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Escola Estadual de Educação Profissional - EEEP Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Curso Técnico em Edificações Projetos Elétricos I e II Governador Vice Governador Secretário Executivo Assessora Institucional do Gabinete da Seduc Cid Ferreira Gomes Francisco José Pinheiro Antônio Idilvan de Lima Alencar Cristiane Carvalho Holanda Secretária da Educação Secretário Adjunto Coordenadora de Desenvolvimento da Escola Coordenadora da Educação Profissional – SEDUC Maria Izolda Cela de Arruda Coelho Maurício Holanda Maia Maria da Conceição Ávila de Misquita Vinãs Thereza Maria de Castro Paes Barreto Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II SUMÁRIO Introdução .................................................................................................................. 02 Princípios Básicos ...................................................................................................... 03 Tensão, Corrente e Resistência ................................................................................. 05 Circuitos Elétricos....................................................................................................... 09 Materiais condutores e isolantes. ............................................................................... 12 Corrente alternada e corrente contínua...................................................................... 14 Noções de magnetismo aplicado à eletricidade. ........................................................ 19 Circuito monofásico / trifásico..................................................................................... 22 Distúrbios em instalações elétricas ............................................................................ 26 Proteção dos conjuntores........................................................................................... 28 Dispositivos. ............................................................................................................... 31 Esquemas fundamentais de ligações. ........................................................................ 32 Motor monofásico. ...................................................................................................... 41 Símbolos e convenções ............................................................................................. 44 Aspectos Gerais. ........................................................................................................ 47 Revisão. ..................................................................................................................... 51 Previsão de cargas em áreas comerciais e escritórios............................................... 53 Recomendações para representação tubular e fiação. .............................................. 60 Exercícios................................................................................................................... 64 Mas o que é mesmo um circuito elétrico?. ................................................................. 65 Da geração da energia a unidade de consumo.......................................................... 88 Projeto Telefônico....................................................................................................... 98 Bibliografia................................................................................................................ 108 Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 2 INTRODUÇÃO: O projeto completo de uma construção não se restringe apenas a Planta Baixa, Cortes, Fachada, Diagrama de Coberta, Planta de Situação (arquitetura). Deve ser integrado também pelo Projeto Elétrico e Hidrossanitário. Portanto, essa disciplina será desenvolvida em dois semestres (projeto Elétrico I e II). O presente capítulo, entre outros objetivos pretende capacitar os alunos para dimensionar e projetar as Instalações Elétricas de uma edificação, quantificando e dimensionando os pontos de utilização de energia elétrica, levando em consideração todos os aspectos técnicos e as normas vigentes, garantindo aos usuários conforto, bem estar e segurança. Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 3 1. PRINCÍPOS BÁSICOS 1.1 PRINCÍPIOS DA TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA 1.1.1 Trabalho Apenas haverá trabalho quando: - Um Motor entrar em funcionamento e impulsionar qualquer objeto elétrico - O freio desacelera qualquer veículo - Quando a corda de um relógio automático desenrola, movendo os ponteiros. - A água ao se deslocar subindo no interior de uma planta Em resumo a palavra trabalho é empregada sempre que fazemos uma atividade física, intelectual ou social. Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 4 Sob o ponto de vista científico, só se realiza trabalho se um corpo se deslocar. Se para movimentar ou parar um corpo se faz necessário aplicar um força sobre ele, e se para aplicar uma força é necessário o fornecimento de energia, podemos dizer que: TRABALHO=FORÇA x DISTÂNCIA. A unidade de medida = Kgf x m. 1.1.2 Potência Quando realizamos trabalho para deslocar algum peso a certa distância ou altura, gastamos determinada quantidade de tempo. Potência mede a rapidez com que um certo trabalho é realizado. POTÊNCIA = TRABALHO dividido pelo tempo gasto para realiza-lo. Sua unidade de medida é Kgm sobre segundo (quilograma x metro dividido por segundo). Na prática é muito comum o uso de um múltiplo do quilograma/segundo, que é o cavalo vapor (CV ou HP). 1 CV é a potência necessária para elevar um peso de 75Kg a 1m de altura em 1 segundo. 1.1.3 Energia Não há como separar a vida no seu cotidiano de algum tipo ou forma de energia. Não é fácil definir energia, mas o importante é que ela pode ser usada na realização de algum tipo de trabalho. 1.1.4 Tipos de Energia A energia se apresenta de várias formas ou tipos. Ex: Energia luminosa, térmica, elétrica, química ou nuclear. Sendo assim, temos: Energia Potencial: é todo tipo de energia que pode ser armazenada ou guardada. Ex: lâmpadas de neon, cinescópio fosforescente, lâmpada incandescente,lâmpadas fluorescentes, etc. Energia Térmica: energia proveniente do calor Energia Química: energia gerada quando as substâncias se transformam ou se misturam. Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 5 Energia Elétrica: energia resultante do movimento dos elétrons. Energia Cinética: energia que faz movimentar os corpos. Energia Hidráulica: energia gerada pelas águas em movimento. 1.1.5 Transformação de Energia É possível transformar uma forma de energia em outra. A energia, no entanto, não pode ser criada nem destruída. Ex: esfregando uma mão na outras várias vezes, elas se aquecem. Quando esfregamos as mãos, estamos fazendo uso de uma energia cinética (energia do movimento), que é transformada em outra energia (energia térmica, calor). Exemplos de transformação de energia em outras: Energia Elétrica em Energia Térmica (ligando uma lâmpada elétrica),Energia Elétrica em Energia Mecânica (ligando um motor elétrico), Energia Eólica (ventos) em Energia Mecânica (acionamento de cata- ventos), Energia Mecânica em Energia Elétrica (geradores elétricos), Energia Química em Energia Elétrica (pilhas e baterias), Energia Hidráulica em Energia Elétrica (turbinas hidroelétricas) e Energia Elétrica em energia Mecânica (máquina a vapor). 1.1.6 Geração de Energia Existem diferentes processos para produzir eletricidade tais como: atrito, pressão, calor, luz, ação química e magnetismo. Vejamos a ação química; Através de uma solução química onde se introduzem dois metais diferentes ou um metal e um carvão pode-se produzir eletricidade. Ex: pilhas e baterias. 