ciclo carregador energia renovÁvel · carregador significa algo que pode carregar alguma coisa, e...
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INSTITUTO EDUCACIONAL SÃO JOÃO DA ESCÓCIA
CURSO TÉCNICO EM ELETRÔNICA
FERNANDO AP. ROQUE
JULIANO SILVA BORELLI
RENAN FELIPE DA SILVA
THIAGO JUNIO SARAIVA
CICLO CARREGADOR
ENERGIA RENOVÁVEL
POÇOS DE CALDAS - MG
2017
FERNANDO AP. ROQUE
JULIANO SILVA BORELLI
RENAN FELIPE DA SILVA
THIAGO JUNIO SARAIVA
CICLO CARREGADOR
ENERGIA RENOVÁVEL
Trabalho apresentado na mostra 2017 do Curso Técnico em Eletrônica do Instituto Educacional São João da Escócia, sob orientação do professor (Roberto Luis Tramonte).
POÇOS DE CALDAS – MG
2017
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SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ......................................................................................................................... 4
2. O QUE O CICLO CARREGADOR? .......................................................................................... 5
2.1 Como funciona o Ciclo Carregador ..................................................................................... 5
2.2 O que são bobinas? ................................................................................................................. 6
2.3 Princípio do magnetismo ...................................................................................................... 6
3. O IMÃ DE NEODÍMIO ................................................................................................................ 7
3.1 Especificação técnica do imã de neodímio-ferro-boro....................................................... 8
3.2 Temperatura de trabalho do imã de neodímio ................................................................... 9
3.3 Revestimento e resistência do imã de neodímio ............................................................... 9
4. GERADORES DE ENERGIA ELÉTRICA ................................................................................. 9
4.1 Conversão de energia .........................................................................................................10
4.2 Retificador de tensão ...........................................................................................................10
4.3 Diodo Semicondutor ............................................................................................................11
4.4 Ponte Retificadora e seu funcionamento ...........................................................................12
4.5 Filtro Capacitivo ...................................................................................................................14
4.5.1 Capacitores ou Condensadores ..................................................................................14
5. REGULADORES DE TENSÃO 78XX ......................................................................................15
6. COMO FUNCIONA O CICLO CARREGADOR .......................................................................16
7. CONCLUSÃO .............................................................................................................................18
8. BIBLIOGRAFIA ..........................................................................................................................19
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1. INTRODUÇÃO
A tecnologia atual encontra-se em total evolução e a busca por meios produção
de energia renovável é um dos grandes desafios da humanidade. Nunca o
mundo esteve tão conectado quanto hoje, sendo o aparelho celular, rebatizado
de „smartphone‟ graças às inúmeras funções adquiridas, o grande responsável
por toda essa conectividade mundial. Porém, com tantas novas funcionalidades
sendo adicionadas a cada geração de aparelhos, podemos imaginar o quanto foi
necessário o esforço para se criar uma bateria capaz de fornecer energia
suficiente, pois o aprimoramento dos circuitos resultou num maior consumo de
energia, tornando-se quase impossível para um dispositivo permanecer ligado
por mais de dois dias sem a necessidade de carregar sua bateria. Logo, essa
realidade fez surgir a busca por meios alternativos de carregamento, já que nem
sempre podemos ter uma tomada disponível por perto.
Surgiu então um dilema: Seria possível fornecer nossa própria energia para o
carregamento desses aparelhos em uma possível urgência? A resposta é sim.
Como? Usando um dos veículos mais antigos do mundo, a bicicleta. O ciclo
carregador surge para unir o útil ao agradável, pois podemos economizar
deixando o carro em casa, contribuindo também para a redução de gases
tóxicos, além de reduzir o sedentarismo e claro, manter nossos smartphones
ligados. A seguir, veremos detalhadamente como funciona o sistema do ciclo
carregador, que converte a energia produzida pela rotação da roda de uma
bicicleta em energia elétrica.
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2. O QUE O CICLO CARREGADOR?
A palavra ciclo é uma palavra de origem grega, vem de „kyklos‟e significa
roda. Do grego se passou para o latim como „cyclus‟ e de lá para nossa língua.
