os transformadores de corrente são concebidos para medir uma determinada gama de correntes, pelo que selecionar a gama correta é essencial para obter medições precisas.
3. Determine os requisitos de precisão:
   • As diferentes aplicações exigem diferentes níveis de precisão. Por exemplo, a produção e a transmissão de energia requerem geralmente maior precisão do que algumas aplicações industriais. Determine o nível de precisão necessário para a sua aplicação e selecione um transformador de corrente que cumpra esse requisito.
4. Determine a carga necessária:
   • A carga é o valor máximo que o transformador de corrente consegue alimentar e é normalmente expressa em VA (volt-amperes). Escolha um transformador com capacidade de carga suficiente para a sua aplicação.
5. Considere o tipo de saída necessário:
   • Determine o tipo de saída necessário, de tensão ou de corrente, e selecione um transformador com a saída adequada.
6. Considere as dimensões físicas e os requisitos de montagem:
   • Escolha um transformador adequado ao espaço disponível e aos requisitos de montagem da sua aplicação.
7. Verifique a compatibilidade:
   • Certifique-se de que o transformador de corrente é compatível com o seu equipamento de medição e cumpre todas as normas de segurança aplicáveis.

• Transformadores de corrente (CT): Medem e reduzem a corrente para utilização em sistemas de medição, monitorização e proteção. São ligados em série com o circuito e fornecem uma corrente inferior, proporcional à corrente elevada do sistema, permitindo uma medição segura e precisa.
• Transformadores de tensão (VT): Medem e reduzem a tensão para fins semelhantes. São ligados em paralelo com o circuito e fornecem uma tensão reduzida, proporcional à tensão elevada, para permitir análise e controlo em segurança.

Em suma, os CT são utilizados para a medição de corrente e os VT para a medição de tensão; ambos são essenciais para a proteção, o controlo e a monitorização dos sistemas elétricos de potência.

O secundário de um transformador de corrente (TC) fica sempre em curto-circuito (ou ligado a uma carga de baixa impedância, como um contador ou relé) por várias razões importantes relacionadas com a segurança e o funcionamento correto:

1. Aumento da tensão num secundário aberto:

• Tensão perigosa: Se o enrolamento secundário de um TC ficar aberto enquanto circula corrente no enrolamento primário, comporta-se como um transformador elevador. Como o enrolamento primário conduz uma corrente elevada e o secundário tem muitas espiras, um circuito aberto pode fazer com que a tensão no secundário atinja níveis perigosamente elevados.
• Rutura do isolamento e risco de segurança: A tensão induzida elevada pode exceder a tensão suportada pelo isolamento do transformador, provocando a rutura do isolamento e criando um risco de choque elétrico para as pessoas ou de danos no equipamento.

2. Saturação do núcleo:

• Saturação do núcleo magnético: Em funcionamento normal, a corrente secundária cria um campo magnético que se opõe à maior parte do fluxo magnético criado pela corrente primária e o anula. Se o secundário estiver aberto, não circula corrente nele e o fluxo magnético no núcleo aumenta para níveis muito elevados.
• Sobreaquecimento do núcleo: O fluxo magnético excessivo pode saturar o núcleo do TC, causando sobreaquecimento e possíveis danos no transformador. Isto pode resultar em danos permanentes no TC, reduzindo a sua precisão e fiabilidade.

3. Medição precisa:

• Proporcionalidade das correntes: Os TC destinam-se a medir corrente e dependem de a corrente secundária ser proporcional à corrente primária (de acordo com a relação de espiras). Se o secundário estiver aberto, esta relação deixa de se verificar e não é possível medir a corrente com precisão.
• Falha do sistema de proteção: Os TC são frequentemente utilizados com relés de proteção para monitorizar situações de sobrecorrente ou de avaria. Um secundário aberto pode impedir o funcionamento correto dos dispositivos de proteção, causando potencialmente falhas no sistema ou deixando avarias sem proteção.

4. Redução da carga no secundário:

• Minimização da carga: Um TC é concebido para funcionar com uma carga (impedância) muito baixa no secundário, de modo a manter a precisão. Colocar o secundário em curto-circuito ou ligá-lo a uma carga de baixa impedância assegura que o TC funciona dentro dos parâmetros previstos, proporcionando medições precisas da corrente sem sobrecarregar o núcleo ou os enrolamentos secundários.

