AlArMES
o livro do
iNSTAlAdor
Guia Completo de instalação de
Sistemas de Alarmes de intrusão
Hélio Reis Magaldi
Novatec
capítulo
1
Teoria elétrica
1.1 A matéria e sua constituição
A água, o ferro e o nosso próprio corpo são exemplos de matéria, um dos
meios em que se verificam os fenômenos elétricos. Eles são formados por
diferentes substâncias. As substâncias encontradas na natureza, sejam elas
sólidas, líquidas ou gasosas, são constituídas por um aglomerado de minúsculas partículas chamadas de moléculas, que, por sua vez, são a menor parte
que se pode obter de uma substância, conservando as mesmas características
e propriedades (ponto de fusão, resistividade elétrica, massa específica etc.). Se
tivermos uma gota d’água e a dividirmos sucessivamente em diversas partes,
a menor delas que ainda conservar as características da gota inicial será uma
molécula de água.
As moléculas podem ainda ser subdivididas em partículas menores: os
átomos; contudo, estas novas partículas já não apresentam as mesmas propriedades da substância original. Assim, ao subdividirmos uma molécula de
água (Figura 1.1), obteremos três partículas, sendo duas iguais entre si (átomos de hidrogênio) e a terceira diferente (átomo de oxigênio). Concluímos,
então, que uma molécula da substância água (H2O) é constituída por dois
átomos do elemento químico hidrogênio (H) e por um do elemento químico
oxigênio (O).
Hoje, são conhecidos cerca de 116 tipos diferentes de elementos químicos
(20% deles produzidos sinteticamente), que são átomos com características
semelhantes. O hidrogênio (H), o oxigênio (O), o ferro (Fe), o silício (Si) etc.
são alguns dos elementos químicos encontrados no universo.
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Alarmes ■ O Livro do Instalador
O
H
H
Figura 1.1 Representação de uma molécula de água.
1.2 O átomo e sua estrutura
As primeiras observações sobre a existência do átomo começaram com o
cientista inglês John Dalton, por volta dos anos de 1800. A palavra átomo é
de origem grega e significa não-divisível. Este nome foi-lhe dado por ocasião
de sua descoberta, quando Dalton acreditou ser impossível dividi-lo.
Entretanto, por volta de 1911, o cientista Ernest Rutherford, da Nova Zelândia, observou que o átomo era divisível ainda em outras partículas. Niels
Bohr, companheiro de trabalho de Rutherford, aprimorou mais ainda a teoria
atômica. Hoje, então, sabemos pelas descobertas de Rutherford que o átomo
é basicamente formado por três tipos de partículas elementares: elétrons,
prótons e nêutrons (Figura 1.2). Destas, os prótons e os nêutrons formam
sua parte central (núcleo), ao redor do qual giram os elétrons, em altíssimas
velocidades. O elétron possui carga negativa (-) e o próton, carga positiva (+).
O nêutron não tem carga elétrica, isto é, sua carga é nula.
Elétron
Camada no átomo
Núcleo
Figura 1.2 O átomo e sua estrutura.
Os átomos são tão pequenos que, por exemplo, em 1 g (um grama) de
ferro existem, aproximadamente, 109 X 1020 átomos desse metal. Isto equivale
a dizer, por exemplo, que se a cabeça de um alfinete tivesse o tamanho do
nosso planeta, o átomo teria o tamanho de uma bola de futebol. Com relação
Capítulo 1 ■ Teoria elétrica
ao tamanho do átomo diante do seu núcleo: se este fosse do tamanho de
uma bolinha de pingue-pongue, o átomo seria do tamanho de um grande
estádio de futebol.
1.2.1 Importantes conceitos sobre o elétron
■
Elétron: É uma pequena partícula, carregada negativamente, que gira
ao redor do núcleo do átomo. Os elétrons, em todos os átomos que
existem, acham-se dispostos ao redor do núcleo em camadas e possuem
um número variável, segundo a natureza do átomo.
■
Camada de valência: É a camada mais distante do núcleo, e dela dependem
as propriedades elétricas do átomo.
■
Elétrons livres (de valência): São os elétrons bastante afastados do núcleo.