Carregador significa algo que pode carregar alguma coisa, e sabemos que nos dias
atuais o termo está vinculado principalmente ao dispositivo usado para recarregar a
bateria de um determinado aparelho eletrônico. O ciclo carregador é um aparelho
desenvolvido para ser usado em bicicletas, pois usa a rotação da roda para gerar
energia elétrica que será armazenada em uma bateria e posteriormente poderá ser
usada para carregar celulares ou um GPS, por exemplo.
2.1 Como funciona o Ciclo Carregador
O ciclo carregador usa o princípio básico da geração de energia através de
indução eletromagnética, da qual é aproveitada a capacidade de atração e repulsão
natural a qualquer imã. O princípio de funcionamento de um gerador do tipo
alternador, como é chamado esse modo de geração de energia, ocorre desta
maneira: diante de uma bobina fixa (o induzido), põe-se a girar um ou mais imãs
(indutor) impulsionados por um movimento mecânico que o faça iniciar a operação.
No instante em que um imã passar próximo à bobina fixa, os elétrons nas espiras da
bobina serão induzidos pelo eletromagnetismo do imã e se deslocarão para a outra
extremidade da espiral, ocasionando a diferença de potencial nos polos da bobina.
Podemos compreender então o porquê desse método de geração ser chamado de
Alternador, pois alterna frequentemente o fluxo dos elétrons na bobina induzida
pelos ímãs, a fim de gerar tensão nas extremidades da espiral.
Figura 1 - Princípio básico do funcionamento de um gerador alternador.
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2.2 O que são bobinas?
A bobina eletromagnética é um dispositivo que possui dois elementos
distintos: um condutor e um núcleo. O condutor é normalmente feito de fios sólidos
de cobre, enrolados em torno de um núcleo de metal sólido. O número de vezes que
um fio é enrolado ao redor do núcleo, a espessura do fio, a quantidade de vezes que
será induzida pelo imã num determinado período entre outros fatores é que definirá
a tensão e a corrente gerada no processo.
A utilização mais comum desse dispositivo é como um indutor que armazena energia
em seu campo magnético. Considerado como um componente elétrico passivo, um
indutor não tem ganho energético como o capacitor que também pode armazenar
energia e não pode controlar o fluxo direcional. A forma como um indutor aproveita a
energia é pela passagem de corrente elétrica através de seu corpo. Abaixo estão
alguns tipos de bobinas indutoras.
Figura 2 - Diversos tipos de bobinas indutoras e seus vários aspectos.
2.3 Princípio do magnetismo
Magnetismo é a denominação dada aos estudos dos fenômenos relacionados
com as propriedades dos imãs. Os primeiros fenômenos magnéticos foram
observados na Grécia antiga, em uma cidade chamada Magnésia. Os primeiros
estudos realizados nessa área foram feitos no século VI a.C. por Tales de Mileto,
que observou a capacidade de algumas pedrinhas, que hoje são chamadas de
magnetita, de atraírem umas às outras e também ao ferro. Já a primeira aplicação
prática do magnetismo foi encontrada pelos chineses: a bússola, que se baseia na
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interação do campo magnético de um imã (a agulha da bússola) com o campo
magnético terrestre. No século VI, os chineses já dominavam a fabricação de imãs.
Os estudos sobre o magnetismo somente ganharam força a partir do século
XIII, quando alguns trabalhos e observações foram feitos sobre a eletricidade e o
magnetismo, que ainda eram considerados fenômenos completamente distintos.
Essa teoria foi aceita até o século XIX. Os experimentos na área recomeçaram a ser
feitos pelos europeus. Pierre Pelerin de Maricourt, em 1269, descreveu uma grande
quantidade de experimentos sobre magnetismo. Devem-se a ele as denominações
polo norte e polo sul às extremidades do imã, bem como a descoberta de que a
agulha da bússola apontava exatamente para o norte geográfico da Terra.
