Introdução
Circuitos eletrônicos básicos são pequenos grupos de componentes que fazem sempre o mesmo trabalho: dividir uma tensão, transformar corrente alternada em contínua, suavizar, regular, amplificar, comparar, contar tempo, chavear uma carga e proteger o resto da placa. Quase todo equipamento eletrônico, da fonte 24 Vcc do painel ao inversor de frequência, é uma sequência desses blocos.
Se você é eletricista ou trabalha na manutenção, já abriu uma placa e viu só um monte de peças. Para começar a entender, basta reconhecer meia dúzia de padrões que se repetem em quase tudo.
A seguir, cada bloco com um exemplo de chão de fábrica e, no final, o que tem dentro do inversor que aciona o motor da sua linha.
Por que pensar em blocos, e não em componentes
Um resistor sozinho não diz nada. Ele pode estar limitando corrente, dividindo tensão ou ajudando a marcar tempo junto com um capacitor.
Por isso a pergunta certa na bancada não é “que peça é essa?”, e sim “qual é a função desse grupo?”. Responda isso e a placa ganha uma ordem: primeiro a energia é tratada, depois vem a parte que lê e decide, e por último a parte que aciona a carga. É o mesmo raciocínio que você já usa para ler um diagrama de comando: alimentação, comando e potência.
Circuitos que cuidam da energia
Divisor de tensão
São dois resistores em série. No ponto entre eles aparece uma fração da tensão de entrada.
A conta é simples: Vsaída = Vent × R2 / (R1 + R2). Com 12 V na entrada e dois resistores iguais, sobram 6 V no meio.
Muitos microcontroladores aceitam no máximo 3,3 V na entrada analógica; um divisor reduz a tensão que você quer ler até essa faixa. Um potenciômetro ligado na entrada analógica de um inversor também é um divisor, só que ajustável.
O divisor serve para referência e medição. Se você ligar uma carga de consumo alto no ponto do meio, a tensão cai e a conta deixa de valer.
Retificador com ponte de diodos
A rede entrega corrente alternada. A eletrônica precisa de tensão contínua, com polaridade fixa.
A ponte de quatro diodos resolve isso. Em um semiciclo, dois diodos conduzem. No outro, conduzem os outros dois. Para a carga, a corrente sempre chega pelo mesmo lado.
Na saída da ponte a tensão já tem sentido único, mas pulsa: é uma sequência de “lombadas”, todas positivas. Por isso o próximo bloco é quase obrigatório.
Filtro com capacitor
Um eletrolítico de valor alto ligado na saída da ponte carrega no pico de cada pulso e devolve energia quando a tensão cai. A saída fica muito mais lisa.
A pequena ondulação que sobra se chama ripple. Quanto mais corrente a carga puxa, maior o ripple. Quanto maior o capacitor, menor.
Na manutenção, capacitor eletrolítico estufado ou vazando perto da entrada de uma fonte é um dos defeitos mais comuns. A fonte até liga, mas a tensão oscila e o equipamento reinicia sozinho.
Regulador linear e conversor buck
Depois do filtro você tem, por exemplo, 12 V. Só que o chip da placa precisa de 5 V estáveis. Existem dois caminhos.
O regulador linear (o clássico 7805 é o exemplo mais conhecido) segura a saída em 5 V e queima a diferença em calor. Com 12 V na entrada e 1 A de carga, são 7 W virando calor. O rendimento fica perto de 42%. É simples e a saída é limpa, mas esquenta.
O conversor buck liga e desliga a energia milhares de vezes por segundo com um transistor. Um indutor e um capacitor alisam esses pulsos. O controle regula a fração de cada ciclo em que a chave conduz, o chamado duty cycle. Na prática, um buck bem projetado passa de 85% a 90% de rendimento.
O irmão do buck é o conversor boost, que faz o contrário: sobe a tensão. O indutor guarda energia e a devolve somada à tensão da fonte. Não há mágica: a tensão sobe e a corrente disponível na saída cai.
A sua fonte 24 Vcc de trilho DIN é uma fonte chaveada. Ela usa essa mesma ideia de chavear em alta frequência, só que com um transformador pequeno no meio para isolar a rede da saída.