Como ler um transformador de corrente (TC) com Arduino?

Para ligar um sensor TC a um Arduino, é necessário acondicionar o sinal de saída do TC de modo a cumprir os requisitos das entradas analógicas do Arduino, ou seja, obter uma tensão positiva entre 0 V e a tensão de referência do conversor analógico-digital (ADC).

Este exemplo considera uma placa Arduino a funcionar a 5 V e um EmonTx a funcionar a 3,3 V. Certifique-se de que utiliza nos cálculos a tensão de alimentação e a tensão de polarização correspondentes à sua instalação.

O circuito tem duas partes principais: uma converte a corrente do TC numa tensão com a amplitude correta e a outra centra essa tensão na gama de entrada do ADC.

As tensões e correntes indicadas correspondem a um Arduino de 5 V, com uma gama de entrada analógica de 0 a 5 V e cerca de 1,6 V de valor eficaz para uma onda sinusoidal. No emonTx V2 e V3 e no emonPi, a gama de entrada analógica é de 0 a 3,3 V; assim, a tensão do ponto médio é de 1,65 V e a tensão da entrada analógica oscila entre 0 e 3,3 V (aproximadamente 1 V de valor eficaz para uma onda sinusoidal). No emonTx4 e no emonPi2, a gama de entrada analógica é de 0 a 1 V e destina-se a transformadores de corrente com saída de 0,333 V de valor eficaz, que não precisam de uma resistência de carga. Por isso, esta resistência é omitida.

Guia detalhado

O secundário de um transformador de corrente (TC) nunca deve ficar aberto enquanto circula corrente no primário, pois isso pode gerar tensões elevadas e perigosas. Eis porquê:

1. Tensão elevada induzida:

• Um transformador de corrente funciona segundo o princípio da indução eletromagnética. A corrente no enrolamento primário induz uma corrente no enrolamento secundário. Se o secundário ficar aberto, não circula corrente nele, pelo que o campo magnético não se opõe ao efeito da corrente primária.
• Consequentemente, o fluxo magnético no núcleo aumenta drasticamente, induzindo uma tensão muito elevada no enrolamento secundário. Esta tensão pode danificar o isolamento do TC ou criar um grave risco de segurança para quem estiver por perto.

2. Saturação e danos no núcleo:

• Sem carga (com o secundário aberto), o núcleo do TC pode saturar devido ao elevado fluxo magnético. Uma exposição prolongada a esta condição pode danificar permanentemente o núcleo do TC, alterando as suas propriedades magnéticas e reduzindo, com o tempo, a sua precisão e o seu desempenho.

3. Riscos de segurança:

• A tensão elevada produzida entre os terminais do secundário aberto pode ser mortal e danificar os equipamentos ligados. Em alguns casos, pode mesmo provocar arcos elétricos, com um risco significativo de incêndio ou choque elétrico.

4. Imprecisão das medições:

• Se o secundário do TC estiver aberto, este não consegue cumprir a sua função principal: medir a corrente com precisão. Com o circuito secundário aberto, não há uma forma fiável de medir a corrente no circuito primário, o que pode originar leituras incorretas e falhas de funcionamento dos relés nos sistemas de proteção.

Tomemos o modelo HSTS016L como exemplo: consegue medir correntes entre 10 A e 200 A. Por ser um sensor de corrente de núcleo bipartido, podemos abrir e fechar o núcleo sem alterar o sistema existente e encaixá-lo à volta do cabo de medição. A tensão de saída deste sensor é de 2,5 V ± 0,625 V, com boa precisão. Embora a gama de tensão de saída deste sensor esteja entre 1,875 V e 3,125 V, também é adequada para entradas analógicas de 3,3 V, especialmente nos microcontroladores Arduino Nano e NodeMCU.

O sensor tem quatro pinos: VERMELHO (entrada de 5 V), PRETO (terra de 0 V), AMARELO (saída analógica) e BRANCO (sinal analógico para calibração). Por vezes, a tensão de alimentação pode não ser exatamente 5 V; por isso, precisamos de um pino analógico adicional para medir o ponto médio exato através do pino branco. O Arduino UNO tem seis pinos de entrada analógica (A0-A5): podemos usar um para medir a corrente CA e outro para a calibração. Os pinos de entrada analógica convertem tensões entre 0 e 5 V em valores inteiros entre 0 e 1023, com uma resolução de 4,9 mV por unidade (5,00 V / 1023 unidades).