A grande revolução nos estudos do magnetismo foi feita por Oesterd, em
1820. Ele descobriu que fenômenos elétricos e magnéticos estão intimamente
relacionados. De acordo com essa teoria, denominada eletromagnetismo, cargas
elétricas em movimento geram campo magnético, e campo magnético em
movimento gera corrente elétrica. Esses estudos foram finalizados por Maxwell, que
estabeleceu bases teóricas sólidas sobre a relação entre o campo elétrico e o
magnético, ou seja, as ondas eletromagnéticas.
Figura 3 - Ilustração de um campo magnético
3. O IMÃ DE NEODÍMIO
O imã de neodímio também chamado como 'ímã de neodímio-ferro-boro', ou
menos especificamente 'imã de terras raras' é um poderoso imã feito a partir de uma
combinação de neodímio, ferro e boro (Nd2Fe14B). Esses imãs são muito
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poderosos em relação à sua massa, mas também são mecanicamente frágeis e
perdem seu magnetismo de modo irreversível em temperaturas acima de 120 °C.
Devido ao seu custo mais baixo, eles têm substituído os imãs de samário-cobalto na
maioria das aplicações, que são ligeiramente mais fracos e bem mais resistentes à
temperatura. Sua intensidade pode ser medida pelo seu produto energético máximo,
em megagauss-oersteds (MGOe) (1 MG•Oe = 7,957 kJ/m³). Essa intensidade varia
de 12 a 15 MGOe, nos ímãs aglomerados de neodímio (bonded magnets) e de 24 a
54 MGOe nos ímãs sinterizados. Para alcançar a mesma força do imã de neodímio
usando imãs de cerâmica, seria necessário um volume de cerca de 18 vezes maior
do material se comparado ao de neodímio.
Por essas vantagens, o imã de neodímio é usado no Ciclo Carregador,
pois obviamente com uma força eletromagnética maior, será possível ocasionar um
maior deslocamento de elétrons nos fios da bobina, ocasionando uma tensão maior.
Sabemos que outros fatores são determinantes para se obter uma maior tensão e
também maior corrente em um processo de geração alternada, como a espessura
dos fios da bobina, quantidade de espiras, número de imãs e bobinas, distante e
disposição dos componentes e claro, a força mecânica exercida para se movimentar
os imãs.
Figura 4 - Alguns tipos de imãs neodímio encontrados no mercado
3.1 Especificação técnica do imã de neodímio-ferro-boro
Os ímãs de Neodímios são formados por uma mistura basicamente de três
minérios, o Neodímio, o Ferro e o Boro (Nd2Fe14B), através de um processo de
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sinterização (Sintered) ou aglomeração (Bonded). A família dos Neodímios é
formada por diferentes tipos chamados de “grade”, sendo que todos possuem a
mesma composição, porém em diferentes quantidades, variando as características
como Remanência (Br), Produto Energético (BHmáx), Coercitividade (Hc) e
Temperatura (T).
3.2 Temperatura de trabalho do imã de neodímio
A temperatura de trabalho pode variar entre 80 e 230°C dependendo da
grade. Isso significa que um neodímio de 80 ºC quando submetido à temperaturas
superiores, perde gradativamente seu Campo Magnético e o recupera quando é
resfriado. Porém se este ímã for submetido à sua temperatura de desmagnetização
total (Temperatura Curie) que é em torno de 350ºC, perde totalmente seu campo
magnético e necessita passar por um novo processo de Magnetização.
3.3 Revestimento e resistência do imã de neodímio
Por conter Ferro em sua liga, os ímãs de Neodímio podem oxidar, por isso
possuem uma camada de proteção que pode ser Níquel, Zinco, Epoxi, entre outros.
Em ambientes úmidos ou com maresia, além do revestimento do Neodímio, pode ser
necessário a adição de uma tinta ou resina para que o imã tenha uma vida útil maior.
Devido ao processo de fabricação, os Neodímios são também muito duros, em torno
de 600 HV, o que os tornam frágeis dependendo do impacto entre eles ou em outros
objetos, podem lascar e até quebrar.