2. TENSÃO, CORRENTE E RESISTÊNCIA 2.1 O ÁTOMO É a menor partícula em que podem se dividir os elementos existentes na natureza mantendo as propriedades desses elementos. O Átomo é constituído ainda de partículas ainda menores: Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 6 Prótons – São partículas que possuem carga elétrica positiva. Ficam localizadas no núcleo. Nêutrons – São partículas que não possuem carga elétrica. Ficam localizadas no núcleo. Elétrons – São partículas que possuem carga negativa. Ficam localizadas na eletrosfera. A eletrosfera é constituída de várias camadas ou órbitas por onde circulam os elétrons. Cada camada ou órbita contém certo número de elétrons. O numero de camadas dependerá da quantidade de elétrons presentes no átomo. A camada da eletrosfera mais distante do núcleo é chamada de camada de valência. Carga Elétrica Neutra - Um Átomo possui carga elétrica neutra quando o número de elétrons é igual ao número de prótrons, e neste caso, dizemos que o átomo está em equilíbrio elétrico. Carga Elétrica Positiva - Um Átomo possui carga elétrica positiva quando o número de elétrons é menor que o número de prótrons. A tendência é buscar o equilíbrio através da aquisição de um elétron. Carga Elétrica Negativa - Um Átomo possui carga elétrica negativa quando o número de elétrons é maior que o número de prótrons. Neste caso existe, portanto, um elétron a mais a tendência é que ele se desprenda e passe para o outro átomo que esteja com falta de elétrons. 2.2 CORRENTE ELÉTRICA Suponha que uma pequena barra de metal é constituída por apenas 3 átomos (A,B,C) e que você consiga retirar um elétron de um dos extremos (C). Este átomo ficaria com carga elétrica positiva. Levando este elétron para o outro extremo do material (Átomo A), este átomo ficaria com carga elétrica negativa. Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 7 Fig. 1 Os Átomos procurarão manter seu equilíbrio elétrico naturalmente. Dessa forma, este elétron a mais no átomo “A” será forçado a caminhar do átomo “A” até o átomo “C”. Esta caminhada dos elétrons que irá ocorrer no material é chamada de Corrente Elétrica. Na realidade a corrente elétrica é produzida pela circulação de bilhões de elétrons que são infinitamente pequena, difilicultando a sua contagem. A unidade de medida da corrente elétrica é AMPÈRE (A), A unidade Ampère corresponde a uma passagem de 6,28X10 elevado a 18 ou 6.280.000.000.000.000.000, de elétrons por segundo em um material. 2.3 TENSÃO No exemplo anterior para o estudo da corrente elétrica, o elétron foi retirado do átomo manualmente. Sabemos que isso é impossível. O deslocamento dos elétrons é provocado por fontes geradoras que produzem força eletromotriz. Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 8 Fig. 2 2.4 RESISTÊNCIA Certos materiais apresentam dificuldades, em maior ou menor escala, à passagem de corrente elétrica. A essa dificuldade nós chamamos de resistência. A resistência elétrica depende de fatores tais como: Comprimento do material, área de seção transversal e propriedade do material chamada resistividade. Materiais, como o vidro e a borracha, oferecem uma grande oposição à passagem da corrente e são chamadas de isolantes. Outros, como o cobre, oferecem pouca ou quase nenhuma oposição e são chamados de condutores. 2.5 RESISTIVIDADE DOS PRINCIPAIS CONDUTORES ELETRICOS Tabela 1 O Equilíbrio elétrico (diferença entre o número de elétrons), é uma grandeza elétrica chamada “Diferença de Potencial” (d.d.p.) A diferença de potencial é, normalmente chamada de TENSÃO. A unidade de medida de Diferença de Potencial é o VOLT (V). 2.6 A LEI DE OHM MATERIAL RESISTIVIDADE PRATA 0,016 Ω.mm2/m COBRE 0,017 Ω.mm2/m ALUMÍNIO 0,030 Ω.mm2/m Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 9 OHM era um físico alemão que nasceu em 1789 e morreu em 1854. OHM elaborou, em 1854, a Lei fundamental das correntes elétricas. Definiu de forma precisa a quantidade de eletricidade, a corrente elétrica e a força eletromotriz. No circuito representado pela figura abaixo a TENSÃO provoca o fluxo de Corrente e a Resistência se opõe a este fluxo. Fig.4 Em uma série de experiências realizadas por Georg Simon Ohm, ficou demonstrado que: Se a Resistência do Circuito for Mantida Constante: - Aumentando a TENSÃO, a CORRENTE aumentará; - Diminuindo a TENSÃO, a CORRENTE diminuirá. Se a Tensão Do Circuito for Mantida Constante: - Aumentando a RESISTÊNCIA, a CORRENTE diminuirá - Diminuindo a RESISTÊNCIA, a CORRENTE aumentará A Lei de Ohm Estabelece: Em um circuito fechado a corrente (I) é diretamente proporcional à tensão (E) e inversamente proporcional à resistência (R), a qual é expressa matematicamente da seguinte forma I = (E) dividido por (R). Como a resistência é desconhecida devemos usar uma variante de expressão matemática: R=E/I=9 Volt/3 Ampère = 3 Ohm. 3. CIRCUITOS ELÉTRICOS Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 10 A Energia elétrica para ser utilizada, deverá ser conduzida através de circuitos. Um circuito elétrico compreende um gerador de energia elétrica, fios condutores e a parelhos receptores. Para acendermos uma lâmpada, por exemplo, ela precisa estar ligada a um circuito elétrico. Vamos tomar co mo exemplo u ma lâmpada, que é formada por um bulbo de vidro preenchido com um gás inerte. Duas hastes metálicas sustentam um filamento de tungstênio, que pode atingir temperaturas de até 3.000ºC, sem fundir. A Corrente Elétrica aquece o filamento, que se torna incandescente e emite luz. Então, circuito elétrico é todo percurso que apresenta um caminho fechado a circulação de corrente elétrica. Para que possamos montar um circuito elétrico é necessário que se tenha, basicamente, os seguintes componentes: Fonte geradora de eletricidade ou fonte de alimentação, aparelho consumidor de energia ou simplesmente carga e condutores. 3.1 COMPONENTES DO CIRCUITO ELÉTRICO Fig. 5 1. Fonte Geradora ou de Alimentação 2. Aparelho Consumidor ou Carga 3. Condutor 3.2 SIMBOLOGIA Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 11 A Simbologia serve para facilitar o estudo de Circuitos Elétricos. Fig. 6 Podemos desenharo circuito representado na figura 05 usando a seguinte simbologia: Fig. 7 “E” é a letra utilizada para indicar a existência de uma tensão ou d.d.p. “I” é a letra utilizada para indicar a existência da corrente elétrica R1, R2 e R3 simbolizam as resistências dos filamentos das lâmpadas. Um circuito elétrico pode ter o seu caminho interrompido através de um dispositivo de manobra que pode ser uma chave, um botão liga-desliga ou interruptores. Fig. 8 1. Fonte 2. Dispositivo de Manobra 3. Carga (resistor) Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 12 3.3 TIPOS DE CIRCUITOS 3.3.1 Circuito Série Um circuito elétrico é chamado de série quando dois ou mais elementos consumidores são conectados de tal forma que a mesma corrente flua através de cada um dos elementos. Fig. 9 As resistências (lâmpadas) são percorridas pela mesma corrente elétrica. A corrente fui por um só caminho. Exemplo – No circuito série abaixo, uma das lâmpadas está com o filamento queimado. O que acontecerá com as outras lâmpadas? (figura 10). Dê a resposta. Fig. 10 3.3.2 Circuito Paralelo Circuito paralelo é aquele em que existem pontes onde a corrente se divide e segue caminhos diferentes. Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 13 Fig.11 4. MATERIAIS CONDUTORES E ISOLANTES Os tipos e as formas de materiais determinam a intensidade de aplicação. Fig. 12 Cada tipo de material apresenta características diferentes de se oporem à passagem de corrente elétrica. A resistência elétrica de um certo material é variável e depende de vários fatores tais como: comprimento do material, seção transversal do material (área) e temperatura do material. 4.1 CONDUTÂNCIA Termo usado para descrever a “facilidade” com que um determinado material conduz a corrente elétrica. 4.2 RESISTIVIDADE É a resistência oferecida por um material com um metro de comprimento. 1mm quadrado de seção transversal e uma temperatura de 20°C Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 14 Fig. 13 4.3 CONDUTORES ELÉTRICOS São todos os materiais que devido a sua constituição interna (átomo), possuem grande número de elétrons livres que podem circular com a facilidade no seu interior. Quase todos os metais ou ligas metálicas (latão=cobre+zinco, aço=ferro+carbono), são bons condutores elétricos, pois apresentam baixa resistência elétrica. Fig. 14. Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 15 5. CORRENTE ALTERNADA E CORRENTE CONTÍNUA A corrente elétrica já foi definida, anteriormente, como o movimento de elétrons livres em um condutor ligado a uma fonte e energia ou a uma diferença de potencial. Se essa d.d.p., mantiver a mesma polaridade a corrente terá um único sentido, ou seja, será uma corrente contínua. Existe, porém, outro tipo de corrente elétrica que alterna seu sentido de circulação nos condutores e, por isso, é chamada de Corrente Alternada. Para o funcionamento dos circuitos internos da grande maioria dos equipamentos eletrônicos a corrente utilizada é a Corrente Contínua. Entretanto a energia gerada pelas usinas elétricas é transmitida à longas distâncias para os centros consumidores sob a forma de Corrente Alternada. 5.1 GERAÇÃO DE CORRENTE ALTERNADA (CA) Para que se entenda o processo de geração de Corrente Alternada (CA) é preciso conhecer o seguinte fenômeno: se aproximarmos um fio condutor de um pedaço de imã e movimentarmos o fio ou o imã ou ambos é induzida no fio condutor uma tensão ou força eletromotriz. Todo imã possui dois pólos: polo norte e pólo sul. Quando o fio condutor é movimentado em direção ao pólo norte a tensão induzida possui uma certa direção (polaridade) e quando o movimento do fio condutor é em direção ao pólo sul a tensão induzida muda de direção (polaridade). Fig. 15 Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 16 Quando o movimento do fio ou do imã é de cima para baixo a corrente que circula no circuito é de cima para baixo e tensão induzida tem a direção (polaridade) indicada pela deflexão para o lado direito do instrumento de medição. Quando o movimento do fio ou do imã é de baixo para cima a corrente que circula no circuito é de baixo para cima e a tensão induzida tem a direção (polaridade) indicada pela deflexão para o lado esquerdo instrumento de medição. A tensão induzida no fio condutor poderá ser maior se: - Aumentarmos a velocidade de deslocamento entre condutor e campo; - Aumentarmos a intensidade do campo magnético colocando um imã mais potente; - Aumentarmos o número de condutores. Na figura acima observamos que o fio condutor dá 2 (duas) voltas (2 espiras) sobre a imã. Se aumentarmos o número de voltas (espiras) aumentaremos a tensão induzida. Fig.16 Na figura anterior, o fio condutor de uma espiral está entre um polo norte e um polo sul. Uma força externa movimentará a espira com o sentido de rotação indicado pela seta. Observe que o lado 1 da espira se movimentará em direção ao polo,o sul e o lado 2 em direção ao polo norte. (quanto mais próximo estiver o fio condutor do imã, maior será a força eletromotriz –tensão - induzida). Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 17 Na posição em que a esfera se encontra, a tensão induzida é zero. Como modelo a figura ilustra o processo de geração de corrente alternada, utilizando uma espira de fio condutor girando no interior de um corpo. Fig. 17 Na posição mostrada em (A) o movimento do condutor é paralelo as linhas de força do campo e nenhuma f. em, é induzida. Na posição (B) a tensão induzida é máxima porque o condutor corta o campo exatamente, na perpendicular. Continuando a rotação para aposição mostrada em (C) a tensão induzida vai decrescendo até se anular novamente. A partir da posição (C) o movimento da espira em relação ao campo se inverte a a f.e.m. induzida passa a ser negativa, atingindo o máximo (negativo) quando o plano da espira é paralelo ao campo e, novamente, se anulando quando na posição (E) o plano é perpendicular ao campo. 5.2 GERAÇÃO DE CORRENTE CONTÍNUA Quando introduzimos duas placas de determinados metais em uma solução chamada eletrólito e que pode conduzir corrente elétrica (ácido, água com sal, etc)., ocorrerá uma reação química capaz de produzir entre as placas uma tensão. Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 18 Fig. 18 Na geração de eletricidade por ação química a tensão entre as placas tem uma polaridade e a corrente elétrica circula em um só sentido. A corrente que não varia é chamada de “corrente contínua”, que graficamente podemos representar assim: Fig.19 5.2.1 Característica da Corrente Contínua Frequência Observando a figura 18 verificamos que para completar um ciclo a corrente realiza duas alternâncias. A frequência da corrente alternada é o número de ciclos completos realizadosem 1 segundo e, portanto, é expresso em ciclos por segundo. A unidade de frequência é HERTZ (Hz). Assim a corrente alternada da rede de energia elétrica, no Brasil, tem uma frequência de 60 ciclos por segundo ou 60Hz. Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 19 Fig. 20 Fase Se dois geradores são ligados ao mesmo tempo e com a mesma velocidade as correntes resultantes terão os valores nulos e de pico atingidos nos mesmos instantes. Dizemos que as correntes estão em fase. Quando não existir essa simultaneidade, dizemos que as correntes estão defasadas ou fora de fase. Fig. 21 Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 20 6. NOÇÕES DE MAGNETISMO APLICADO A ELETRICIDADE Quando uma espira é movimentada dentro de um campo magnético, aparece uma tensão entre os polos A e B da espira. Fig. 22 Um gerador de corrente alternada é constituído por campos magnéticos que giram em volta das espiras. 6.1 TRANSFORMADOR Uma das características mais importantes de uma corrente alternada está no fato de podermos elevar ou baixar sua voltagem usando um transformador, o qual consiste de um núcleo de ferro com dois conjuntos de espiras isoladas (o primário e o secundário), enroladas em torno do núcleo. Fig. 23 Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 21 Fig. 24 Veja os esquemas das conexões das bobinas: Fig. 25 Tensão de Linha = Tensão de Fase (El = Ef) Tensão de Linha= V3 Tensão de Fase El = V3Ef Potência monofásica em VA= Ef X I Potência trifásica em VA= V3El Ef é a tensão entre fase e neutro (V) Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 22 El é a tensão entre fases (V) I é a corrente 6.2 IMPEDÂNCIA Vimos que em corrente contínua, somente a resistência se opõe ao deslocamento das cargas elétricas nos condutores. Já em corrente alternada, pelo fato de haver oscilações nos valores das grandezas (correntes e tensões), resulta outra oposição ao deslocamento das cargas que é chamada de impedância. Se em um circuito temos enrolamento, tais como: Motores, transformadores, reatores resulta uma reatância indutiva. Se em um circuito temos capacitores, resulta uma reatância capacitiva. (a unidade de medida da indutância é o Henry (h) e a unidade de medida da capacitância é o Farad (f). 6.3 INDUTOR É constituído de uma bobina à qual ao ser ativada atravessado por uma corrente elétrica produz uma indutância (campo magnético) medida em henry. 6.4 CAPACITOR É constituído de duas placas condutoras separadas por um isolante, à qual ao ser aplicado uma tensão elétrica produz uma capacitância medida em faraday. 7. CIRCUITO MONOFÁSICO/TRIFÁSICO 7.1 CIRCUITO TRIFÁSICO Uma técnica aplicada e economicamente viável de se gerar e transmitir energia elétrica aos grandes centros consumidores é através de circuitos trifásicos (a três fios). A energia elétrica é transmitida em longas distâncias em alta tensão para diminuir as perdas de energia nos fios (caos) condutores de correntes Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 23 elétricas. (cada fio de um sistema trifásico de corrente alternada é chamado de “FASE”. Fig. 26. Os transformadores trifásicos da rede de distribuição têm a sua baixa tensão ligada em estrela. O ponto mais comum ou o centro da estrela é aterrado, isto é, no centro da estrela é ligado um fio condutor e este é conectado a uma haste de core enterrada. (este centro estrela é chamado de fio neutro). Fig. 27 OBS: A tensão entre duas quaisquer fases é 380V, e entre qualquer fase e neutro é 220V. Se a energia gerada e transmitida à grandes distâncias, em malta tensão, chegasse em nossa residência dessa forma, seria muito perigoso. Por isso perto do centro consumidor é colocado o transformador (Fig. 27) que tem a função específica de transformar a alta tensão em baixa tensão. O consumidor poderá utilizar a energia elétrica nas formas ilustradas na figura 28, de acordo com as normas estabelecidas pelas empresas distribuidoras. Fig. 28 Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 24 7.2 DIVISÃO DE CIRCUITOS E DETERMINAÇÃO DO NÚMERO DE TOMADAS 7.2.1 Definição de Circuito Um circuito compreende todos os elementos (tomadas, lâmpadas, etc.), ligados ao mesmo par de condutores e ao mesmo tempo dispositivos de proteção (fusíveis ou disjuntores). Divide-se uma instalação elétrica em circuitos parciais com os seguintes objetivos: facilitar a manutenção, dimensionar a proteção da forma adequada, reduzir as quedas de tensão. 