Um resistor de derivação, ou shunt, é um componente fundamental utilizado em circuitos elétricos para medir correntes, sejam elas altas ou baixas, de forma precisa. Ele é conectado em série com a carga, permitindo que a corrente passe por ele.
A partir da tensão gerada no resistor e aplicando a Lei de Ohm, é possível determinar o valor da corrente elétrica. Essa técnica é amplamente empregada em sistemas de instrumentação e monitoramento, oferecendo uma solução confiável tanto para aplicações industriais quanto para dispositivos de medição sensíveis.
Medir a corrente em circuitos de corrente contínua (CC) pode ser desafiador e, em algumas situações, perigoso. Isso ocorre porque a medição direta geralmente exige que o medidor seja inserido em série com o circuito, expondo o operador e o equipamento a altas correntes que podem causar danos ou representar um risco de segurança.
O que é um resistor de derivação?
Um resistor de derivação, ou shunt, é um componente resistivo projetado para criar um caminho de baixa resistência em circuitos de corrente contínua (CC). Ele é utilizado para desviar a corrente de um ponto a outro, permitindo a medição indireta de altas correntes com segurança e precisão.
Na prática, shunts são essenciais em instalações industriais, como usinas de energia, onde a medição direta de altas correntes é inviável devido a limitações de segurança ou robustez dos dispositivos de medição, como painéis analógicos ou digitais. O shunt é instalado em série com o circuito, e a pequena queda de tensão gerada em seus terminais, proporcional à corrente que o atravessa, é medida por um voltímetro ou sistema de aquisição de dados. Essa tensão, conforme a lei de Ohm (V = I × R), é então convertida no valor correspondente de corrente.
Para engenheiros e técnicos de instrumentação que trabalham com aquisição de dados em plantas industriais, uma questão frequente é como medir altas correntes de forma segura e eficiente em diferentes tipos de circuitos. Em sistemas de corrente alternada (CA), essa medição é realizada com o uso de transformadores de corrente (TC), que permitem a medição de altas amperagens isolando o circuito de alta tensão. Em circuitos de corrente contínua (CC), no entanto, os shunts desempenham um papel equivalente, sendo amplamente utilizados para medir correntes em aplicações como a saída de retificadores, carga e descarga de baterias, e outros sistemas de alta potência.
Descrição de um Shunt e sua Estrutura
Conforme ilustrado na Figura 2, um shunt consiste em dois condutores principais, geralmente feitos de materiais de alta condutividade elétrica, como latão ou cobre, conectados por uma tira de manganês. O manganês é utilizado devido à sua baixa resistência e estabilidade térmica, características que garantem precisão na medição da corrente, mesmo em condições de operação variáveis.
O shunt é projetado com dois terminais principais de maior dimensão e dois terminais auxiliares menores. Os terminais grandes são conectados diretamente ao circuito elétrico, permitindo que a corrente total passe pelas tiras de manganês entre esses terminais. Esse fluxo de corrente gera uma pequena queda de tensão proporcional à intensidade da corrente.
Os terminais menores, localizados ao longo da tira de manganês, são usados para medir essa queda de tensão. Como a resistência do shunt é cuidadosamente calibrada e conhecida, é possível calcular a corrente que atravessa o shunt usando a lei de Ohm (V = I × R). Essa configuração permite que o shunt funcione como um sensor confiável, convertendo uma corrente elevada em uma tensão baixa e segura que pode ser medida por dispositivos analógicos ou digitais.
Calibração e Funcionamento de um Shunt
Quando fabricado, o shunt é projetado e calibrado para operar como um dispositivo de medição precisa da corrente elétrica. Ele é configurado para permitir que a corrente do circuito flua através de sua estrutura, e sua resistência é cuidadosamente ajustada e documentada. Essa calibração assegura que a relação entre a corrente que passa pelo shunt e a queda de tensão gerada seja exata e confiável.
A medição da corrente é realizada por meio da leitura da diferença de potencial (tensão) entre dois pontos de medição designados, frequentemente identificados como pontos A e B na estrutura do shunt. Com base na Lei de Ohm (V = I × R), a corrente que atravessa o shunt pode ser calculada utilizando a tensão medida e o valor de resistência conhecido e constante do shunt. Esse processo é ilustrado na Figura 3, que destaca a configuração típica de medição.
Por ser fabricado com materiais de alta precisão e por passar por rigorosos processos de calibração, o shunt garante que os valores de corrente obtidos sejam extremamente confiáveis, tornando-o uma escolha essencial em aplicações que exigem medições de corrente em circuitos CC.