4. GERADORES DE ENERGIA ELÉTRICA
Graças aos esforços e estudos de várias pessoas no passado, foi possível
dominar os princípios da eletricidade, mais precisamente do eletromagnetismo, para
a criação dos geradores que usam esse princípio, como os usados nas usinas
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hidrelétricas, por exemplo. O Ciclo Carregador usa a mesma lógica de
funcionamento desses geradores, porém em menor escala. Nas usinas hidrelétricas,
a força usada para movimentar os imãs ao redor das bobinas provém da queda
d‟água, enquanto que no Ciclo Carregador, essa força é obtida pelo esforço humano
ao pedalar a bicicleta, que ocasionará a rotação da roda. Ao fixar os imãs de forma
circular no aro de uma bicicleta e posicionando corretamente uma bobina em relação
a eles, é possível conseguir o mesmo resultado obtido nos geradores de grandes
hidrelétricas: Energia elétrica.
4.1 Conversão de energia
Apesar de ser um efeito magnífico, a obtenção de energia elétrica a partir da
interação de imãs e bobinas usando energia mecânica, esse processo resultará em
uma tensão alternada, sendo necessária a conversão da mesma em tensão
contínua, como ocorre na grande maioria dos equipamentos eletrodomésticos e
eletrônicos através das fontes chaveadas, que possuem a função de converter a
tensão AC (Corrente Alternada, em inglês) existente em nossas casas para a tensão
DC (Corrente Contínua, em inglês).
Ao observar o funcionamento dessas fontes de energia elétrica, notamos que
há a necessidade de se transformar a tensão vinda da rede elétrica, pois os circuitos
eletrônicos funcionam com tensões e correntes menores, sendo necessário o uso de
transformadores que irão reduzir a tensão antes de alimentar uma carga. No Ciclo
Carregador isso não se faz necessário, pois a tensão resultante da interação dos
imãs com a bobina será próxima da tensão necessária pra alimentar uma bateria de
3,7 Volts, usada na maioria dos celulares smartphones atuais. Com a necessidade
de se obter uma tensão contínua para a carga final, o próximo passo para a
conversão será a retificação dessa tensão, pois a oscilação deverá ser
completamente eliminada.
4.2 Retificador de tensão
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Existem basicamente três tipos principais de retificadores de tensão, sendo
eles o Retificador de meia onda, Retificador de onda completa de derivação central
(Center-Tap) e o Retificador de onda completa em ponte. Ambos possuem o
princípio de funcionamento semelhante, que é receber o sinal bidirecional oriundo de
uma fonte AC e convertê-lo num sinal unidirecional DC. O componente responsável
por esse fenômeno é o diodo semicondutor, pois graças a seu princípio de
funcionamento, que consiste em conduzir uma corrente somente em um único
sentido, tornou-se possível a manipulação da tensão AC. Tanto o Retificador de
meia onda quanto o Retificador de onda completa Center-Tap se mostraram
ineficientes ao longo do tempo em relação ao Retificador de onda completa em
ponte e por isso praticamente não são usados para este fim.
4.3 Diodo Semicondutor
Como dito anteriormente, o diodo semicondutor é um componente eletrônico
composto de cristal semicondutor de silício ou germânio numa película cristalina
cujas faces opostas são dopadas por diferentes gases durante sua formação. É o
tipo mais simples de componente eletrônico semicondutor, usado como retificador de
corrente elétrica. A polarização do diodo é direta quando o pólo positivo da fonte
geradora entra em contato com o lado do cristal P (chamado de Anodo) e o pólo
negativo da fonte geradora entra em contato com o lado do cristal N (chamado de
Catodo). O fenômeno da condutividade em um só sentido é aproveitado no diodo
como um chaveamento da corrente elétrica para a retificação de sinais senoidais,
portanto, este é o efeito do diodo semicondutor mais usado na eletrônica, pois
permite que a corrente flua entre seus terminais apenas numa direção. Esta
propriedade é utilizada em grande número nos circuitos eletrônicos, principalmente
em pontes retificadoras.