Por isto, são facilmente deslocados, pois, quanto maior a distância entre
o elétron e o núcleo, menor a força de atração entre eles.
1.3 Cargas elétricas
Quando, por um processo qualquer, se retiram elétrons de uma substância,
ela adquire carga positiva (falta de elétrons: Figura 1.3-A). Se uma substância
recebe elétrons, ela adquire carga negativa (excesso de elétrons: Figura 1.3-B).
A tais cargas elétricas em repouso chamamos de eletricidade estática.
+
+
-
+
+
+
A) Carga positiva
+
-
-
+
-
B) Carga negativa
Figura 1.3 Cargas elétricas.
1.3.1 Atração e repulsão de cargas elétricas
Cargas iguais repelem-se e cargas opostas se atraem. A região no espaço que
circunda um objeto carregado eletricamente é denominada campo elétrico.
Um corpo qualquer carregado pode ser neutralizado, quando ligado à terra,
pois é possível que esta ceda ou absorva elétrons dos corpos, sem alterar
seu equilíbrio. Isto é devido à sua dimensão, que é infinitamente grande em
relação ao corpo.
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Alarmes ■ O Livro do Instalador
1.4 Classificação dos corpos quanto à condutividade
Os corpos, devido à sua natureza química, comportam-se de maneira diferente, quanto à passagem de corrente elétrica, sendo classificados em:
■
Condutores: São corpos que apresentam baixa resistência a passagem de
corrente elétrica. Os elétrons de valência são atraídos fracamente pelo
núcleo do átomo. Ex: prata, alumínio e cobre.
■
Isolantes: São corpos que apresentam alta resistência à passagem da
corrente elétrica. Ex: mica e porcelana.
■
Semicondutores: São corpos que apresentam comportamento resistivo situado entre os condutores e os isolantes. Ex: germânio e silício. Diversos
componentes existentes nas placas de circuitos dos equipamentos usados
nos sistemas tratados neste livro são feito de material semicondutor:
diodos, transistores, circuitos integrados, microcontroladores e outros.
1.5 Formas de produção de eletricidade
Os elétrons circulam ao redor do núcleo de um átomo e são mantidos nas
suas órbitas (camadas) devido à atração da carga positiva do núcleo. À ação
de forçar a saída de um elétron de sua órbita chamamos de eletricidade.
As formas essenciais de produção de eletricidade são: fricção, pressão,
calor, luz, magnetismo e ação química.
■
Fricção: É a produção de eletricidade por meio do atrito entre dois
corpos. A fricção é a principal fonte de produção de eletricidade estática. Friccionando-se corpos diferentes, retiramos elétrons de um e
aprisionamos elétrons em outro. Tal fenômeno é comprovado quando
se atrita um bastão de vidro ou borracha em flanela ou seda.
Praticamente, é possível observarmos este efeito esfregando-se um
pente em um tecido, ou mesmo no próprio cabelo humano. Depois de
friccionado, ao aproximarmos o pente de pequenos pedaços de papel,
constata-se que estes serão atraídos por aquele.
Quando nos deslocamos, nosso corpo é carregado ao atritar-se com o
ar. Essa eletricidade estática pode ser prejudicial a certos componentes
eletrônicos quando nossas mãos tocam neles.
Capítulo 1 ■ Teoria elétrica
■
Pressão: É a produção de eletricidade obtida ao se pressionar cristais de
certas substâncias. Microfones de cristal e os antigos captores (pick-ups)
de som (agulhas usadas para ler discos de vinil) aproveitam-se deste
fenômeno. Tal propriedade é conhecida como efeito piezelétrico. As
sirenes piezelétricas usadas como delatores nos sistemas de alarmes
têm, internamente, componentes que se baseiam nesse princípio, assim como os sensores de vibração. Nas sirenes, esses cristais, ao serem
percorridos por uma corrente elétrica, geram uma vibração mecânica
em uma freqüência audível, e os sensores, ao contrário, ao sofrerem um
abalo, geram uma corrente elétrica.
■
Calor: É a produção de eletricidade por meio do aquecimento da junção
de duas substâncias. Os pirossensores, usados nos detectores de movimento baseiam-se nesse princípio. Ao receberem radiações térmicas
(por ex.: a irradiada por nosso corpo) em seus dois elementos eles
geram eletricidade em seus terminais.