Classificação e Uso de Shunts em Medição de Corrente
A classificação de um shunt é geralmente especificada na lateral do dispositivo ou na face de um medidor associado, indicando valores como 100 A / 75 mV. Nesse caso, 100 amperes representa a corrente máxima que o shunt pode suportar, enquanto 75 mV é a tensão gerada entre os pequenos terminais do shunt quando a corrente nominal (100 A) passa por ele.
Ao utilizar um medidor analógico ou digital dedicado, é fundamental que ele seja calibrado para a mesma especificação do shunt (neste exemplo, 100 A / 75 mV). Essa compatibilidade garante que as leituras de corrente exibidas sejam precisas, já que o medidor interpreta a tensão gerada pelo shunt para calcular a corrente.
Características e Construção do Shunt
Os shunts estão disponíveis em diversos formatos e tamanhos, com uma resistência extremamente baixa. Essa resistência não afeta significativamente o fluxo de corrente no circuito, pois a queda de tensão no shunt é pequena em comparação com a tensão de carga. Essa característica permite que ele seja usado para medir altas correntes sem impactar o desempenho do sistema.
Embora seja possível improvisar um shunt com materiais condutivos, como fios de cobre ou resistores comuns, isso não é recomendado devido à dificuldade de garantir a precisão necessária. Um multímetro convencional pode medir resistências abaixo de 1 ohm, mas não é adequado para as baixíssimas resistências de um shunt, tornando o uso de dispositivos calibrados essencial.
Importância da Resistência Baixa e Dissipação Térmica
A resistência muito baixa do shunt permite que ele suporte grandes correntes, mas isso também resulta em geração de calor. Portanto, a escolha de um shunt com a classificação correta é crucial para evitar superaquecimento e garantir a durabilidade do dispositivo em operação contínua.
Conexão do Shunt a Amperímetros e Voltímetros
Os shunts são componentes fundamentais em sistemas de medição, permitindo a quantificação de correntes momentâneas em usinas geradoras e redes elétricas. Amperímetros utilizam shunts para medir corrente, enquanto voltímetros utilizam resistores em série para medir tensão. O princípio de operação de ambos os dispositivos é similar: cada um converte uma grandeza elétrica em uma deflexão de escala visível no medidor.
Por exemplo, considere um amperímetro projetado para medir correntes de até 100 A com um shunt de 100 A / 50 mV. Nesse caso, o shunt é calibrado para produzir exatamente 50 mV de queda de tensão nos terminais quando uma corrente de 100 A o atravessa. Essa tensão é interpretada pelo amperímetro, que converte a leitura em uma escala de 0 a 100 A.
A Figura 3 ilustra os princípios básicos de funcionamento, mostrando um amperímetro e um voltímetro conectados em um circuito. Ambos os dispositivos usam mecanismos de operação similares, mas adaptados para medir diferentes grandezas elétricas.
Montagem de Shunts e Resistores em Instrumentos de Medição
Para correntes abaixo de 50 ou 60 amperes, o shunt do amperímetro pode ser integrado diretamente ao gabinete do instrumento, tornando a instalação mais compacta. No entanto, em correntes mais altas, o aumento do tamanho físico do shunt e o calor gerado durante a operação tornam necessário montar o shunt externamente ao instrumento. Essa abordagem reduz os riscos de aquecimento excessivo e facilita a dissipação térmica.
De forma similar, os voltímetros usados em quadros de distribuição para tensões até 300 volts normalmente possuem o resistor de medição montado dentro do gabinete do instrumento. Para tensões acima desse valor, é comum adicionar um resistor externo conectado em série com a resistência interna do voltímetro. Essa configuração garante que o mecanismo de operação e os componentes internos do instrumento estejam protegidos contra danos causados por tensões elevadas.
Importância das Conexões no Desempenho de Instrumentos
Um ponto crítico no projeto de instrumentos é a resistência das conexões entre os shunts, os resistores e o mecanismo de operação. Essa resistência adicional pode afetar a precisão das leituras e, por isso, deve ser cuidadosamente considerada e minimizada durante o projeto e a instalação
Aplicações de Shunts na Conversão de Corrente em Tensão para Sistemas ADC e PLC
Os shunts desempenham um papel importante na conversão de corrente em tensão para sistemas de controle e aquisição de dados, como Controladores Lógicos Programáveis (PLCs) e Conversores Analógico-Digitais (ADCs). Essa funcionalidade é essencial em diversas aplicações industriais, especialmente:
- Carregamento e descarregamento de baterias: Monitoramento da corrente para otimizar a vida útil e a eficiência das baterias.