Circuitos que tratam sinais
Amplificador
Um termopar entrega poucos milivolts. Uma célula de carga, menos ainda. Esse sinal é pequeno demais para ser lido direto.
O amplificador usa a própria alimentação para entregar na saída uma cópia maior do sinal de entrada. O sinal pequeno só comanda. Com ganho 10, entram 0,1 V e saem cerca de 1 V, desde que a alimentação permita.
Comparador
Às vezes você não quer saber o valor exato. Quer saber se passou de um limite.
O comparador olha duas tensões: o sinal e uma referência. Se o sinal ficar maior, a saída muda de estado. É assim que um termostato eletrônico liga o ventilador quando a temperatura passa do ponto ajustado.
Na prática, bons comparadores usam histerese: um limite para ligar e outro um pouco abaixo para desligar. Sem isso, a saída fica “batendo” quando o sinal está bem em cima do limite. Se você já viu um contator tremendo por causa de um sensor no limiar, já viu a falta de histerese.
Condicionamento de sinal
Antes de chegar ao conversor analógico-digital (ADC), o sinal do sensor passa por uma preparação: amplifica, filtra ruído, limita tensão e desloca para a faixa certa.
Na automação você conhece o resultado disso pelo nome de transmissor. Ele pega o sinal fraco do sensor e entrega 4 a 20 mA, que viaja bem pelo cabo até o cartão analógico do CLP. Se quiser se aprofundar, veja o nosso artigo sobre sinais de instrumentação analógicos e digitais.
Oscilador e temporizador 555
O oscilador gera pulsos repetidos, o clock, que dão o ritmo a qualquer circuito digital. O temporizador mede quanto tempo esperar. O CI 555 ficou famoso por isso. Um resistor e um capacitor definem o tempo, porque o capacitor carrega aos poucos. No modo monoestável, o tempo fica perto de 1,1 × R × C. Capacitor maior ou resistor maior, tempo maior.
É a mesma lógica do relé temporizador do seu painel, só que dentro de um chip.
Circuitos que acionam cargas
Transistor e MOSFET como chave
O pino de um microcontrolador entrega poucos miliamperes. Não dá para ligar um relé, uma solenoide ou um motor direto nele.
O transistor resolve: um sinal pequeno na base (ou no gate, no caso do MOSFET) libera uma corrente bem maior entre os outros dois terminais.
Você conhece isso muito bem. A saída a transistor de um CLP é exatamente esse circuito. Em carga indutiva, como bobina de relé ou válvula, entra um diodo em paralelo com a bobina, o diodo de roda livre. Ele absorve o pico de tensão que aparece quando a corrente é cortada e protege o transistor. A diferença entre saídas a relé, a transistor e a tiristor está explicada neste artigo sobre saídas digitais no CLP.
Ponte H
Um transistor liga e desliga. Para inverter o sentido de um motor CC, é preciso inverter o sentido da corrente.
A ponte H usa quatro chaves ao redor do motor. Fechando um par na diagonal, a corrente passa da esquerda para a direita. Fechando o outro par, passa ao contrário. Frente e ré sem trocar fio nenhum.
Um cuidado de projeto: as duas chaves do mesmo lado nunca podem fechar juntas. Isso é curto direto na alimentação. Os drivers comerciais têm um pequeno atraso entre desligar uma chave e ligar a outra, justamente para evitar isso.
Chaveando essas chaves rápido, com PWM, você controla também a velocidade.
Circuitos que decidem e circuitos que protegem
Portas lógicas
Com transistores se constroem portas lógicas. A AND só liga a saída quando todas as entradas estão em 1. A OR liga com pelo menos uma. A NOT inverte.
Uma prensa que só desce com a porta de proteção fechada e o bimanual acionado é uma AND. Milhões de portas juntas formam o processador do próprio CLP. Temos um artigo completo sobre portas lógicas e como utilizá-las.
Proteção
É o bloco que ninguém nota até o dia do problema. Fonte ligada errado, polaridade invertida, surto na rede, descarga eletrostática.
Os componentes mais comuns na entrada de uma placa são:
- Fusível, que abre o circuito quando a corrente passa do limite.
- Diodo de proteção contra inversão, que impede a alimentação ao contrário.
- Varistor (MOV) ou diodo TVS, que absorvem picos rápidos de tensão.