7.2.2 Capacidade Normal de um Circuito A corrente consumida por um aparelho elétrico é determinada pela fórmula: I = potencia total da carga dividido pela tensão de alimentação Para determinarmos a corrente de um circuito somamos as cargas ligadas ao mesmo e dividimos o total obtido pela tensão. Fig. 29 7.2.3 Exemplos de Cálculo de Corrente No circuito acima, temos uma tensão de alimentação de 120V. Lâmpadas: 100+60+100+60+60= 380W Tomadas: 4 X 100W = 400W Total = 780W Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 25 Corrente= I= 720W/120V=6,5 A. 7.2.4 Critérios para a Divisão de Circuitos A norma brasileira não prevê o limite de potência que deve ser instalado em um circuito, entretanto, recomenda a utilização de um circuito independente para cada aparelho com potência igual ou superior a 1500 W. As tomadas de corrente de cozinha, copas e áreas de serviço deverão constituir um ou mais circuitos independentes que não poderão conter pontos de alimentação. Em projetos residenciais os circuitos devem ter cargas normal de, aproximadamente, 1500 W, embora algumas vezes essa potência seja ultrapassada. Em instalações industriais e comerciais este critério não é, normalmente obedecido. 7.3 TOMADAS Cada cômodo de uma residência deverá ter tantas tomadas quantas forem aparelhos a serem instalados dentro do mesmo. Uma sala de estar, por exemplo, deve ter tomadas para: televisor, som, abajures e outros aparelhos domésticos. Deve ser consideradas tomadas de uso específico para circuitos de ar condicionado (um circuito para cada aparelho), para os chuveiros elétricos, pra cozinha e para a área de serviço, para ligação de geladeira, “freezer”, tomada para ferro de engomar e para a máquina de lavar roupas. As demais tomadas podem ser de uso geral (100 V A) obedecidas as regras citadas anteriormente. 7.4 LEVANTAMENTO DE CASA Para determinar a carga de uma instalação elétrica residencial, deve-se somar a carga prevista para as tomadas de corrente e a potência das lâmpadas. As tomadas de corrente deverão ser consideradas como sendo de 1000 W, cada. Para as tomadas ligadas a um circuito especial que deverá atender à cozinha, copa, área de serviço, lavanderia,deve se considerar: 600 W por tomada, até 3 tomadas e 100 W por tomada para os excedentes. Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 26 A carga de iluminação deve ser calculada de acordo com a NBR – 5413, iluminação de interiores, entretanto, a título de referência, poderão ser utilizados valores da tabela abaixo: LOCAL CARGA MÍNIMA DE ILUMINAÇÃO W/m (quadrado) RESIDÊNCIAS 25 SALAS 20 QUARTOS 25 ESCRITÓRIOS 20 COPA 20 COZINHA 20 BANHEIRO 10 DEPENDÊNCIAS 10 LOJAS 30 8. DISTÚRBIOS EM INSTALAÇÕES ELÉTRICAS 8.1 FUGAS DE CORRENTE Em uma instalação elétrica quando uma fase estiver mal isolada e fizer contato com a terra (a tubulação, por exemplo), por este ponto fluirá uma corrente de fuga que poderá causar problemas à instalação, além da perda de energia decorrente. Fig.30 Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 27 Se, por exemplo, numa instalação tivermos uma fuga de corrente entre o dispositivo de proteção e a carga, a corrente de fuga se somará à corrente de carga e poderá fazer com que a proteção atue, desligando o circuito. Para constatar a existência de fuga de correntes em uma instalação é necessário desligar todos os equipamentos elétricos ligados ao circuito e verificar se circula, ainda, alguma corrente (isto pode ser feito através do próprio medidor de energia). Procedendo desta maneira e desligando os circuitos parciais gradualmente, conseguiremos determinar em qual circuito e em que ponto está acontecendo a fuga. Uma das causas mais comuns de fugas são as emendas, por isso não se deve passar em uma tubulação fios emendados. As emendas deverão ser feitas nas caixas próprias e deverão ser bem isoladas. Também deverão ser verificados os bornes de ligação dos aparelhos e equipamentos, para evitar a possibilidade de contato com as partes metálicas. 8.2 PERDAS A corrente que circula em um condutor, provoca o seu aquecimento. O calor dispêndio por este será a perda, que é igual a RI (ao quadrado) (R= resistência do condutor). Quando a queda de tensão (RI) for superior ao limite admissível, deve-se redimensionar o condutor para evitar que a perda, assim provocada, tenha valor significativo. Quando os terminais de um aparelho não estivem firmemente ligados ao circuito poderá haver uma faiscamento, com consequente produção de calor e, portanto, perda de energia. 8.3 SOBRECARGA Se ligarmos em um circuito cargas acima do limite para o qual o mesmo foi dimensionado, a sobre corrente que circulará produzirá perda e danificará os equipamentos (interruptores, tomadas, etc.) existentes. Se a proteção não estiver em dimensionada surgirão problemas tais como: perdas de energia, queda de tensão e mau funcionamento dos aparelhos ligados ao circuito. Para solucionar devemos retirar as cargas em excesso ou redimensionar o circuito. 8.4 CURTO-CIRCUITO Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 28 O curto-circuito indica o caminho mais curto ou mais fácil para a corrente elétrica. Fig. 31 Na figura (31) a corrente que circulava pela carga, passa a circular pelo ponto onde houver o curto-circuito; na figura (32) a corrente que circulava pelas duas lâmpadas, colocadas em série, passa a circular somente pela segunda lâmpada como indica as setas pontilhadas. Em ambos os casos, a corrente passou a fluir pelo caminho de menor resistência. 8.5 CORRENTE DE CURTO CIRCUITO A corrente em um circuito é determinada pela expressão I=V/R,. Portanto, a corrente do curto-circuito tem o seu valor limitado pela resistência do circuito por onde ela passa ( resistência dos condutores, resistência dos contatos e das conexões, etc.). Fig. 32. No circuito anterior, se a instalação fosse feita com o fio de 0,5mm(quadrado), cuja resistência é igual a 27,8 omes/Km. Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 29 Deve-se observar que os efeitos elétricos de um curto – circuito só atinge a região entre o local do curto e a fonte de energia. Assim, um curto-circuito na rede de distribuição da rua, não atinge a instalação elétrica do consumidor. Para se evitar a possibilidade de curto-circuito, é preciso manter a instalação sempre em bom estado de conservação, evitando-se emendas mal feitas, ligações frouxas. O dispositivo de proteção deverá estar bem dimensionado para, quando ocorrer o curto-circuito, ser desligada a instalação, evitando a propagação do dano. 9. PROTEÇÃO DOS CONJUNTORES Os equipamentos de proteção normalmente utilizados em instalações elétricas domiciliares são os seccionados, os fusíveis e os disjuntores. 9.1 SECCIONADORES (CHAVES DE FACAS) São dispositivos utilizados para abrir mecanicamente o circuito. Devem ser operados sempre que for necessária a manipulação do circuito para se evitar o contato com elementos energizados e o consequente ”choque”. Os seccionadores não são constituídos para abrirem um circuito “em carga” (salvo em caso de pequenas cargas). Assim, ao abrirmos um circuito “em carga” haverá formação do arco elétrico. Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 30 Fig. 33 Fig. 34 Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 31 9.2 FUSÍVEIS São elementos de proteção contra curto- circuito. O fusível é constituído de um material com resistividade adequada para quando ocorrer o curto-circuito a corrente circulante provocar o seu aquecimento e, consequentemente, a fusão interrompendo o circuito. Fig. 35 Os fusíveis são classificados segundo a quantidade de corrente diante da qual irá se romper. Se lançarmos em um gráfico o tempo que o fusível gasta para abrir um circuito para determinados valores de corrente, teremos a curva “Tempo X Corrente” do mesmo. Os fabricantes de fusíveis fornecem estas curvas de seus produtos, de tal maneira que podemos especificar a proteção de um circuito através das mesmas. 