Sistema de Carga Automotiva – Sempre Presente e com Necessidade Frequente

O sistema de alimentação deve ser capaz para atender a essas demandas continuamente, sob todas as condições operacionais, e ainda permitir uma “carga rápida” da Bateria ou acumulador de cargas.

Introdução

O principal componente do sistema de alimentação é o Alternador, ou simplesmente um Gerador de Energia Elétrica através da energia cinética empregada no mesmo (rotação). Qualquer sistema de geração de energia elétrica rotativo gera tensão alternada, ou AC, entretanto o veículo requer Tensão Contínua, ou DC, já que somente tal sistema de alimentação é capaz de manter uma Bateria carregada, além do fato que circuitos eletrônicos automotivos apresentam eficiência somente sob corrente contínua. 

Dessa forma, a tensão entregue ao sistema deve ser constante e contínua, independente da rotação e condições climáticas. Em resumo, um Alternador de forma geral deve:

 • Suprir as demandas das cargas durante o funcionamento do veículo;

• Fornecer corrente necessária para recarregar a Bateria do Veículo;

• Manter a eficiência, mesmo em marcha lenta;

• Manter o fornecimento de energia constante;

• Possuir total eficiência em relação a fatores como potência entregue ao sistema e mantenimento do torque;

• Oferecer confiabilidade de operação e baixo ruído;

• Manter um bom funcionamento mesmo em condições adversas;

• Oferecer informações confiáveis ao sistema.

Demanda de Potência Elétrica Veicular

O sistema de carregamento de um veículo moderno tem de estar apto a lidar com altas demandas e sob condições variadas, seja de forma contínua, prolongada e intermitente. 

As cargas intermitentes são utilizadas com pouca frequência, assim como consumidores de energia intermitentes, ainda mais considerando-se que vidros traseiros aquecidos e aquecedores de assento, atualmente, são equipados com um relé temporizador. Cargas prolongadas constituem-se de sistemas de Ar-Condicionado, por exemplo, já que seu funcionamento é condicionado às condições ambientes, que dificilmente modificam-se com frequência. Em relação às cargas constantes, podemos citar Bombas de Combustível convencionais, cujo funcionamento do veículo depende exclusivamente de tais elementos. Portanto a demanda dos consumidores no alternador é a soma das cargas constantes, as cargas prolongadas e as cargas intermitentes.

Fig. 02 - Distribuição de Potência Veicular
As exigências sobre o sistema de carga são extensas. Um sistema de recarga, além de ser responsável por manter todo sistema embarcado em operação durante o funcionamento do veículo, também se encarrega de manter uma tensão superior ao valor nominal da bateria, a fim de carregá-la constantemente e em tempo hábil, para tornar possível a partida do motor entre curtos espaços de tempo. 

Sistema de Carga Ideal

Devemos considerar três fatores preponderantes: o alternador, a bateria e as cargas a serem alimentadas. Quando a tensão do alternador é menor do que a bateria (queda de tensão acentuada, sistema de regulagem ineficaz), a direção do fluxo de corrente ocorre diretamente da bateria para o sistema a ser alimentado. A circulação de corrente da bateria em direção ao alternador indica problemas em componentes retificadores e reguladores do mesmo. Quando a tensão no polo do alternador é maior do que a tensão no polo positivo da bateria, a condição é considerada adequada, já que a corrente está fluindo do alternador com maior potencial ao polo da bateria, de menor potencial.

Em condições normais, havendo equalização entre as tensões do alternador e bateria, a diferença de potencial cai praticamente a zero, entretanto não pode haver risco de sobreaquecimento, principalmente da bateria, e tal condição somente é possível quando o sistema de carga possui tensão constante.

Entretanto é aceitável que a tensão no alternador se mantenha ligeiramente superior à tensão da bateria. Afinal de contas, é normal haver uma pequena queda de tensão no cabo que faz a ligação entre ambos os pinos.

Alternadores – Princípios de Geração de Energia

O princípio básico de um Alternador Automotivo requer um certo nível de conhecimento em Eletromagnetismo, uma ciência originada de fenômenos Elétricos e Magnéticos. O alternador se baseia no princípio de indução eletromagnética para gerar energia elétrica através de energia mecânica.

