Introdução à cerca elétrica didática

CAPÍTULO 6- Introdução à cerca elétrica didática
Existem normas e leis que estabelecem critérios para o projeto e instalação de
cercas elétricas construídas com o intuito de proteção de perímetros. Essas
regulamentações são elaboradas com o objetivo de que esses equipamentos não tornemse uma ameaça para a população. A forma como o dispositivo é projetado, construído e
instalado irá determinar se ele terá como função somente proteger os cidadãos ou
também promover perigo para a sociedade.
Um dos objetivos desta Unidade Temática é o estudo da Física que há por trás
do funcionamento das cercas elétricas. Este trabalho não tem o objetivo de defender
esses dispositivos tecnológicos, nem tão pouco criticá-los, assim optou-se pela não
utilização de um aparelho comercial para a exploração dos princípios físicos. Foi então
construído um circuito eletrônico de cerca com finalidade exclusivamente didática, que
por isso foi denominado de cerca elétrica didática.
Embora a cerca elétrica didática não possua todos os recursos que as cercas
comercializadas possuem, ela contempla etapas essenciais para que possamos explorar
as questões técnicas e princípios físicos envolvidos no processo. Mesmo ela não
possuindo fins comerciais buscou-se que as características técnicas da corrente elétrica
denominadas energia/ pulso, duração de pulso e freqüência dos pulsos estivessem de
acordo com a Lei 4591 de 18 de outubro de 2000, vigente no município de Pelotas, e
com a norma internacional IEC 60335-2-76.
As cercas elétricas de forma geral produzem pulsos periódicos de alta tensão que
percorrem a fiação e retornam ao circuito do dispositivo. Esses fios são sustentados por
isoladores que são fixados em hastes geralmente instaladas sobre muros ou grades.
(observe a Figura 71). A cerca elétrica didática não possui fiação. O pulso de alta tensão
é aplicado em um circuito RC, obviamente composto por resistores e capacitores. O
texto a seguir ajudará você a saber sobre as características técnicas da corrente elétrica
na cerca elétrica didática.
FIGURA 71
CERCA ELÉTRICA INSTALADA PARA PROTEÇÃO
DE UM EDIFÍCIO NO CENTRO DE PELOTAS
Desde a geração da energia elétrica nas usinas até os locais onde ocorre o seu
consumo, ocorrem diversos processos de transformação de energia: na própria usina,
nas linhas de alta tensão, nos diversos transformadores, nos fios das ruas e do interior
dos imóveis. É importante compreendermos que continuam acontecendo processos de
transformação, mesmo depois do momento de colocar o plugue da cerca elétrica
didática em uma tomada, que pode ser de 110 V ou 220 V.
Ao ligarmos a cerca elétrica didática na tomada, estamos permitindo o
fornecimento de energia elétrica ao dispositivo. Logo na entrada do equipamento há
uma fonte de alimentação que é responsável por converter a tensão alternada de 110 V
ou 220 V em uma tensão continua de aproximadamente 300 V.
Na Figura 72 a fonte de alimentação é representada por F, o resistor R está
sempre presente e limita o valor da corrente de carga do capacitor C. As trilhas da placa
e os componentes da fonte de alimentação permitem a transmissão da energia elétrica
até o capacitor.
FIGURA 72
CIRCUITO PARCIAL DA CERCA ELÉTRICA DIDÁTICA
No circuito da Figura 72 quando a chave S1 está aberta, a S2 está fechada, e viceversa. Considere que inicialmente a chave S1 esteja fechada e a chave S2 esteja aberta.
FIGURA 73
S1 FECHA E S2 ABRE
Nesse processo dá-se início ao processo de carga do capacitor por meio do
resistor. Conforme já estudado no capítulo 4, no instante inicial, ao fechar a chave, o
capacitor está completamente descarregado e a tensão entre suas armaduras é nula. Com
o passar do tempo, elétrons passam pela fonte de energia vindos da placa conectada ao
pólo positivo da fonte e deslocam-se para a placa do capacitor ligada ao pólo negativo.
Como a carga inicial do capacitor é nula (Q=0), o fluxo inicial de elétrons é
muito intenso fazendo com que a corrente elétrica no circuito seja máxima nos instantes
iniciais. A tensão elétrica que o capacitor apresentará entre suas armaduras aumenta
gradativamente e depende do intervalo de tempo em que o processo de carga ocorre.
Não há fluxo de elétrons entre as armaduras do capacitor visto que nessa região
há um dielétrico (material isolante). Como os elétrons estão saindo da placa conectada
ao pólo positivo, essa torna-se carregada positivamente, enquanto a placa conectada ao
pólo negativo, como está recebendo elétrons, torna-se carregada negativamente.