Ligamos o VERMELHO à entrada de 5 V, o PRETO à terra, o AMARELO ao pino analógico A1 e o BRANCO ao pino analógico A2. Recomenda-se vivamente utilizar um adaptador de alimentação de 12 V para alimentar o Arduino Uno e o sensor. A alimentação de 5 V por USB pode produzir um desvio inicial; nesse caso, poderá ser necessário acrescentar manualmente o valor do desvio ao carregar o código.

Um transformador não funciona com corrente contínua (CC) porque o seu funcionamento depende de campos magnéticos variáveis, que a CC não produz em regime permanente. Segue-se uma explicação detalhada das razões pelas quais os transformadores são ineficazes com CC:

1. Princípio de funcionamento:

• Os transformadores funcionam com base na lei da indução eletromagnética de Faraday, segundo a qual um campo magnético variável no núcleo induz uma força eletromotriz (FEM), ou tensão, no enrolamento secundário.
• Este campo magnético variável é produzido por uma corrente alternada (CA), que varia continuamente e inverte o sentido, fazendo variar o fluxo magnético no núcleo do transformador.

2. Ausência de um campo magnético variável com CC:

• A CC fornece uma corrente constante cujo sentido ou intensidade não varia ao longo do tempo.
• Como não há variação da corrente, o fluxo magnético no núcleo do transformador mantém-se constante. A lei de Faraday exige um fluxo variável no tempo para induzir tensão no enrolamento secundário; por isso, não é gerada tensão em regime permanente quando se aplica CC.

3. Saturação do núcleo:

• Quando se aplica CC ao enrolamento primário, esta cria um fluxo magnético constante no núcleo do transformador, o que pode rapidamente levar à saturação do núcleo.
• Na saturação, o material magnético do núcleo fica totalmente magnetizado e deixa de conseguir suportar um aumento significativo do fluxo. Isto provoca um aumento considerável da corrente primária, que pode causar sobreaquecimento, falhas de isolamento e possíveis danos no transformador.

4. Produção elevada de calor:

• Como a resistência dos enrolamentos do transformador é relativamente baixa, uma corrente contínua constante pode provocar uma grande dissipação de potência sob a forma de calor. Isto pode sobreaquecer rapidamente e danificar os enrolamentos e o isolamento do transformador.

5. Ausência de tensão induzida:

• Em CA, a variação contínua da corrente induz uma tensão no enrolamento secundário através da indução mútua. Como a CC não produz esta variação contínua, não é induzida tensão no enrolamento secundário em regime permanente, pelo que o transformador não consegue elevar ou reduzir a tensão com uma entrada de CC.

Conclusão:

• Os transformadores são concebidos para funcionar com corrente alternada (CA) porque a natureza variável da CA cria o campo magnético necessário para induzir tensão. Quando se aplica CC, a ausência de um campo magnético variável impede o funcionamento do transformador em regime permanente, e a utilização prolongada com CC pode causar sobreaquecimento e avarias.

Um transformador de corrente (TC) é um dispositivo elétrico essencial utilizado em sistemas de alta potência para medir com precisão a corrente alternada (CA). Funciona segundo o princípio da indução eletromagnética, permitindo reduzir com segurança correntes elevadas a um valor adequado para medição ou proteção. Segue-se uma explicação detalhada da sua construção e do seu princípio de funcionamento:

1. Construção:

Um transformador de corrente é composto por dois enrolamentos principais: o enrolamento primário e o enrolamento secundário.

• O enrolamento primário é normalmente ligado em série com o condutor que transporta a corrente elevada que se pretende medir.
• O enrolamento secundário é ligado a instrumentos de medição, como amperímetros, relés de proteção ou contadores. O enrolamento primário tem frequentemente apenas uma espira, enquanto o enrolamento secundário tem um número de espiras significativamente maior.

2. Relação de espiras:

A relação de espiras entre os enrolamentos primário e secundário é um parâmetro fundamental e costuma ser muito elevada, frequentemente entre 100:1 e 5000:1. Isto significa que o enrolamento secundário tem muito mais espiras do que o primário. Esta relação determina a redução da corrente elevada para um nível adequado aos instrumentos de medição convencionais.