- Termistor NTC, que limita a corrente do primeiro instante, quando o capacitor da fonte está descarregado.
Fusível aberto numa placa é sintoma, não causa. Antes de trocar, procure o que fez ele abrir.
O que tem dentro de um inversor de frequência
Agora junte tudo. O inversor que controla o motor da sua esteira é um ótimo exemplo de blocos encadeados.
- Retificador: a rede trifásica passa por uma ponte de seis diodos e vira tensão contínua.
- Barramento CC: capacitores grandes filtram essa tensão. Em rede de 380 V, o barramento fica em torno de 530 Vcc (a tensão de pico, √2 × 380). Mesmo com o inversor desligado, esse capacitor pode guardar carga perigosa por alguns minutos. Respeite o tempo de descarga indicado no manual antes de abrir.
- Ponte de IGBTs: seis chaves eletrônicas, três “meias pontes”, uma por fase. É a ideia da ponte H estendida para três fases.
- Controle: um processador gera o PWM que liga e desliga os IGBTs para montar, na saída, uma tensão de frequência variável.
- Proteção e medição: sensores de corrente, de temperatura e de tensão do barramento alimentam os alarmes de sobrecorrente, sobretemperatura e subtensão que você vê no display.
Quase tudo o que você viu neste artigo está numa única caixa no painel.
Como identificar os blocos numa placa de verdade
Um bom exercício é seguir o caminho da energia, do conector de entrada até a carga, e ir marcando o que encontra. Estes são os sinais mais fáceis de achar:
- Fusível, varistor e diodo logo no conector de entrada: proteção.
- Quatro diodos juntos (ou uma peça única de quatro terminais marcada com ~ e +/-) perto da entrada: retificação.
- Capacitor eletrolítico grande logo depois: filtro.
- Indutor (bobina) junto de um MOSFET, um diodo e capacitores: conversor chaveado.
- CI de oito pinos cercado de resistores: pode ser amplificador, comparador ou um 555.
- Transistor ao lado de um relé ou do borne de uma carga: chave de acionamento.
- Capacitores pequenos colados nos pinos de um chip: desacoplamento, ou seja, filtro local da alimentação daquele chip.
Feito isso algumas vezes, você para de olhar componente por componente. Se a placa não liga, você começa pela proteção e pela fonte. Se liga mas não aciona a carga, vai direto para o transistor de saída. O diagnóstico fica bem mais rápido.
Perguntas frequentes
Quais são os circuitos eletrônicos básicos mais importantes?
Divisor de tensão, retificador, filtro com capacitor, regulador (linear ou chaveado), amplificador, comparador, temporizador, transistor como chave, ponte H, portas lógicas e proteção.
Qual a diferença entre regulador linear e fonte chaveada?
O regulador linear reduz a tensão dissipando a diferença em calor, então é simples, silencioso e esquenta. A fonte chaveada liga e desliga a energia em alta frequência e usa indutor e capacitor para alisar a saída, por isso perde bem menos energia e é a escolha para potências maiores, como a fonte 24 Vcc do painel.
Para que serve a ponte H?
Para inverter o sentido de giro de um motor de corrente contínua sem trocar os fios. Com PWM nas chaves, ela também controla a velocidade.
Eletricista precisa saber eletrônica para trabalhar com automação?
Não precisa projetar placas. Mas entender os blocos básicos ajuda muito no diagnóstico: você entende por que uma saída a transistor queimou, por que uma fonte reinicia sozinha ou o que significa um alarme de subtensão no barramento do inversor.
Por que é perigoso abrir um inversor logo depois de desligar?
Porque os capacitores do barramento CC continuam carregados com centenas de volts por alguns minutos. Espere o tempo indicado pelo fabricante e confirme com o multímetro antes de tocar em qualquer coisa.
Conclusão
Você não precisa virar projetista de placas para tirar proveito disso. Saber que a fonte do painel tem retificador, filtro e chaveamento, que a saída do CLP é um transistor com diodo de proteção e que o inversor guarda centenas de volts no barramento já muda o jeito como você testa, mede e troca peças.
Comece pelos blocos de energia, que são os que mais dão defeito, e depois avance para os de sinal e acionamento. Para continuar, vale ler também o nosso guia de comandos elétricos: conceitos e aplicações.
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