Durante o processo de carga do capacitor a placa positivamente carregada tornase contrária à liberação de elétrons e a placa negativamente carregada torna-se contrária
à chegada de elétrons devido à repulsão eletrostática, assim há uma redução no fluxo de
elétrons e portanto na corrente elétrica no circuito.
No momento do capacitor carregar-se completamente a diferença de potencial
entregue pela fonte de alimentação e do capacitor são iguais.
Nesse processo há um armazenamento de energia potencial elétrica por parte do
capacitor. O valor da energia potencial elétrica máxima armazenada depende
fundamentalmente do valor da tensão máxima associada a ele e de sua capacitância.
Esse componente fica submetido a uma tensão elétrica de aproximadamente 300 V e
possui a seguinte especificação: 22μF / 450 V.
Calcule a energia potencial elétrica que o capacitor é capaz de armazenar e a
constante de tempo do circuito da Figura 73.
As Leis e normas que regulamentam o assunto estabelecem um limite
máximo de segurança para a energia associada a cada pulso gerado. A Lei municipal
4591 de 18 de outubro de 2000 deixa claro em seu texto que isso é válido para a
instalação de cercas destinadas à proteção de perímetros no município de Pelotas.
Depois de carregar-se completamente ocorre uma mudança no circuito, a chave
S1 que estava fechada, abre, e a chave S2 que estava aberta, fecha. Nesse caso teremos a
descarga do capacitor sobre o primário do transformador de alta tensão, que na realidade
é um indutor.
L
C
FIGURA 74
CIRCUITO LC
Como já foi abordado no capítulo 4, no instante inicial de descarga do capacitor,
nesse caso com a abertura da chave S1 e fechamento da chave S2, começa a haver um
grande fluxo de elétrons deslocando-se da placa negativa para a placa positiva, ou seja,
há uma corrente elétrica máxima no circuito. Isto ocorre porque nos primeiros instantes
as cargas das placas interagem com máxima atração.
No decorrer da descarga do capacitor em virtude da quantidade de elétrons que
se deslocam de uma placa para outra ser cada vez menor, há uma redução gradativa no
fluxo de elétrons. No momento que as placas estiverem completamente descarregadas
não haverá mais deslocamento de elétrons.
A descarga do capacitor sobre o primário do transformador de alta tensão
provoca pelo menos duas conseqüências.
Uma delas é que a energia associada ao pulso é transferida para o secundário.
Lembremos que o transformador transfere energia e potência de uma bobina para outra,
ou seja, do primário para o secundário. Essa transferência é explicada pela Lei de
Faraday. Ao circular uma corrente elétrica pulsante (de intensidade variável) pelo
primário, surge ao redor dos fios um campo magnético variável. A variação desse
campo no decorrer do tempo gera um campo elétrico na região onde está o secundário.
Como esse enrolamento é condutor e corresponde a um circuito fechado surgirá uma
corrente elétrica induzida que o percorre. De acordo com o Princípio da Conservação
da Energia:
Energia total no primário = Energia total no secundário
Desprezando pequenas perdas:
Potência de entrada no transformador = Potência na saída desse elemento.
(tensão elétrica x corrente elétrica)primário = (tensão elétrica x corrente elétrica)secundário
(V x
i ) primário = ( V x i ) secundário
Se formos considerar a situação do transformador de alta tensão em
funcionamento, Vmáx no primário cerca de 300 V e Vmáx no secundário
aproximadamente igual a 8000 V, teremos:
(300 x i maior) primário= (8000 x i menor) secundário
ou seja, a intensidade de corrente elétrica máxima que circula no secundário é
praticamente 26,7 vezes menor do que a intensidade de corrente que circula pelo
primário.
Uma elevação de tensão é compensada por uma diminuição da intensidade de
corrente elétrica, tendo como base obviamente o Princípio da Conservação da Energia.
É importante ressaltar que a diminuição da corrente elétrica é algo importante
para as cercas elétricas. Lembremos que é a corrente elétrica que pode machucar,
provocar queimaduras e até matar, promover um limite para ela é algo que deve ser
buscado em dispositivos de segurança que envolvam choques elétricos. Assim todos
circuitos de cercas elétricas possuem no mínimo um transformador, que é chamado de
“transformador de alta tensão”.
Outra conseqüência da descarga do capacitor sobre o primário de transformador
é a tendência do sistema se comportar como um circuito LC típico.
Em um circuito LC como o da Figura 74 é esperada uma resposta oscilatória. No
início da descarga a energia que o capacitor havia armazenado começa a se transferir
para o primário do transformador. O processo continua até que toda a energia do
capacitor tenha se transferido para o primário desse transformador de alta tensão. Após
esse instante surge uma corrente elétrica com sentido contrário à corrente inicial e parte
da energia que estava no indutor tende a retornar para o capacitor.