3. Indução eletromagnética:

Quando uma corrente alternada percorre o enrolamento primário, gera um campo magnético alternado correspondente em torno do condutor. Segundo a lei de Faraday da indução eletromagnética, a variação do fluxo magnético induz uma tensão proporcional no enrolamento secundário. A magnitude da tensão induzida e da corrente resultante no secundário depende da relação de espiras.

4. Efeito redutor:

O TC reduz a corrente elevada do lado primário a uma corrente muito mais baixa no lado secundário. A relação de espiras determina essa redução, fazendo com que a corrente secundária seja proporcional à corrente primária. Por exemplo, um transformador de corrente com uma relação de espiras de 1000:1 produz 1 ampere no circuito secundário quando circulam 1000 amperes no condutor primário. Este efeito redutor permite que instrumentos concebidos para correntes baixas monitorizem a corrente com precisão.

5. Carga:

A carga corresponde ao dispositivo ligado ao enrolamento secundário do TC, que pode ser um amperímetro, um relé de proteção ou outro instrumento de medição. A impedância dessa carga afeta significativamente a precisão e o desempenho do TC. Para obter medições precisas, a impedância da carga deve estar dentro da gama especificada para o TC. Se for demasiado elevada, a precisão pode ficar comprometida e, em casos extremos, o TC pode até sofrer danos.

6. Relação de correntes:

A relação de correntes de um TC é a razão entre a corrente primária e a corrente secundária e é determinada pela relação de espiras. É um valor fixo para cada TC. Por exemplo, num TC com uma relação de espiras de 1000:1, 1000 amperes no circuito primário produzem 1 ampere no circuito secundário. Esta relação constante permite converter correntes primárias elevadas em correntes secundárias mais baixas para uma monitorização e proteção seguras.

7. Classe de precisão:

Os transformadores de corrente são classificados em diferentes classes de precisão de acordo com a sua exatidão em condições especificadas. A classe de precisão define o erro máximo admissível na medição. As classes de precisão comuns são 0,1, 0,2, 0,5, 1 e 3, sendo a classe 0,1 a mais precisa. Os TC de maior precisão são normalmente utilizados em aplicações de medição, enquanto os de menor precisão podem ser suficientes para fins de proteção.

O transformador de corrente reduz correntes CA elevadas num sistema elétrico para um nível mais seguro e fácil de medir, com base na indução eletromagnética e numa relação de espiras elevada. A corrente secundária do TC é proporcional à corrente primária, permitindo medir com precisão e proteger os sistemas elétricos. A escolha de uma carga adequada e o respeito pela classe de precisão do TC asseguram um desempenho fiável em diversas aplicações.

Componentes:

1. Sensor de efeito Hall: Deteta o campo magnético gerado pela corrente num condutor e fornece uma tensão proporcional à intensidade desse campo.
2. Fonte de alimentação: Alimenta o sensor e fornece uma tensão de referência para os cálculos.
3. Carga: Fecha o circuito, permitindo que a corrente percorra o condutor.
4. Multímetro: Mede a tensão de saída do sensor de efeito Hall.

Passos para medir a corrente CC:

1. Ligue os componentes: Ligue o sensor de efeito Hall, a fonte de alimentação e a carga de acordo com as instruções do fabricante.
2. Coloque o sensor junto do condutor: Posicione o sensor de modo que o campo magnético do condutor fique perpendicular à superfície de deteção do sensor.
3. Ligue a alimentação: Ligue a fonte de alimentação para alimentar o circuito e o sensor de efeito Hall.
4. Meça a tensão de saída: Configure o multímetro para medir tensão e ligue-o à saída do sensor de efeito Hall.
5. Registe a tensão de saída: A tensão medida está diretamente relacionada com a intensidade do campo magnético produzido pela corrente no condutor.
6. Calcule a corrente: Utilizando a sensibilidade do sensor (geralmente indicada em mV/Gauss ou V/Tesla) e a tensão de referência da fonte de alimentação, calcule a corrente com base na relação de proporcionalidade entre o campo magnético e a corrente.

Considerações importantes:

• Calibração: Os sensores de efeito Hall podem precisar de calibração para compensar as variações de temperatura e outros fatores, garantindo uma medição precisa da corrente.
• Resposta linear: Certifique-se de que o sensor de efeito Hall funciona dentro da sua gama linear para obter os melhores resultados.

Seguindo estes passos, poderá medir com precisão a corrente CC com a ajuda de um sensor de efeito Hall.