Imagine um condutor móvel com um campo magnético em rotação. Se as extremidades do conector estão conectadas a um voltímetro, será possível verificar que a voltagem tomará uma forma alternada, devida à variação da posição da espira em relação aos polos. Se a rotação desta espira é constante, a curva de tensão por posição (ângulo de rotação) da espira será senoidal.

Fig. 03 - Tensão variável induzida devido rotação do rotor
No caso dos alternadores, o campo magnético citado anteriormente é gerado por eletroímãs fixados no estator ou carcaça do equipamento. No caso de uma bobina, constituída de enrolamento de fios, a força do campo magnético gerado pelos eletroímãs depende do número de espiras e magnitude da corrente que flui através da mesma. Este campo magnético pode evoluir com o uso de núcleos de ferros magnetizáveis.

O uso destes princípios no alternador leva ao fato de que se pode aumentar ou reduzir a intensidade do campo magnético e, desta forma, aumentar ou reduzir a voltagem induzida.

Para que tudo isso ocorra é necessária uma corrente de excitação, e esta pode ser originada de uma fonte externa como a própria bateria do veículo, de uma unidade de gerenciamento ou pelo próprio circuito elétrico do gerador.

No alternador há três arranjos de bobinas idênticas, dispostas a 120° uma da outra e fixadas nas ranhuras do rotor. De acordo com o princípio da indução eletromagnética, à medida que o eixo gira, as espiras pertencentes às bobinas “cortam” as linhas de fluxo entre os polos magnéticos fixados no estator. Dessa forma, com a variação do fluxo magnético surgem tensões induzidas, alternadas, de mesma frequência e magnitude, porém em momentos diferentes, mas entre períodos iguais, determinados pela rotação do conjunto. Temos, então, uma tensão alternada trifásica.

Nos alternadores dos automóveis, é mais vantajoso alojar os polos magnéticos na parte estacionária do equipamento (estator). Os enrolamentos, que são atravessados pela corrente de excitação, ficam na parte girante do equipamento, ou rotor. A corrente de excitação pode ser contínua ou pulsante, que induz uma tensão na armadura do rotor, que por sua vez, é conduzida ao circuito externo através de Escovas de Contato deslizantes sobre dois anéis condutores.

Fig. 03A - Tensões geradas pelo Alternador
As características de saída da tensão diferem para alternadores ligados em estrela e triângulo. Resumindo, uma ligação em estrela é uma espécie de ligação na qual as três fases têm uma de suas extremidades interligadas por um ponto central, e sua tensão gerada possui maior magnitude. Por sua vez em uma ligação em triângulo, ou delta, as fases são interligadas uma à outra, resultando em um circuito fechado, cuja vantagem é apresentar uma corrente de maior magnitude. 

Fig. 04 - Soma das Tensões geradas pelo Alternador, ou Tensão Trifásica
A maioria dos alternadores para veículos usam os enrolamentos ligados em estrela, devido à possibilidade de gerar maior tensão, entretanto quando em situações de consumo demasiadamente elevado, e necessidade de recargas mais rápidas, enrolamentos em triângulo, ou delta, são preferíveis devido ao alto fornecimento de corrente. 


Fig. 05 – Ligações Trifásicas em Estrela e Triângulo
Retificação de AC para DC

A corrente alternada, gerada pelo alternador, tem a desvantagem de não poder ser armazenada na bateria, e também não é adequada para alimentar os componentes elétricos e eletrônicos do veículo. Isso pode ser claramente explicado pelo conceito que a tensão aproveitada pelo sistema é a média entre os níveis máximos e mínimos. Uma tensão senoidal possui ciclos positivos e negativos, com mesmo tempo de duração, dessa forma seu valor médio resume-se a um valor próximo de Zero Volt, inútil para um sistema embarcado automotivo.

Dessa forma, alguns processos são necessários para tornar a tensão gerada útil ao veículo com tecnologia atual. 

O primeiro passo é retificar a tensão gerada, utilizando-se Diodos Retificadores específicos. O diodo retificador permite que a corrente convencional circule somente em um sentido, ou seja, a corrente circulante refere-se somente ao ciclo positivo. O ciclo de tensão negativo é eliminado, já que neste sentido o diodo comporta-se como circuito aberto. O resultado é uma corrente pulsante, somente com ciclos positivos.