- Circuitos de excitação de motores e geradores: Controle de corrente para manter a operação segura e estável dos equipamentos.
Os shunts podem ser integrados a medidores de painel analógicos, medidores digitais e sistemas automatizados, oferecendo alta flexibilidade de aplicação. Por sua confiabilidade e precisão, eles são amplamente utilizados em ambientes industriais onde a medição precisa de corrente contínua é essencial.
Amplificação e Conversão do Sinal do Shunt
Na análise da folha de dados do dispositivo (Figura 5), observa-se que a saída do shunt é um sinal de tensão de 0 a 100 mV. Devido à baixa amplitude deste sinal, é necessário amplificá-lo para que possa ser utilizado de forma eficaz em sistemas de controle e monitoramento industriais. Para isso, utiliza-se um transdutor de tensão CC, projetado para operar dentro da faixa de entrada de 0-100 mV.
O transdutor converte o sinal de tensão em um sinal de corrente padrão da indústria, geralmente na faixa de 4-20 mA, utilizando uma relação linear. Essa conversão pode ser descrita matematicamente da seguinte forma:
Onde:
Iout: Corrente de saída do transdutor (em mA).
Imáx: Corrente máxima do transdutor, tipicamente 20 mA.
Imın: Corrente mínima do transdutor, tipicamente 4 mA.
Vmax: Tensão máxima de entrada, no caso 100 mV.
Vmın: Tensão mínima de entrada, no caso 0 mV.
Vin: Tensão de entrada medida pelo shunt (em mV).
Exemplo de Cálculo
Se o shunt medir uma tensão de 50 mV, a corrente de saída será:
Portanto, a saída do transdutor será 12 mA quando o shunt medir uma tensão de 50 mV.
Integração com Sistemas Industriais
O sinal de 4-20 mA gerado pelo transdutor é enviado para dispositivos como PLCs (Programmable Logic Controllers) ou RTUs (Remote Terminal Units). O controlador realiza a conversão analógico-digital (ADC), interpretando o sinal para monitoramento e controle. Esse método garante a transmissão confiável e precisa dos dados.
Benefícios dos Resistores de Derivação
Os resistores de derivação (shunts) oferecem diversas vantagens, especialmente em aplicações de alta corrente, como no monitoramento de correntes em motores elétricos e sistemas de carga. Abaixo estão alguns dos benefícios detalhados:
- Facilidade de Medição de Corrente:
A queda de tensão em um shunt é diretamente proporcional à corrente que passa por ele, de acordo com a Lei de Ohm (I=V/RI = V / RI=V/R). Isso facilita a medição precisa da corrente sem a necessidade de equipamentos mais complexos. - Versatilidade e Disponibilidade:
Shunts são pequenos, leves, acessíveis e disponíveis em uma ampla variedade de formas, tamanhos e classificações. Essa diversidade permite a escolha do dispositivo mais adequado para aplicações específicas. - Monitoramento de Bancos de Baterias:
São amplamente utilizados para monitorar o carregamento e descarregamento de baterias em sistemas de backup de energia, fornecendo leituras precisas da corrente em tempo real. - Eficiência Econômica:
O uso de shunts elimina a necessidade de fios de grande diâmetro, que são caros e volumosos. Pequenos terminais de derivação permitem a medição da corrente com fios de bitola menor, reduzindo custos e facilitando a instalação. - Baixa Geração de Calor:
Apesar de lidar com correntes elevadas, como 50 A ou 100 A, shunts de boa qualidade são projetados para minimizar a geração de calor, contribuindo para maior eficiência e segurança operacional. - Proteção e Isolamento:
Shunts ajudam a proteger os circuitos contra curtos-circuitos e sobrecargas. Eles também proporcionam isolamento elétrico entre o circuito principal e o dispositivo de medição, aumentando a segurança do sistema. - Alta Precisão de Medição:
Por terem uma resistência conhecida e cuidadosamente calibrada, shunts oferecem medições de corrente com alta precisão, atendendo aos padrões de monitoramento industrial e científico. - Compatibilidade com Medidores de Painel:
Shunts são usados comumente em medidores de painel analógicos e digitais para exibir leituras de corrente de forma prática e visual, sendo indispensáveis em aplicações como medidores de energia elétrica.
Instrumentação Automação como Identificar falhas loop de 4-20 mA – Dicas de Instrumentação