Componentes:

1. Sensor de efeito Hall: Deteta o campo magnético gerado pela corrente CA que percorre o condutor e fornece uma tensão proporcional a esse campo.
2. Carga: Uma carga (por exemplo, uma resistência) fecha o circuito e permite a passagem da corrente.
3. Osciloscópio: Mede a tensão de saída do sensor de efeito Hall, permitindo visualizar a forma de onda da corrente CA.

Passos para medir a corrente CA:

1. Ligue os componentes:
   • Ligue o sensor de efeito Hall e a carga de acordo com as instruções do fabricante. O sensor requer uma ligação correta à alimentação e um posicionamento adequado junto do condutor percorrido pela corrente.
2. Posicione o sensor:
   • Coloque o sensor de efeito Hall junto do condutor percorrido pela corrente CA, de modo que o sensor fique perpendicular ao campo magnético criado pela corrente no condutor.
3. Ligue o osciloscópio:
   • Ligue as pontas de prova do osciloscópio à saída do sensor de efeito Hall. Configure o osciloscópio para medir tensão CA. Assim, poderá observar a forma de onda da tensão gerada pela variação do campo magnético.
4. Ligue a alimentação:
   • Ative a alimentação CA para permitir que a corrente percorra o condutor e crie um campo magnético à sua volta. O sensor de efeito Hall deteta esse campo.
5. Observe a saída:
   • No osciloscópio, verá uma forma de onda de tensão CA. A amplitude dessa forma de onda corresponde à intensidade do campo magnético, que é proporcional à corrente CA no condutor.
6. Calcule a corrente CA:
   • Utilize a sensibilidade do sensor de efeito Hall (frequentemente especificada em unidades como mV/Gauss ou V/Tesla) para converter a tensão medida num valor de corrente correspondente. A fórmula depende da sensibilidade nominal do sensor e da amplitude da forma de onda de tensão CA.

Considerações importantes:

• Calibração: Os sensores de efeito Hall podem apresentar variações devido à temperatura e à intensidade do campo magnético. Por isso, a calibração é importante para garantir uma medição precisa da corrente.
• Análise da forma de onda: Como está a medir corrente CA, a forma de onda no osciloscópio mostrará tanto a amplitude como a frequência da corrente CA. Certifique-se de que as definições do osciloscópio (divisões de tempo e de tensão) são adequadas à forma de onda esperada.
• Segurança: Trabalhar com corrente CA pode ser perigoso. Siga sempre as precauções de segurança adequadas para evitar choques elétricos ou danos no equipamento.

Seguindo estes passos e garantindo uma calibração adequada, poderá medir com precisão a corrente CA utilizando um sensor de efeito Hall.

Ligar um sensor de corrente a um NodeMCU envolve alguns passos. Eis uma visão geral:

1.  Escolha um sensor de corrente: Existem vários tipos de sensores de corrente, como sensores de efeito Hall ou resistências de derivação. Selecione um sensor de acordo com os seus requisitos e os recursos disponíveis.
2. Identifique os pinos do sensor: Consulte o diagrama de pinagem ou a ficha técnica do sensor de corrente selecionado e identifique os pinos de alimentação, terra e saída de sinal.
3. Ligue a alimentação e a terra: Ligue o pino de alimentação do sensor ao pino de 3,3 V do NodeMCU e o pino de terra do sensor ao pino GND do NodeMCU.
4. Ligue a saída de sinal: Ligue o pino de saída de sinal do sensor a um pino de entrada analógica disponível no NodeMCU, como o A0.
5. Programe o NodeMCU: Escreva código para ler a entrada analógica do sensor de corrente e processar os dados. Por exemplo, pode utilizar a função analogRead() para ler a tensão no pino de entrada analógica e convertê-la em corrente com base na sensibilidade do sensor. Depois, pode utilizar as funcionalidades Wi-Fi do NodeMCU para enviar os dados para um serviço na nuvem ou um servidor local.