■
Luz: A luz incidindo sobre certas substâncias sensíveis pode produzir
eletricidade. Este mesmo efeito pode ser empregado para transformar a
energia radiante do sol em corrente elétrica, mediante o uso de células
de silício, de sulfeto de cádmio etc.
■
Magnetismo: É a produção de eletricidade pelo movimento relativo entre
um ímã e um condutor (um fio), mas desde que o condutor cruze as
linhas de força do ímã. É o método mais usual de produção de eletricidade e empregado nas usinas hidrelétricas, por exemplo. Ali, grandes
geradores são acionados por energia hidráulica (passagem das águas
por suas turbinas). Daí vêm as tensões de 127 e 220 VCA fornecidas
comercialmente.
■
Ação química: É a forma de produção de eletricidade aproveitando-se da
tendência de certas substâncias em perderem ou adquirirem elétrons
sob ação de uma solução química. As pilhas e baterias aproveitam-se
da ação química para gerar eletricidade.
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1.6 Pilhas e baterias
No interior de uma pilha comum, um bastão de carvão atua como eletrodo
(terminal) positivo. A solução química ou eletrólito é uma solução pastosa
de cloreto de amônia. Um cilindro de zinco atua como eletrodo negativo. A
solução de cloreto de amônia em contato com o bastão de carvão (grafite) faz
com que elétrons saiam em direção ao zinco. São as misturas do eletrólito e a
constituição dos eletrodos que diferem as pilhas e baterias, que são diversas
pilhas associadas em série. Na Figura 1.4 pode-se ver os desenhos (símbolos)
usado em documentos técnicos que representam uma pilha e uma bateria.
Figura 1.4 Símbolos de pilha e de bateria.
As pilhas e as baterias podem ser associadas de forma a somarem suas tensões ou associadas de forma a aumentar sua capacidade de fornecer corrente.
Por bateria entende-se um conjunto interno de diversas pilhas. As baterias
usadas como reserva de energia em sistemas de alarmes de intrusão são do
tipo chumbo-ácido de 12 VDC, pois esta é a tensão média de funcionamento
da maior parte de seus dispositivos.
Quando associadas em série (Figura 1.5), as pilhas e as baterias têm suas
tensões individuais somadas. O terminal positivo de uma das baterias é ligado
ao negativo da outra. Os terminais positivos e negativos extremos são conectados ao equipamento que se deseja alimentar. Alguns sistemas (alarmes de
incêndio) necessitam desse arranjo de baterias para que se tenha uma tensão
final de 24 VDC.
24 V
+
Bateria
+
Bateria
Figura 1.5 Duas baterias de 12 VDC associadas em série.
Capítulo 1 ■ Teoria elétrica
Quando associadas em paralelo (Figura 1.6), a tensão final é a mesma,
porém as unidades passam a fornecer corrente ao mesmo tempo, gerando
uma maior autonomia frente ao mesmo circuito alimentado, isto é, o equipamento que se beneficia da tensão do conjunto de baterias funciona por
mais tempo. Os terminais positivos das duas baterias são interligados, assim
como os terminais negativos. Nesse tipo de associação é importante que as
baterias estejam nas mesmas condições (carga) para que haja uma boa performance do arranjo.
12 V
-
+
Bateria
-
+
Bateria
Figura 1.6 Duas baterias de 12 VDC associadas em paralelo.
1.7 Grandezas elétricas
1.7.1 Corrente elétrica
Corrente elétrica, como o próprio nome dá a entender, é o movimento ordenado de elétrons dentro de um determinado circuito. Esse movimento dá-se
do pólo negativo para o pólo positivo de uma fonte de energia. Os elétrons
livres (elétrons da camada de valência), impulsionados por uma força desprendem-se de suas órbitas deslocando-se átomo a átomo. A Figura 1.7 apresenta
um exemplo prático da circulação de corrente. Do lado esquerdo tem-se o
desenho dos componentes interligados e do direito, o esquema elétrico desse
circuito.
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Alarmes ■ O Livro do Instalador
Esquema
Resistência
Resistência (R)
1K
+
-
9V
Corrente
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Corrente
I
LED
+
Bateria
LED
Corrente
Bateria
Figura 1.7 A corrente elétrica em um circuito.