Figura 5 - Princípio básico de funcionamento de um diodo
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4.4 Ponte Retificadora e seu funcionamento
O circuito retificador de onda completa em ponte é mais usado na construção
de fontes retificadoras. O nome „em ponte‟ é devido ao uso de quatro diodos em
uma configuração similar ao circuito usado em instrumentação chamado de “Ponte
de Wheatstone”. No circuito retificador a tensão alternada que chega na ponte é
retificada porque sempre haverá um caminho formado por um par de diodos que
direciona a corrente para o terminal positivo da ponte. Como no Ciclo Carregador
não existe um transformador, já que a geração de energia acontece diretamente no
alternador (o conjunto de imãs e bobinas), tomamos como exemplo um circuito
usando um Transformador somente para fins de compreensão do funcionamento da
Ponte Retificadora.
Quando a tensão no transformador secundário for positiva no ponto „A‟ em
relação ao ponto „B‟, a corrente flui passando pelo diodo D1 da ponte, pois, a
corrente deve seguir o sentido da seta dos diodos. Depois a corrente passa pela
carga RL, volta através do terra para o terminal negativo da ponte e encontra dois
diodos com setas habilitando a corrente a circular, mas, a corrente vai para o
potencial mais baixo que é ponto „B‟ do transformador via diodo D2, seguindo em
direção ao terminal negativo. Na verdade o diodo D1 está inversamente polarizado,
pois o potencial mais alto está no catodo.
Figura 6 - Como ocorre o semiciclo positivo na ponte retificadora.
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Quando a tensão no secundário for positiva no ponto „B‟ em relação ao ponto
„A‟, a corrente flui passando pelo diodo D4 da ponte, pois, a corrente deve seguir o
sentido da seta dos diodos. Depois a corrente passa pela carga RL, volta pelo terra
para o terminal negativo da ponte e encontra dois diodos com setas habilitando a
corrente a circular, mas a corrente vai para o potencial mais baixo que é ponto „A‟ do
transformador via diodo D3, e a corrente segue em direção ao terminal negativo
daquele instante. Na verdade o diodo D2 está inversamente polarizado, pois o
potencial mais alto está no catodo.
Figura 7 - Como ocorre o semiciclo negativo na ponte retificadora.
Observe que na carga a corrente sempre flui do terminal superior para o
terminal inferior, pois o terminal superior é o positivo da fonte. Um retificador em
ponte então é um retificador de onda completa, pois nos dois semiciclos há presença
de energia na carga. A figura abaixo mostra a forma de onda na entrada da ponte,
vinda do gerador e a forma de onda na carga.
Figura 8 - Forma de onda na entrada e na saída do retificador de onda completa em ponte.
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4.5 Filtro Capacitivo
Vimos que a ponte retificadora tem um papel crucial na separação dos
ciclos positivos e negativos da onda senoidal vinda de um transformador ou gerador
alternado, a fim de aproveitar somente os ciclos positivos, pois precisamos ter uma
corrente continua em nossa carga. Porém ao notar o resultado das ondas após
passar pelo retificador, vemos que elas são pulsantes, pois possuem „vales‟ entre os
picos de onda, sendo necessário um componente que possa ajudar a eliminar esses
vales entre as ondas, ou pelo menos diminuir essa queda de tensão entre os picos,
e esse componente é conhecido como Capacitor. Como o capacitor possui outras
aplicações na eletrônica, é chamado de filtro capacitivo quando usado com a
finalidade de atenuar as variações de tensão vindas da ponte retificadora, por
exemplo.
4.5.1 Capacitores ou Condensadores
São elementos elétricos capazes de armazenar carga elétrica, e
consequentemente, energia potencial elétrica. Podem ser esféricos, cilíndricos ou
planos, constituindo-se de dois condutores denominados „armaduras‟, que ao serem
eletrizados num processo de indução total, armazenam cargas elétricas de mesmo
valor absoluto, porém de sinais contrários.