Eis um exemplo de código que lê a tensão no pino A0 e a converte em corrente utilizando um sensor de efeito Hall com uma sensibilidade de 100 mV/A:

Um transformador de corrente (TC) funciona segundo o princípio da indução eletromagnética, tal como um transformador convencional. A sua principal finalidade é reduzir correntes elevadas de um sistema elétrico para um valor mais baixo e fácil de utilizar por dispositivos de medição, proteção e controlo. Segue-se uma explicação do princípio de funcionamento de um transformador de corrente:

1. Constituição básica:

• Um TC é normalmente constituído por:
  • Enrolamento primário: O condutor que transporta a corrente elevada. Pode consistir numa única espira ou ser simplesmente o condutor do sistema que atravessa o núcleo do TC.
  • Núcleo: Fabricado em material ferromagnético, concentra o campo magnético criado pela corrente no enrolamento primário.
  • Enrolamento secundário: Enrolado em torno do núcleo, tem muito mais espiras do que o primário. Liga-se a instrumentos de medição, relés ou outros dispositivos de medição e proteção.

  2. Princípio de funcionamento: indução eletromagnética:

  O TC funciona com base na lei da indução eletromagnética de Faraday, segundo a qual a variação de um campo magnético induz uma tensão num condutor próximo.

  • Corrente primária:
    • Quando uma corrente elevada percorre o enrolamento primário (ou condutor), gera um campo magnético em torno desse condutor.
    • O núcleo do TC concentra esse campo magnético, que atravessa o enrolamento secundário.
    • O campo magnético variável gerado pela corrente primária induz uma força eletromotriz (FEM) no enrolamento secundário, fazendo circular corrente nesse enrolamento.
    • A corrente secundária é proporcional à corrente primária, mas reduzida de acordo com a relação de espiras entre os enrolamentos primário e secundário.
    • A relação entre o número de espiras do enrolamento secundário e o do primário determina a redução da corrente.
    • Por exemplo, se o primário tiver uma espira (um condutor que atravessa o núcleo) e o secundário tiver 1000 espiras, uma corrente primária de 1000 A produzirá uma corrente secundária de 1 A (relação de 1000:1).

    3. Funcionamento com o circuito secundário fechado:

    • O circuito do enrolamento secundário deve permanecer sempre fechado (ligado a uma carga ou em curto-circuito) quando circula corrente no primário. Isto permite que o campo magnético criado pela corrente primária induza uma corrente proporcional no secundário.
    • O enrolamento secundário é normalmente ligado a dispositivos de medição de baixa impedância, como amperímetros, relés ou sistemas de proteção.

    4. Finalidade e aplicações:

    • Medição de corrente: Os TC reduzem a corrente elevada do circuito primário para um valor inferior e normalizado (por exemplo, 1 A ou 5 A), que pode ser medido com segurança por instrumentos.
    • Proteção: Os TC fornecem um sinal de corrente a relés de proteção que acionam disjuntores em situações de sobrecorrente ou falha.
    • Isolamento: Os TC isolam eletricamente o circuito primário de alta tensão dos dispositivos de medição ou proteção de baixa tensão, por razões de segurança.

    5. Classes de precisão:

    Os TC são concebidos para funcionar com elevada precisão, de modo que a corrente secundária seja diretamente proporcional à corrente primária dentro de uma classe de precisão especificada (por exemplo, erro de 1% ou 0,5%). A precisão é essencial tanto para a medição como para a proteção.

    Resumo do funcionamento:

    • A corrente primária cria um campo magnético no núcleo do TC.
    • Este campo magnético variável induz uma corrente no enrolamento secundário.
    • A corrente secundária é uma versão reduzida da corrente primária, de acordo com a relação de espiras.
    • A corrente secundária pode então ser medida ou utilizada para fins de controlo e proteção.

    Isto permite medir correntes elevadas em sistemas elétricos com segurança e precisão, protegendo pessoas e equipamentos.

O que é uma fonte de alimentação comutada (SMPS)?

Em comparação com as fontes de alimentação lineares tradicionais, as fontes de alimentação comutadas (SMPS) oferecem maior eficiência e ocupam menos espaço, mas é necessário manter o ruído de saída num nível baixo.

Visão geral das fontes de alimentação comutadas

As fontes de alimentação comutadas são amplamente utilizadas devido às suas vantagens em termos de dimensões, peso, custo, eficiência e desempenho global.

Graças a estas vantagens de desempenho, as fontes de alimentação comutadas são utilizadas na maioria dos sistemas eletrónicos para fornecer energia com eficiência, exceto nas aplicações mais exigentes.

As fontes de alimentação comutadas tornaram-se uma tecnologia amplamente aceite na eletrónica. Também são habitualmente designadas por conversores de potência comutados ou, simplesmente, por «conversores comutados».