Fig. 06 – Resultante de Retificação da Tensão Trifásica
O resultado da retificação é a soma das amplitudes positivas da corrente trifásica. Esta soma gera uma corrente de aparência contínua. Para minimizar as oscilações chamadas de Ripple, utilizam-se Capacitores adequados, a fim de estabilizar ao máximo a tensão resultante.

Circuito de Excitação

Quando a ignição é acionada, surge uma corrente que flui da bateria, através da lâmpada de advertência, para a armadura do rotor, e desta para o aterramento, através de um regulador interno. Nos alternadores com regulador montado externamente, a corrente flui primeiramente através do regulador e, depois disto, ela alimenta a armadura.

Desta maneira, a corrente que vem da bateria, primeiramente, excita o alternador. Isso é necessário, pois nos alternadores normais o magnetismo residual no núcleo de ferro não é suficiente, no instante de partida, para iniciar a geração de tensão. 

No circuito de excitação há um diodo de excitação e um diodo de potência em série para cada uma das fases. Portanto, a excitação somente surte efeito depois que o alternador consegue gerar uma voltagem maior que a queda de tensão nos dois diodos, ou seja, algo em torno de 1,4 V.

A lâmpada de advertência, presente no painel, age como um resistor quando a ignição é acionada. Quando o motor começa a girar, a tensão positiva gerada, que causa o desligamento da lâmpada no painel, é a mesma que proporciona a passagem de corrente pela ponte retificadora e dá início à geração de tensão alternada mínima para funcionamento do sistema. 

A fim de retificar uma onda completa, seis diodos são necessários. Esses são ligados sob a forma de uma ponte, que consiste de três diodos positivos e três diodos negativos. 

Regulador de Tensão

Um gerador de energia tem sua amplitude e frequência variada conforme a rotação imposta a ele. Um circuito retificador tem por finalidade converter a tensão alternada em contínua, entretanto a tensão gerada pode variar de acordo com a aceleração do motor. 

Sabendo-se que os sistemas embarcados são alimentados com tensões de até 14 V, além do que uma bateria deve ser recarregada com tensão constante e dentro de uma faixa aceitável, surge a necessidade de um sistema apto a manter tal regularidade. Tais fatores justificam a existência de um regulador de tensão, cujo objetivo é manter constante a tensão gerada para todos os campos de velocidades de operação do motor do carro. 

Fig. 08 – Tensão Trifásica devidamente retificada e submetida a processo de regulagem

Trata-se de um circuito eletrônico complexo, já que vários fatores influenciam em seu comportamento, como por exemplo a rotação do veículo que muda constantemente, a demanda de carga que pode variar, susceptibilidade a sobrecargas, além das condições climáticas que tendem a variar as características condutivas e também eletroquímicas da bateria. 

Novas Tendências Mesmos Princípios

O alternador sempre foi e será um gerador de energia elétrica através da energia cinética, e seus princípios de funcionamento tratam-se de postulados imutáveis, inclusive diante de uma evolução eletrônica alavancada pela crescente demanda de energia elétrica dos veículos. Mesmo assim as montadoras aprimoram suas capacidades de carga, e os tornam mais inteligentes e eficazes.

Atualmente, a Central de Injeção Eletrônica participa do gerenciamento da regulagem de tensão, tornando o sistema mais econômico e eficiente. Isso pelo fato de minimizar a Força Contraeletromotriz e permitir que o motor funcione com menor torque, diante de cargas reduzidas.

Ou seja, com o “peso” do alternador sendo aliviado diante de falta de demanda, a Central pode diminuir a quantidade de combustível injetada no motor, reduzindo o consumo instantâneo de combustível, além das emissões de poluentes.

Inclusive, vale dizer que a lâmpada piloto do painel passa a ser comandada pela ECU, e funciona somente quando existe necessidade. Uma série de novas tecnologias aplicadas a um sistema cujo “Motor por Detrás” permanece sendo o “Eficiente e Antigo” Eletromagnetismo.

Fonte: Oficina Brasil. Por: Leandro Almendro Zamaro.

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