Fonte: “Treinamento em Eletrônica Básica” de Luís Carlos Burgos (www.burgoseletronica.
net).
Os elétrons saem do pólo negativo da bateria em direção ao positivo. Ao
passarem pelo LED, este acende. Um resistor oferece uma resistência de 1 K
Ohms. Caso o fio que interliga o pólo negativo da bateria, o LED, o resistor e
o pólo positivo da bateria se partisse em algum ponto do circuito, não haveria
circulação de corrente e, assim, o LED não acenderia. Sempre é necessário o
circuito estar fechado para que haja circulação de corrente, pois só assim os
elétrons serão atraídos pelo pólo positivo da fonte de energia do circuito.
Essa corrente tem um valor numérico que depende dos componentes
envolvidos no circuito. Sua unidade de medida é o ampère, em homenagem
ao físico francês André-Marie Ampère (1775-1836).
Em um sentido prático, o que determina a corrente que sai de uma fonte
de energia é o equipamento nela ligada. A Figura 1.8 mostra duas situações
envolvendo um mesmo tipo de bateria de 12 volts ou 12 VDC, comum em
sistemas de alarmes.
Na Figura 1.8, o conjunto da esquerda é formado por uma bateria e uma
sirene que consome 0,1 ampère ou 0,1 A. No conjunto da direita, há duas
sirenes no circuito, sendo, então, o consumo de 0,2 A (ou 200 mA). A bateria
é a mesma nas duas situações, porém no segundo circuito é exigida mais
corrente dela pela presença da outra sirene. Da bateria sai apenas a corrente
que o circuito pede. A corrente elétrica pode ser medida por um instrumento
chamado de amperímetro.
Capítulo 1 ■ Teoria elétrica
Bateria
Bateria
Figura 1.8 Consumo de corrente.
1.7.2 Tensão elétrica
A força que faz com que os elétrons se movimentem é denominada Tensão
Elétrica, conhecida também como Força Eletromotriz (FEM) ou Diferença
de Potencial (DDP). Sua unidade de medida é o Volt, em homenagem ao
cientista italiano Alessandro Volta, que pesquisou as pilhas. Daí vem o termo
“voltagem”. Tensão e voltagem são os termos mais usados para designar esta
força.
A tensão é a força que gera a corrente, que faz como que os elétrons se
movam caso haja um circuito a ser percorrido. A tensão designa a diferença
entre um pólo mais negativo e outro menos negativo.
1.7.3 Tensão e corrente contínua
Há dois tipos de tensão: a contínua, designada pelo termo inglês DC (direct
current) ou CC (continuous current) e a alternada, designada pela expressão
inglesa AC (alternating current). Tensões contínuas geram correntes contínuas,
assim como tensões alternadas geram correntes alternadas.
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Alarmes ■ O Livro do Instalador
A tensão contínua gera correntes que fluem em um sentido único e sempre
com o mesmo valor. O acrônimo VCC ou VDC designa a tensão contínua. É
a tensão das pilhas, das baterias e das fontes de alimentação. Grande parte
dos equipamentos usados em segurança eletrônica funciona com tensão
contínua na ordem de 12 VDC.
A tensão alternada gera correntes que variam de sentido e de valor 60 vezes
por segundo. Isto é, em um determinado momento ela flui em dada direção e
em outro na direção contrária. Isso é devido ao movimento dos geradores nas
usinas hidrelétricas que giram 60 vezes por segundo. Este é o tipo de tensão
presente nas tomadas de uma instalação elétrica. O acrônimo VAC ou VCA
designa a tensão alternada. Só a tensão alternada pode ser aumentada ou
diminuída por um transformador. A tensão alternada tem peculiaridades que
precisam ser respeitadas para que não haja prejuízo no funcionamento dos
sistemas de segurança eletrônicos. Quando uma corrente alternada circula por
um fio, ocorre automaticamente a geração de uma radiação eletromagnética,
a qual pode interferir nos fios que estejam muito próximos.
As tensões tanto alternadas quanto contínuas podem ser medidas por
instrumentos denominados voltímetros.