No entanto, devido à existência do diodo D (observe a Figura 75) não ocorre a
transferência de energia de volta para o capacitor, sendo essa energia então totalmente
dissipada sobre o indutor. Nesse caso a corrente circula apenas no circuito formado pelo
indutor e o diodo, até a extinção da energia disponível.
T
D
FIGURA 75
Observe então que durante a descarga do capacitor sobre o primário do
transformador, uma parcela de energia é transferida ao secundário e outra dissipa-se
sobre o próprio indutor.
As duas chaves do circuito da Figura 72 não existem na prática. No circuito da
cerca elétrica didática há um só componente que cumpre a função dessas duas chaves.
Esse componente chama-se SCR e pode ser chamado de diodo controlado de silício ou
retificador controlado de silício. O SCR é um dos principais componentes da cerca
didática. Ele entra em condução, dispara, sempre que sua porta é polarizada diretamente
em relação ao catodo (veja mais sobre o funcionamento desse componente no capítulo
5).
Existe na cerca elétrica didática uma etapa chamada Gerador de Pulsos. Ela tem
a função de gerar (aproximadamente) um pulso por segundo com duração de 1 ms. Se
formos considerar o circuito da Figura 72, cada vez que essa etapa produz um pulso
significa que a chave S2 fecha, permitindo que o capacitor descarregue sobre o primário
do transformador elevador de tensão. Se considerarmos o circuito real da cerca
didática, cada vez que o gerador em questão emite um pulso, o SCR dispara, conduz,
promovendo a descarga do capacitor sobre o primário desse transformador.
Nas usinas de energia elétrica, mais especificamente nos geradores, há
transformação de energia cinética de rotação da turbina em energia elétrica. Essa
situação é regulada pelo Princípio da Conservação da Energia e é explicada pela Lei de
Faraday e de Lenz. Essas Leis nos ajudam a explicar o princípio de funcionamento dos
transformadores das linhas de alta tensão, dos transformadores presentes nas fontes de
alimentação dos microcomputadores, além da cerca didática.
Neste texto foram enfocados os processos de transformação e regularidades que
ocorrem depois de ligarmos o plugue da cerca didática na tomada. Assim foram
escolhidas algumas situações importantes para entendermos o princípio de
funcionamento desse circuito. As situações foram carga e descarga de capacitores,
formação de um circuito LC e elevação da tensão pelo transformador de alta tensão.
No capítulo seguinte continuaremos aprofundando o estudo da cerca elétrica
didática também enfocando a relevância dos diodos, LEDs, transistores e SCRs no
funcionamento desse circuito eletrônico. Com o intuito de facilitar o estudo desse
dispositivo tecnológico optamos por dividi-lo em 5 partes que são: Fonte de
alimentação, Circuito de disparo, Transformador elevador de tensão, Gerador de pulsos
e Aplicação do pulso de alta tensão. Observe na Figura 76 a cerca didática que será
enfatizada no capítulo a seguir.
FIGURA 76
CIRCUITO DA CERCA ELÉTRICA DIDÁTICA
Na Figura 77 pode-se observar o diagrama esquemático do circuito da Figura 76
subdividido por etapas.
FIGURA 77
DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO CIRCUITO DA FIGURA 76
Outro circuito que pode representar uma cerca elétrica didática é o da Figura 78,
que pode ser subdividido em 6 etapas:






Fonte de alimentação geral do aparelho;
Fonte de alimentação para a carga do capacitor;
Circuito de disparo;
Transformador elevador de tensão;
Gerador de pulsos;
Aplicação do pulso de alta tensão.
FIGURA 78
DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE OUTRA CERCA ELÉTRICA DIDÁTICA
O circuito da Figura 78 é o que mais se aproxima dos circuitos comerciais de
cercas elétricas, ele possui uma fonte de alimentação, para a carga do capacitor, que é
chaveada e trabalha em alta freqüência (20 kHz). Nesta situação obtemos praticamente
300 V por meio de um sistema inversor dc-dc.
O objetivo é poder alimentar a cerca elétrica a partir da bateria, para que ela
continue funcionando em caso de falta de energia na rede. Além disso essa é uma forma
de termos isolação da rede, porque neste caso a alimentação ocorre a partir de uma fonte
de baixa tensão que funciona com transformador.
Esse novo circuito de cerca elétrica didática tem características semelhantes ao
anterior. Ele também possui um gerador de pulsos que emite (aproximadamente) 1
pulso por segundo com duração de 1 ms. Quando isso ocorre o SCR conduz e o
capacitor que estava carregado descarrega sobre o primário do transformador elevador
de tensão.
Observe na Figura 79 o diagrama parcial da cerca elétrica didática proposta na
Figura 78.
FIGURA 79
DIAGRAMA PARCIAL DA CERCA ELÉTRICA DIDÁTICA
PROPOSTA NA FIGURA 78