Terminologia das fontes de alimentação comutadas

São utilizados vários termos próximos para descrever a tecnologia das fontes de alimentação comutadas (SMPS). Embora todos se refiram à mesma tecnologia de base, descrevem partes diferentes do sistema completo.

• Fonte de alimentação comutada (SMPS): este termo refere-se geralmente a uma unidade completa que se liga à rede elétrica ou a outra fonte de energia externa e produz uma saída regulada. Por outras palavras, é uma fonte de alimentação completa.
• Regulador comutado: refere-se geralmente apenas ao circuito eletrónico que efetua a regulação de tensão. Um regulador comutado é uma parte de uma fonte de alimentação comutada completa.
• Controlador de regulador comutado: muitos circuitos integrados de reguladores comutados não incluem o elemento de comutação em série. Isto é particularmente comum em aplicações de corrente ou tensão mais elevada, nas quais um elemento de comutação em série externo suporta melhor a corrente, a tensão e a dissipação de potência resultante.

Fundamentos das fontes de alimentação comutadas

O conceito básico de uma fonte de alimentação comutada (SMPS) consiste em utilizar um regulador comutado para controlar a tensão de saída. Este utiliza um elemento de comutação em série que liga e desliga periodicamente a corrente que chega a um condensador de filtragem.

O tempo de condução do elemento em série é controlado pela tensão aos terminais do condensador. Se a tensão subir acima do valor necessário, o elemento de comutação em série desliga; se descer abaixo desse valor, liga. Desta forma, a tensão aos terminais do condensador de filtragem ou de armazenamento de energia mantém-se no nível necessário.

Princípio de funcionamento de um regulador comutado

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Vantagens e desvantagens das fontes de alimentação comutadas

Qualquer tecnologia exige, em geral, uma avaliação cuidada das suas vantagens e desvantagens. As fontes de alimentação comutadas não são exceção: oferecem vários benefícios claros, mas também têm limitações.

Vantagens das fontes de alimentação comutadas

• Elevada eficiência: devido ao funcionamento por comutação, o elemento regulador em série está ligado ou desligado. Assim, é dissipada muito pouca energia sob a forma de calor, o que permite uma eficiência muito elevada.
• Design compacto: a elevada eficiência e a reduzida necessidade de dissipação de calor permitem fabricar fontes de alimentação comutadas mais compactas.
• Custo: o custo é um dos aspetos mais atrativos das fontes de alimentação comutadas. A sua elevada eficiência e o funcionamento por comutação fazem com que dissipem menos calor do que as fontes de alimentação lineares, ajudando a reduzir os custos. Além disso, a comutação permite utilizar componentes de menor custo em muitas partes do circuito.
• Flexibilidade técnica: a tecnologia das fontes de alimentação comutadas pode ser utilizada tanto para elevar como para reduzir a tensão, permitindo uma conversão eficiente.

Desvantagens das fontes de alimentação comutadas

• Ruído: os picos transitórios gerados durante a comutação são uma das principais desvantagens das fontes de alimentação comutadas. Se não forem devidamente filtrados, podem propagar-se a diferentes partes dos circuitos alimentados pela SMPS. Os picos ou perturbações transitórias também podem produzir interferência eletromagnética ou de radiofrequência que afeta equipamentos eletrónicos próximos, especialmente recetores de rádio.
• Componentes externos: embora seja possível conceber um regulador comutado em torno de um único circuito integrado, normalmente continuam a ser necessários componentes externos. O mais evidente é o condensador de armazenamento de energia, sendo também necessários componentes de filtragem. Em alguns projetos, o elemento de comutação em série pode ser integrado no chip, mas, quando é necessário fornecer uma determinada corrente, o elemento de comutação em série é geralmente externo. Estes componentes ocupam espaço e aumentam o custo.
• Necessidade de conhecimentos especializados de projeto: construir uma fonte de alimentação comutada funcional geralmente não é difícil, mas garantir que cumpre os requisitos de desempenho especificados pode ser mais exigente. Em particular, manter a ondulação e a interferência dentro dos limites exigidos pode ser bastante difícil.
• Filtragem: a filtragem de uma fonte de alimentação comutada deve ser cuidadosamente concebida, pois um filtro mal projetado pode causar níveis elevados de ruído e picos na saída.