1.7.4 Resistência elétrica
Ainda que os metais sejam os melhores condutores de eletricidade, devido ao
desprendimento fácil de elétrons das órbitas exteriores de um átomo a outro,
sempre haverá certa oposição (resistência) à passagem da corrente elétrica,
em virtude do atrito dos elétrons em movimento com os elétrons da órbita
exterior de cada átomo do metal.
A resistência que os metais oferecem depende de sua estrutura eletrônica
e esta resistência varia de metal para metal. Conforme a estrutura de cada
material, a fricção entre os elétrons em movimento com os estacionários
pode ser maior ou menor. No nosso estudo dois outros importantes fatores
influenciam na resistividade de um condutor: o comprimento dele e seu
diâmetro. Entre dois fios de cobre, tem maior resistência, aquele que tiver
maior comprimento.
Por outro lado, comparando-se dois fios de cobre de mesmo comprimento,
terá maior resistência, aquele que for mais fino, isto é, tiver menor diâmetro.
Capítulo 1 ■ Teoria elétrica
Seria como um fluxo de água por dois canos diferentes: no mais grosso, ela
flui mais facilmente que no mais fino, onde ela encontra mais dificuldade.
Os manuais de instalação dos diversos equipamentos orientam qual bitola
de fio usar dependendo da distância que se deseja colocar o equipamento.
Quanto mais distante da fonte que fornece energia o equipamento estiver,
maior deve ser a bitola do fio usado para compensar a resistência causada
pelo comprimento do fio.
Isso é explicado pelo fato que os elétrons ao se chocarem em seu deslocamento, aquecem o condutor e isso consome parte da energia que seria
necessária para o funcionamento de equipamento. Em um pequeno circuito
isso pode passar despercebido, mas em um circuito maior gera queda de tensão ao longo da linha (fios que levam alimentação). Outros fatores, como a
capacitância, também passam a influenciar com o aumento do comprimento
da fiação.
1.7.5 A lei de Ohm
A resistência tem valores numéricos e sua unidade de medida é o Ohm, em
homenagem ao físico alemão Georg Simon Ohm (1789-1854), que desenvolveu
a primeira teoria matemática da condução elétrica nos circuitos. A letra grega
ômega (Ω) também é usada para unidade de medida da resistência elétrica.
Sua teoria passou a ser conhecida como Lei de Ohm e estabelece relações
simples, porém de grande utilidade na eletrônica, entre as três grandezas
elétricas (tensão, corrente e resistência), ao dizer que a intensidade (I) de
corrente em qualquer circuito é calculada dividindo-se a tensão (V) pela
resistência (R) do circuito.
I=
V
R
Energia: o termo é usado para indicar tensão e corrente juntos ou apenas tensão. Também
é usado o termo “alimentar” para a ação de uma fonte de tensão VCA ou VDC de fornecer
energia a um equipamento.
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Alarmes ■ O Livro do Instalador
1.7.5.1 Desdobramentos da lei de Ohm
Se em um circuito conhecemos o valor da corrente e da resistência, para
saber o valor da tensão basta multiplicar o valor da corrente pelo valor da
resistência.
V=RxI
Se em um circuito é conhecido o valor da tensão e da corrente, para
descobrir o valor da resistência basta dividir o valor da tensão pelo valor da
corrente. Uma resistência pode ser propositalmente inserida em um trecho de
um circuito, o que é feito por meio de um componente eletrônico chamado
de resistor (Figura 1.9). Nesse caso, sua função será gerar uma intencional
limitação da corrente circulante.
Figura 1.9 Resistor.
1.7.6 Potência elétrica
Por potência entende-se o quanto de energia foi transformada de um tipo
para outro durante o tempo de 1 segundo. Potência elétrica, então, designa o
quanto de energia elétrica, a cada segundo, foi transformada em outro tipo
de energia (por exemplo, em energia térmica ou mecânica). A unidade de
potência é o watt (W) em homenagem ao cientista James Watt (1736-1819),
engenheiro escocês que desenvolveu a máquina a vapor. Matematicamente,
o valor da potência elétrica pode ser obtido pelo produto (multiplicação) do
valor da tensão pelo valor da corrente que circula pelo dispositivo:
P=VxI