O capacitor tem inúmeras aplicações na eletrônica, podendo servir para
armazenar energia elétrica, carregando-se e descarregando-se muitas vezes por
segundo. Na eletrônica, para pequenas variações da diferença de potencial, o
capacitor pode fornecer ou absorver cargas elétricas, pode ainda gerar campos
elétricos de diferentes intensidades ou muito intensos em pequenos volumes.
Figura 9 - Alguns dos vários tipos de capacitores existentes.
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5. REGULADORES DE TENSÃO 78XX
Os reguladores de tensão na forma de circuitos integrados de três terminais
são quase que obrigatórios em projetos de fontes de alimentação para circuitos de
pequena e média potência. Os tipos da série 7800 que podem fornecer tensões de 5
a 24 volts tipicamente com corrente de 1 ampère são extremamente atraentes para
projetos.
A série de circuitos integrados 78XX onde o XX é substituído por um número
que indica a tensão de saída, consiste em reguladores de tensão positiva com
corrente de até 1 ampère de saída e que são apresentados em invólucro TO-220
conforme mostra a figura 10.
Figura 10 – Involucro do 78XX, segundo sua potência.
Diversos são os fabricantes que possuem os circuitos integrados desta série
em sua linha de produtos e as tensões de saída podem variar sensivelmente de um
para outros. No entanto, os valores básicos para estas tensões, que são dados
pelos dois últimos algarismos do tipo do componente são:
A tensão máxima de entrada para os tipos de 5 a 18 volts é de 35 volts. Para
o tipo de 24 volts a tensão de entrada máxima é de 40 volts. De qualquer modo,
para um bom funcionamento a tensão de entrada deve ser no mínimo 2 volts mais
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alta que a tensão que se deseja na saída. Os circuitos integrados da série 78XX
possuem proteção interna contra curto-circuitos na saída e não necessitam de
qualquer componente externo.
Importante observar que o radiador de calor deve ser dimensionado em
função da diferença que existe entre a tensão de entrada e a tensão de saída, já
que, quanto maior ela for, mais calor o componente deve dissipar.
Na figura 11 temos a aplicação imediata num regulador positivo de 1 ampère
para tensões de 5 a 24 volts com corrente de saída de até 1 ampère.
Figura 11 – Circuito básico para utilização do 78XX.
O capacitor de 330nF desacopla a entrada do estabilizador enquanto que o
de 100nF, que deve ser cerâmico de boa qualidade, tem por finalidade evitar
oscilações em altas frequências e também desacopla a saída.
6. COMO FUNCIONA O CICLO CARREGADOR
O Ciclo carregador utiliza o movimento da roda de uma bicicleta para gerar
energia suficiente para carregar um celular. Abaixo o circuito que será utilizado em
nosso projeto.
Figura 12 – Circuito do carregador.
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Em ambos os lados da roda, no seu aro, será fixado ímãs de neodímio. Em
ambos os lados também haverá uma bobina, quando a roda gira o campo magnético
dos ímãs corta o indutor produzindo assim uma diferença de potencial. Porem a
corrente elétrica gerada é alternada, devendo, por tanto, ser retificada. Isso é feito
utilizando uma ponte de diodos retificadores, como mostra a figura 12. A mesma é
filtrada por C1 e regulada pelo CI7805, que por sua vez estabiliza a tensão na saída.
O capacitor C1 deverá ser de um valor mais elevado para compensar as variações
de tensão geradas pela frequência irregular do movimento das rodas. Neste caso
utilizaremos dois capacitores em paralelo de 4700uF x 16V, para C1 e de 1000uF x
16V para C2.
As bobinas de ambas as rodas serão ligadas em série para um que haja um
ganho de corrente. A figura 13, abaixo mostra um esquema de ligação dos ímãs e
do indutor.
Figura 13 – esquema de ligação dos imãs e indutores.
O circuito retificador estabilizador será instalado no guidão da bicicleta para
um melhor acesso ao conector do cabo USB.
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7. CONCLUSÃO
O projeto ainda se encontra em fase de desenvolvimento, estamos
construindo as bobinas e fazendo teste para um melhor resultado.
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8. BIBLIOGRAFIA
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hidreletrica/ as 20:30 dia 08/04/2017.
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