9.3 DISJUNTORES São dispositivos “termomagnéticos” que fazem a proteção de uma instalação curto- circuito e contra sobrecorrentes. Fig. 36 Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 32 10. DISPOSITIVOS 10.1 DISPOSITIVO TÉRMICO Consiste em uma lâmina bimetálica (dois metais de coeficiente de dilatação diferente) que ao ser percorrida por uma corrente elevada aquece-se e entorta-se, destravando a alavanca do contato móvel, que é puxado .pela mola, desligando o circuito. Fig. 37 10.2 DISPOSITIVO MAGNÉTICO É formado por uma bobina que ao ser percorrida por uma alta corrente, atrai a trava, liberando a alavanca do contato móvel. Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 33 Fig. 38 A combinação dos dois dispositivos protege o circuito contra corrente de alta intensidadee de curta duração, que são as correntes de curto-circuito (dispositivo magnético) e contra as correntes de sobrecargas (dispositivo térmico). Uma das vantagens evidentes do disjuntor sobre o fusível é a durabilidade (quando o mesmo opera, desligando o circuito, basta rearmá-lo novamente). Em contrapartida o seu preço é muito mais elevado que o do fusível. 11. ESQUEMAS FUNDAMENTAIS DE LIGAÇÕES Os esquemas subsequentes representam trechos construtivos de um circuito de iluminação de tomadas, e poderiam ser designados como “subcircuitos” ou circuitos parciais. O condutor–neutro é sempre ligado ao receptáculo de uma lâmpada e a tomada, nunca ao interruptor. O condutor-fase alimenta o interruptor e a tomada. O condutor de retorno liga o interruptor ao receptáculo da lâmpada. Ponto de luz e interruptor simples, isto é, de uma seção. Ao interruptor, vai o fio a fase F e volta à caixa de centro de luz, o fio retorno R. Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 34 Fig. 39 11.1 PONTO DE LUZ E INTERRUPTOR DE UMA SEÇÃO Ponto de luz, interruptor de uma seção e tomada. Às tomadas vão os fios F e N, mas ao interruptor, apenas o fio F. Fig. 40 Ponto de Luz, interruptor de uma seção e tomada de 300 W à 30 cm do piso.Circuito 1 Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 35 Fig. 41 Ponto de Luz, interruptor de uma seção e tomada de 300 W à 30 cm do piso.Circuito 2 Fig. 42 Dois Pontos de Luz Comandados por um Interruptor Simples Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 36 Fig. 43 Dois Pontos de Luz comandados por um interruptor de duas seções. Fig. 44 Dois Pontos de Luz comandados por um interruptor de duas seções e tomadas de 300W Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 37 Fig.45 Lâmpada acesa por interruptor de uma seção, pelo qual chega a alimentação. Fig.46 Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 38 Duas lâmpadas acesas por um interruptor de duas seções, pelo qual chega a alimentação. Fig.47 Duas lâmpadas comandadas por interruptores independentes de uma seção Fig.48 Nesta situação a lâmpada se acha apagada, pois o circuito não se fecha. Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 39 Fig.49 Three-Way (interruptor paralelo) Fig.50 Lâmpada acesa, pois o circuito se completa. Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 40 Fig.51 Dois interruptores “Three-Way” e um “Four-Way” Fig.52 Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 41 Lâmpada acionada por dois interruptores “three-way” (paralelo) e um interruptor “four- way”.(intermediário) Fig,53 Instalações Elétrica Predial: 1 – Interruptor Simples 2 – Interruptor simples para Lâmpada 3- Tomada 4 – Interruptor duas Seções 5 – Interruptor três Seções 6 – Interruptor duas Seções e Tomada Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 42 Fig.54 7 – Interruptor e tomada 8 – Interruptor Theree Way “paralelo” 9 – Interruptor Four-Way “intermediário” 10 – Campainha c/ Int. simples 11 – Lâmpada Fluorescente Convencional 12 – Motor monofásico 13 – Ventilador 14 – Relé-Fotoelétrico 12. MOTOR MONOFÁSICO Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 43 Fig.55 Fig. 56 PLACA DE IDENTIFICAÇÃO FABRICANTE MOTOR DE INDUÇÃO MONOFÁSICO MOD. 60 HZ ½ CV 1730 RPM 110/120 /A F.S. 1,15 Isol. B Ip/In 6,0 Reg. 1 Cat. N Ip 4,0 Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 44 Fig, 57 MOD - MODELO Isol – isolamento Hz - Frequência Ip /In – Corrente de partida sobre a corrente nominal CV - Potência Reg – Regimento de funcionamento RPM – Rotação por Minuto Cat – Categoria A – Ampéres Ip- Grau de proteção F.S. – Fator de Serviço Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 45 BANCADA PARA PRÁTICA DE INSTALAÇÕES Fig.58 Legenda: 1. Quadro de medição e proteção (monofásico) 2. Maderite 2,20 x 1,00 – Espessura: 10mm 3. Caixa de Passagem 4’’ x 2’’ 4. Caixa de Passagem octogonal 5. Eletroduto de PVC rígido de ¾’’ 6. Eletroduto de PVC rígido de1/2’’ 13. SÍMBOLOS E CONVENÇÕES QUADRO DE CARGA Lâmpada (w) Tomada (w) Total Disj. Fio Circuito 40 60 100 100 600 3000 (w) (A) (mm2) Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 46 Observe a planta baixa de uma casa. Desenhe a instalação elétrica que você faria aplicando os conhecimentos adquiridos nesse curso. Fig. 60 Fig. 61 Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 47 QUADRO DE CARGA Lâmpada (w) Tomada (w) Total Condutor. Disjuntor Circuito N° 40 W 60 W 100 W 100 W 600 W 3000 W (w) (mm2) (A) 1 3 1600 2,6 20 2 1 2000 4,0 26 3 2 3 4 840 1,5 15 4 2 1 7 920 1,5 15 TOTAL 5360 10,0 50 Fig.62 Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 48 ASPECTOS GERAIS: Projetar as Instalações Elétricas de uma edificação consiste em: • Quantificar, determinar e localizar os pontos de utilização de energia elétrica; • Dimensionar e definir o tipo e o caminhamento dos condutores e condutos; • Dimensionar e definir o tipo e a localização dos dispositivos de proteção, de comando, de medição de energia elétrica e demais acessórios. Para tanto, vamos inicialmente, nos apropriar de alguns conceitos básicos: • UNIDADE CONSUMIDORA: Qualquer residência, apartamento, escritório, loja, sala, dependência comercial, depósito, indústria, galpão, etc., individualizado pela respectiva medição; • PONTO DE ENTREGA DE ENERGIA: É o ponto de conexão do Sistema ElétricoPúblico (COELCE) com as instalações de energia elétrica do consumidor; • ENTRADA DE SERVIÇO DE ENERGIA ELÉTRICA: Conjunto de equipamentos, condutores e acessórios instalados desde o ponto de derivação da rede de energia elétrica pública (COELCE) até a medição; • POTÊNCIA INSTALADA: É a soma das potências nominais dos aparelhos, equipamentos e dispositivos a serem utilizados na instalação consumidora. Inclui tomadas (previsão de carga de eletrodomésticos, TV, som, etc.), lâmpadas, chuveiros elétricos, aparelhos de ar-condicionado, motores, etc.; • ATERRAMENTO: Ligação à terra, por intermédio de condutor elétrico, de todas as partes metálicas não energizadas, do neutro da rede de distribuição da concessionária e do neutro da instalação elétrica da unidade consumidora. Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 49 Um Projeto elétrico, assim como um projeto de arquitetura ou qualquer outro similar, é a representação gráfica das instalações elétricas e deve conter: 1. Plantas; 2. Esquemas (unifilares e outros que se façam necessários); 3. Detalhes de montagem, quando necessários; 4. Memorial descritivo; 5. Memória de cálculo (dimensionamento dos circuitos, condutores, condutos e proteções); 6. A.R.T. – Anotação de Responsabilidade Técnica. Consultar a Normas Técnicas e legislação vigente: • ABNT (NBR – 5410/97, NBR – 5419 aterramento, etc.; • Normas da Concessionária (COELCE); • Normas Específicas Aplicáveis (NR – 13, por exemplo) Deve ainda considerar os seguintes critérios: • Acessibilidade; • Flexibilidade (para pequenas alterações) e reserva de carga (para acréscimo de cargas futuras); • Confiabilidade (obedecer normas técnicas para seu perfeito funcionamento e segurança). Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 50 Contemplar as etapas: 1. INFORMAÇÕES PRELIMINARES • Plantas de situação • Projeto Arquitetônico • Projetos complementares • Informações e demandas do proprietário 2. QUANTIFICAÇÃO DO SISTEMA • Levantamento nominal dos pontos de utilização – tomadas, iluminação, elevadores, bombas, ar-condicionado, etc) 3. DESENHO DAS PLANTAS • Desenho dos pontos de utilização • Localização dos Quadros de Distribuição de Luz (QLs) • Localização dos Quadros de Força (QFs) • Divisão das cargas em Circuitos Terminais • Desenho das tubulações de Circuitos terminais • Localização das Caixas de Passagem dos pavimentos e da Prumada • Localização do Quadro geral de Baixa Tensão (QGBT), Centros de Medidores, Caixa Seccionadora, Ramal Alimentador e Ponto de Entrega • Desenho das tubulações dos Circuitos Alimentadores • Desenho do Esquema Vertical (prumada) • Traçado da fiação dos Circuitos Alimentadores Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 51 4. DIMENSIONAMENTO DE TODOS OS COMPONENTES DO PROJETO, COM BASE NOS DADOS REGISTRADOS NAS ETAPAS ANTERIORES + NORMAS TÉCNICAS + DADOS DOS FABRICANTES • Dimensionamento dos condutores • Dimensionamento das tubulações • Dimensionamento dos dispositivos de proteção • Dimensionamento dos quadros 5. QUADROS DE DISTRIBUIÇÃO • Quadros de distribuição de carga (tabelas) • Diagramas unifilares dos QLs • Diagramas de força e comando de motores (QFs) • Diagrama unifilar geral 6. MEMORIAL DESCRITIVO • Descreve o projeto sucintamente, incluindo todos os dados e documentação 7. MEMORIAL DE CÁLCULO • Cálculo das previsões de cargas • Determinação da demanda provável • Dimensionamento de condutores, eletrodutos e dispositivos de proteção Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 52 8. ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS E LISTA DE MATERIAIS 9. ART JUNTO AO CREA LOCAL 10. ANÁLISE E PAROVAÇÃO DA CONCESSIONÁRIA (COELCE) COM PROSSÍVEIS REVISÕES, SE FOR O CASO. REVISÃO: ELETRICIDADE BÁSICA Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 53 Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 54 Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 55 Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 56 Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 57 Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 58 Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 59 Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 60 Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 61 Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 62 Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 63 Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 64 Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 65 Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 66 MAS O QUE É MESMO UM CIRCUITO ELÉTRICO? Circuito elétrico Um circuito elétrico simples, constituído de uma fonte de tensão e de um resistor. Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 67 Um circuito elétrico é a ligação de elementos elétricos, tais como resistores, indutores, capacitores, linhas de transmissão, fontes de tensão, fontes de corrente e interruptores, de modo que formem pelo menos um caminhofechado para a corrente elétrica. Definições • Nó - Ponto do circuito ao qual estão ligados dois ou mais elementos. • Nó essencial - Ponto do circuito ao qual estão ligados três ou mais elementos. • Caminho - Sequência de elementos ligados entre si na qual nenhum elemento é incluído mais de uma vez. • Ramo - Caminho que liga dois nós. • Ramo essencial - Caminho que liga dois nós essenciais, sem passar por outro nó essencial. • Malha - Caminho cujo o último nó coincide com o primeiro. • Malha essencial - Malha que não inclui nenhuma outra malha. • Circuito planar - Circuito que pode ser desenhado em um plano sem que os ramos se cruzem. Leis elétricas Uma série de leis se aplicam à circuitos elétricos. Entre elas: • Leis de Kirchhoff o Lei das Correntes ou Leis dos Nós: A soma de todas as correntes que entram num nó é igual à soma de todas as correntes que saem do nó. o Lei das Tensões ou Lei das Malhas: A soma de todas as tensões geradas menos a soma de todas as tensões consumidas numa malha é igual a zero. • Lei de Ohm: A tensão entre as duas pontas de um resistor é igual ao produto da resistência e a corrente que flui através do mesmo. • Teorema de Thévenin: Qualquer circuito elétrico formado por fontes de tensão, fontes de correntes e resistores com dois terminais possui um circuito equivalente formado por uma fonte de tensão em série com um resistor. • Teorema de Norton: Qualquer circuito elétrico formado por fontes de tensão, fontes de correntes e resistores com dois terminais possui um circuito equivalente formado por uma fonte de corrente em paralelo com um resistor. Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 68 Tipos de circuitos elétricos Há vários tipos de circuitos elétricos, entre os quais podemos destacar: 1. circuito aberto 2. circuito aceitador 3. circuito analógico 4. circuito binário 5. circuito borboleta 6. circuito centelhador 7. circuito cgr 8. circuito cag 9. circuito caf 10. circuito composto 11. circuito contador 12. circuito de controle de ganho por reverberação 13. circuito de deslocamento 14. circuito de disparo 15. circuito digital 16. circuito de dois impulsos 17. circuito flip-flop 18. circuito Eccles-Jordan 19. circuito de enlace 20. circuito de escala binária 21. circuito de escalamento 22. circuito de filamento 23. circuito de Fleweling 24. circuito de grade 25. circuito de intertravamento 26. circuito de Loftin-White 27. circuito delta 28. circuito de nivelamento 29. circuito de ordens 30. circuito de perdas 31. circuito de pico 32. circuito de placa 33. circuito de programa 34. circuito de rádio 35. circuito de rejeição 36. circuito diferenciador 37. circuito divisor de fase 38. circuito embaralhador 39. circuito eletrônico 40. circuito em ponte 41. circuito equilibrado 42. circuito equivalente 43. circuito estenódico 44. circuito estrela 45. circuito fantasma 46. circuito fechado 47. circuito indutivo 48. circuito integrador 49. circuito integrado 50. circuito intensificador de baixos 51. circuito lógico 52. circuito terra 53. circuito magnético 54. circuito magnético fechado 55. circuito Mesny 56. circuito metálico 57. circuito monofásico 58. circuito não indutivo 59. circuito neutralizador 60. circuito neutralizador de Rice 61. circuito neutralizador de Hazeltine 62. circuito oscilatório 63. circuito oscilador 64. circuito ótico 65. circuito óptico 66. circuito paralelo 67. circuito primário 68. circuito quadruplex 69. circuito receptor 70. circuito reflexo 71. circuito ressonante paralelo (cf. com circuito RLC) 72. circuito ressonante série (cf. com circuito RLC) 73. circuito RLC Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 69 74. circuito série 75. circuito simétrico 76. circuito simplex 77. circuito sintonizado 78. circuito sufocador de ruído 79. circuito squelch 80. circuito superposto 81. circuito tanque 82. circuito tanque de hastes paralelas 83. circuito telefônico 84. circuito telegráfico 85. circuito tetrafilar 86. circuito ultra-áudium 87. circuito isócrono. Circuito aberto O conceito de circuito aberto é muito simples. Imagine um determinado número de pessoas passando numa ponte, em determinado local a ponte se rompe impedindo as pessoas de passarem para o outro lado, nesse caso o fluxo de pessoas. No caso de um circuito elétrico, o fluxo de eletrón impedindo assim o funcionamento de uma carga, seja uma lâmpada, motor, aquecedor, enfim, um aparelho elétrico qualquer. Circuito fechado Circuito fechado ou circuito interno de televisão (também conhecido pela sigla CFTV; do inglês: closed-circuit television, CCTV) é um sistema de televisão que distribui sinais provenientes de câmeras localizadas em locais específicos, para um ou mais pontos de visualização. Funcionamento O sistema do circuito interno é na sua versão mais simples constituido por câmera(s), meio de transmissão e monitor. Inicialmente sendo um sistema analógico, o CFTV transmitia as imagens das câmeras por meio de cabo coaxial para monitores CRT (analógicos). Esta transmissão era e é apenas destinada a algumas pessoas, pelo que se trata de um sistema fechado. O facto de ser um sistema fechado e a captura e transmissão das imagens ser de acordo com os conceitos e formatos da televisão analógica conduziu à sigla CFTV. Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 70 Evolução Os circuitos internos encontram-se em estado de grande evolução, quer em termos de tecnologia quer em termos aplicacionais. Em termos tecnológicos, é hoje possível ter o sistema todo em formato digital, usufruindo das mais valias da era digital. Em termos aplicacionais o circuito interno de televisão já não é apenas um sistema simples de monitorização de segurança, tendo evoluído para áreas como o reconhecimento facial, reconhecimento de matrículas, vigilância rodoviária etc... O sistema de circuitos internos não é aplicado somente com propósitos de segurança e vigilância, também é utilizado em outras áreas como laboratórios de pesquisa, em escolas, empresas privadas, na área médica, pesquisa e monitoramento de fauna e flora, monitoramento de relevo, condições climáticas, controle de processos assim como nas linhas de produção de fábricas. Algumas destas áreas não utilizam a designação CFTV. Devido à sua larga possibilidade de utilização, o circuito interno acaba se tornando em um sistema promissor, com um amplo mercado. Circuito analógico Um circuito analógico é um circuito elétrico que opera com sinais analógicos, que são sinais que podem assumir infinitos valores dentro de determinados intervalos,ao contrário do circuito digital que trabalha com sinais discretos binários (que são 0 e 1). Os circuitos analógicos são muito importantes em circuitos transdutores, pois vivemos em um mundo analógico, e para captarmos uma informação são utilizados circuitos analógicos, além de que os circuitos digitais são baseados em circuitos analógicos, porém são sensíveis a variações muito grandes de corrente e tensão. Os circuitos analógicos também são empregados para resolução de equações diferenciais, através de computadores analógicos, que foram muito utilizados nos primeiros sistemas eletrônicos de estabilização de vôo, por exemplo, no Concorde foram apenas utilizados circuitosanalógicos. Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 71 Circuito digital Circuitos digitais são circuitos eletrônicos que baseiam o seu funcionamento na lógica binária, em que toda a informação é guardada e processada sob a forma de zero (0) e um (1). Esta representação é conseguida usando dois níveis discretos de Tensão elétrica. Estes dois níveis são frequentemente representados por L e H (do inglês low - baixo - e high - alto -, respectivamente). Os computadores, telemóveis, Leitores de DVD, são alguns exemplos de aparelhos que baseiam a totalidade, ou parte, do seu funcionamento em circuitos digitais. Relógio binário em placas de ensaio Podemos dividir os circuitos digitais em duas categorias básicas: os estáticos e os dinâmicos. Entre os circuitos digitais estáticos podemos citar as portas lógicas: estas tem seus nomes do inglês: Porta AND (em português, "E"), a Porta OR ("OU"), a Porta NAND ("não E" ou "E invertido"), a Porta NOR ("não OU" ou "OU invertido"), a Porta XOR ("OU exclusivo"), a porta Not (não) e a porta Coincidência (NXOR = não OU exclusivo). Entre os circuítos digitais dinâmicos podemos citar os multivibradores: o Multivibrador Biestável, comumente chamado Flip-flop, o Multivibrador Monoestável,usado comumente como temporizador, ou Disparador Schmitt (Schmitt Trigger) e o Multivibrador Astável usado comumente como divisor de frequência. A partir destes circuitos são construídos praticamente todos os outros. Encadeando-se flip-flops constituem-se os contadores binários, com portas lógicas podemos criar Unidades lógico-aritméticas (ULA, ou, em inglês ALU), etc. Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 72 Origem do nome A palavra digital deriva de dígito, que por sua vez procede do latim digitus, significando dedo. Alison Schaida Desde que a humanidade desenvolveu o processo de contagem, os dedos foram os instrumentos mais simples e eficientes para contar pequenos valores. O sistema de numeração indo-arábico, o mais usado atualmente, é um sistema de base dez, pois são dez os dedos das duas mãos dos seres humanos. Muitos outros sistemas de numeração usam a base decimal, pois serviam para simbolizar a contagem com os dedos. Normalmente com os dedos só é possível contar valores inteiros. Por causa dessa característica, a palavra digital também é usada para se referir a qualquer objeto que trabalha com valores discretos. Ou seja, entre dois valores considerados aceitáveis existe uma quantidade finita de valores aceitáveis. Digital não é sinônimo de eletrônico: por exemplo, o computador eletrônico pode ser chamado de digital porque trabalha com o sistema binário, que é simbolizado por uma sequência finita de zeros e uns, qualquer que seja o tipo de dados. Hoje em dia, porém, não se consegue desvincular a palavra "digital" do sistema informático e de tecnologias ligadas à computação, como, por exemplo, "transmissão digital". A introdução da tecnologia digital na radiodifusão é vista, potencialmente, por especialistas como uma verdadeira revolução, que irá criar um novo meio de comunicação. "A TV digital pode quebrar todos paradigmas existentes na comunicação", diz Gustavo Gindre, coordenador geral do Instituto de Estudos e Projetos em Comunicação e Cultura (Indecs) e integrante do Coletivo Intervozes. Lista de portas • E (AND) • OU (OR) • NÃO (NOT) • NE (NAND) • NOU (NOR) • XOR • XNOR Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 73 Circuito eletrônico Esquema de um amplificador bem simples. Os circuitos eletrônicos diferem dos circuitos elétricos por possuírem interligações entre diversos componentes eletrônicos, enquanto os circuitos elétricos somente têm conexões entre componentes elétricos. Antigamente, a montagem de circuitos eletrônicos era executada de forma artesanal e sobre um chassis. Neste chassis eram parafusadas pontes de ligações, e nestas feitas as conexões entre os diversos componentes e a respectiva fiação, soldados de acordo com um diagrama pré estabelecido. Montagem manual de um circuito Com o advento da miniaturização, veio a necessidade de uma aglomeração mais compacta entre os componentes e peças formadoras do circuito eletrônico. Esta nova plataforma de montagem era totalmente diferente dos antigos chassis e suas pontes de conexão. Inicialmente os circuitos começaram a ser aglomerados em placas de materiais isolantes com furos onde de um lado se inseriam as pernas dos componentes e na outra face eram soldados os fios das conexões. Este processo, além de demorado acabava por complicar a montagem, aumentando a probabilidade de erros. Passou-se então a se utilizar um método de alta escala de produção chamado de circuito impresso. Os circuitos impressos utilizam componentes como resistores, capacitores, transístores, entre outros. O início de seu uso foi logo após a Segunda Guerra Mundial, quando foi inventada a solda por imersão. Antes do processo da solda por imersão, os componentes eram soldados um a um nas pontes com o uso de ferros de solda. Com o novo método, os componentes eram dispostos numa placa de material isolante, onde numa das faces eram feitas as ligações através de um método de impressão e corrosão de uma fina película de cobre. Esta Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 74 película ficava após corroída com a fiação impressa exposta. Ao inserir os componentes nos furos feitos na placa isolante, suas pernas eram cortadas e a face de ligação onde estavam, era imersa em estanho derretido. Após retirar o circuito que estava em contato com o estanho, os componentes já estavam presos ao cobre de forma fixa, rápida e perfeita. Modernamente os circuitos eletrônicos são muito mais complexos, além dos métodos normais de circuitos impressos existem outras formas muito mais avançadas de produção. O circuito eletrônico, deixou de ser um circuito propriamente dito, passou a ser encarado como um componente eletrônico. Exemplos são os circuitos integrados, microprocessadores, entre outros. Componentes básicos Todo circuito eletrônico é constituído de no mínimo três componentes: • Fonte de alimentação ► Fornece energia para o circuito trabalhar. • Dispositivo de saída ► Realiza trabalho útil. Pode ser um led, um alto-falante, etc. • Condutores ► Interligam os componentes do circuito. São os fios e cabos, e algumas vezes a carcaça metálica do equipamento. Contudo, somente circuitos muito simples funcionam sem um quarto componente: • Dispositivo de entrada ► Podem converter outra forma de energia em eletricidade, que será utilizada pelo circuito (p. ex. um microfone), ou oferecer ao usuário meios de controle sobre o comportamento do circuito (p. ex. um potenciômetro). Circuito integrado A escala de integração miniaturizou os componentes eletrônicos de tal forma que os circuitos integrados possuem o equivalente a milhares de componentes em sua constituição interna Descr.: Microprocessador Intel 80486DX2 com encapsulamento removido. Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 75 Arquitetura internade um microprocessador dedicado para processamento de imagens de ressonância magnética, a fotografia foi aumentada 600 vezes, sob luz ultravioleta para se enxergar os detalhes. Em eletrônica, um circuito integrado (também conhecido como CI, microcomputador, microchip, chip de silício, chip ou chipe) é um circuito eletrônico miniaturizado (composto principalmente por dispositivos semicondutores), que tem sido produzido na superfície de um substrato fino de material semicondutor. Os circuitos integrados são usados em quase todos os equipamentos eletrônicos usados hoje e revolucionaram o mundo da eletrônica. Um circuito integrado híbrido é um circuito eletrônico miniaturizado constituído de dispositivos semicondutores individuais, bem como componentes passivos, ligados a um substrato ou placa de circuito. Circuitos integrados foram possíveis por descobertas experimentais que mostraram que os dispositivos semicondutores poderiam desempenhar as funções de tubos de vácuo, e desde meados do século XX, pelos avanços da tecnologia na fabricação de dispositivos semicondutores. A integração de um grande número de pequenos transistores em um chip pequeno foi uma enorme melhoria sobre o manual de montagem de circuitos com componentes eletrônicos discretos. A capacidade do circuito integrado de produção em massa, a confiabilidade e a construção de bloco de abordagem para projeto de circuito assegurou a rápida adaptação de circuitos integrados padronizados no lugar de desenhos utilizando transístores pequenos. Há duas principais vantagens de circuitos integrados sobre circuitos discretos: custo e desempenho. O custo é baixo porque os chips, com todos os seus componentes, são impressos como uma unidade por fotolitografia: um puro cristal de silicone, chamada de substrato, que são colocados em uma câmara. Uma fina camada de dióxido de silicone é depositada sobre o substrato, seguida por outra camada química, chamada de resistir. Além disso, muito menos material é usado para construir um circuito como um circuitos integrados do que como um circuito discreto. O desempenho é alto, visto que os componentes alternam rapidamente e consomem pouca energia (em comparação com os seus homólogos discretos) porque os componentes são pequenos e estão próximos. A partir de 2006, as áreas de chips variam de poucos milímetros quadrados para cerca de 350 mm², com até 1 milhão de transístores por mm². Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 76 História A ideia de um circuito integrado foi levantada por Geoffrey WA Dummer (1909-2002), um cientista que trabalhava para o Royal Radar Establishment (do Ministério da Defesa britânico). Dummer publicou a ideia em 7 de maio de 1952 no Symposium on Progress in Quality Electronic Components em Washington, D.C..[1] Ele deu muitas palestras públicas para propagar suas idéias. O circuito integrado pode ser considerado como sendo inventado por Jack Kilby de Texas Instruments[2] e Robert Noyce, da Fairchild Semiconductor,[3] trabalhando independentemente um do outro. Kilby registrou suas ideias iniciais sobre o circuito integrado em julho de 1958 e demonstrou com sucesso o primeiro circuito integrado em função em 12 de setembro de 1958[2] Em seu pedido de patente de 6 de fevereiro de 1959, Kilby descreveu o seu novo dispositivo como "a body of semiconductor material ... wherein all the components of the electronic circuit are completely integrated."[4] Kilby ganhou em 2000 o Prêmio Nobel de Física por sua parte na invenção do circuito integrado.[5] Robert Noyce também veio com sua própria ideia de circuito integrado, meio ano depois de Kilby. O chip de Noyce tinha resolvido muitos problemas práticos que o microchip, desenvolvido por Kilby, não tinha. O chip de Noyce, feito em Fairchild, era feito de silício, enquanto o chip de Kilby era feito de germânio. Marcante evolução do circuito integrado remontam a 1949, quando o engenheiro alemão Werner Jacobi (Siemens AG) entregou uma patente que mostrou o arranjo de cinco transístores em um semicondutor.[6] A utilização comercial de seu patente não foi relatado. A ideia de precursor da IC foi a criação de pequenos quadrados de cerâmica (pastilhas), cada um contendo um único componente miniaturizado. Esta ideia, que parecia muito promissora em 1957, foi proposta para o Exército dos Estados Unidos por Jack Kilby. No entanto, quando o projeto foi ganhando força, Kilby veio em 1958 com um design novo e revolucionário: o circuito integrado. Escala de integração e nanotecnologia Com os componentes de larga escala de integração, (do inglês: Large-Scale Integration, LSI), nos anos oitenta, e a integração em muito larga escala, (Very-large-scale integration, VLSI), nos anos noventa, vieram os microprocessadores de alta velocidade de tecnologia MOS, que nada mais são que muitos circuitos integrados numa só mesa epitaxial. Atualmente a eletrônica está entrando na era da nanotecnologia. Os componentes eletrônicos se comportam de maneiras diferentes do que na eletrônica convencional e Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 77 microeletrônica, nestes a passagem de corrente elétrica praticamente não altera o seu estado de funcionamento. Nos nanocomponentes, a alteração de seu estado em função da passagem de corrente deve ser controlada, pois existe uma sensibilidade maior às variações de temperatura, e principalmente à variações dimensionais. Estas causam alterações nas medidas físicas do componente de tal forma, que podem vir a danificá-la. Por isso a nanotecnologia é tão sensível sob o ponto de vista de estabilidade de temperatura e pressão. Escala de integração de circuitos integrados Complexidade (números de transístores) Abrev. Denominação Interpretação comum Tanenbaum[7] Texas Instruments[8] SSI Small Scale Integration 10 1–10 em baixo de 12 MSI Medium Scale Integration 100 10–100 12–99 LSI Large Scale Integration 1.000 100–100.000 100–999 VLSI Very Large Scale Integration 10.000–100.000 a partir de 100.000 ab 1.000 ULSI Ultra Large Scale Integration 100.000–1.000.000 — — SLSI Super Large Scale Integration 1.000.000– 10.000.000 — — Fabricação Dispositivo lógico programável da empresa Altera. Escola Estadual de Educação Profissional [EEEP] Ensino Médio Integrado à Educação Profissional Técnico em Edificações PROJETOS ELÉTRICOS I e II 78 A importância da integração está no baixo custo e alto desempenho, além do tamanho reduzido dos circuitos aliado à alta confiabilidade e estabilidade de funcionamento. Uma vez que os componentes são formados ao invés de montados, a resistência mecânica destes permitiu montagens cada vez mais robustas a choques e impactos mecânicos, permitindo a concepção de portabilidade dos dispositivos eletrônicos. No circuito integrado completo ficam presentes os transístores, condutores de interligação, componentes de polarização, e as camadas e regiões isolantes ou condutoras obedecendo ao seu projeto de arquitetura. No processo de formação do chip, é fundamental que todos os componentes sejam implantados nas regiões apropriadas da pastilha. É necessário que a isolação seja perfeita, quando for o caso. Isto é obtido por um processo chamado difusão, que se dá entre os componentes formados e as camadas com o material dopado com fósforo, e separadas por um material dopado com boro, e assim por diante. Após sucessivas interconexões, por boro e fósforo, os componentes formados ainda são
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