Detalhes sobre chaves: tipos, funções, construção, materiais, problemas e muito mais!

Após ler esta primeira parte do artigo você será capaz de entender vários conceitos sobre chaves utilizadas em eletrônica e elétrica.

Verá problemas envolvidos após algum tempo de funcionamento e como utilizar alguns materiais para contornar falhas de contato.

Quanto pensamos em chaves, em geral só lembramos das funções básicas: abrir ou fechar contatos. Aqui neste artigo você verá que tem muito mais a considerar.

Sabemos que elétrica e eletrônica são muito próximas em várias aplicações e áreas, como a Mecatrônica.

Mas o objetivo não é esgotar o assunto, até porque a quantidade delas é enorme, para as mais variadas aplicações.

Serão vários temas, como tipos de chaves, resistência dos contatos, alguns problemas que podem ocorrer em função do tipo de material e do tempo de uso.

Para muita gente por aí basta saber que chave abre e fecha circuitos, mas pode mostrá-las que não é nada disso. É só compartilhar este artigo! Clique nos links seguintes:

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Introdução

visão frontal e traseira das chaves

Chaves são dispositivos também conhecidos pelo nome genérico “seccionadores de circuitos”. Podem ter 2 estados possíveis durante o funcionamento do circuito:

  • Circuito fechado – A corrente é estabelecida pela apresentação de uma resistência desprezível (curto-circuito).
  • Circuito aberto – A corrente elétrica é bloqueada pelo estabelecimento de uma corrente praticamente infinita.

Os seccionadores de circuitos são divididos em duas grupos:

  • De chaveamento – São chaves (“switches”) com a finalidade de ligar, desligar ou comutar conexões de um circuito elétrico.
  • De proteção – São os disjuntores e fusíveis. Ficam normalmente fechados em condições normais de funcionamento do circuito. Abrem seu contatos quando no circuito ocorre um curto-circuito ou sobrecarga, para proteção. Vou abordar este item em outro artigo.

Divisão das chaves quanto às suas funções

funções das chaves

  • Chaves separadoras – Tem a função de separar um trecho para manutenção. Usadas normalmente como “chave-geral” em indústrias. Elas podem conduzir correntes elevadas, mas são usadas para interromper correntes muito menores, por facilidades técnicas e de custo. Devem ser desligadas com o desenergizado ou sob pouca carga, o que pode ser conseguido com várias chaves interruptoras secundárias.
  • Chaves interruptoras (ou interruptores) – São aquelas que tem a função básica de interromper um trecho de circuito, podendo ser ligadas ou desligadas na sua corrente nominal de trabalho.

Dentre estas duas, as que se destacam são as que controlam a aplicação de energia de uma fonte para uma determinada carga. Exemplo: acender ou apagar uma lâmpada.

  • Chaves comutadoras – São aquelas que permitem selecionar uma dentre várias seções de um circuito ou aparelho. Exemplo: seletor de entradas numa aparelhagem de som, que seleciona um ou vários dispositivos. Este seletor é do tipo “chave eletrônica”.

Classificação das chaves quanto à construção

Chaves mecânicas

chaves mecânicas
Crédito: http://www.ifm.com/ifmbr/web/news/pnews_972etq.html

São acionadas manualmente. O contato é fechado pela junção mecânica de dois condutores que se encontravam separados. Assim, estão sujeitas a falhas devido ao desgaste, sujeira e oxidação dos terminais de contato.

Chaves eletromecânicas

chaves eletromecânicas
Crédito: http://www.balluff.com/balluff/MBR/pt/products/overview-mechanical-sensors.jsp

Possuem contatos mecânicos, mas seu acionamento não é manual, mas sim pela ação de um campo magnético ou pela ação do calor. Os relés representam estes tipos de chaves.

Chaves eletrônicas

chaves eletrônicas

Baseadas em componentes ou circuitos eletrônicos que passam rapidamente de um estado de condução para um estado de não condução, sem a utilização de contatos ou partes mecânicas.

Outra aplicação das chaves eletrônicas é o circuito digital. A escolha de dois estados, ligado ou desligado, é a base de funcionamento dos circuitos lógicos dos computadores.

Inicialmente tais dispositivos baseavam-se em relés eletromecânicos, sendo bastante lentos. Posteriormente passou-se a utilizar válvulas e depois transistores que operavam em dois estados extremos: condução e não condução.

Atualmente estes dispositivos de chaveamento são integrados, sendo bastante compactos e rápidos.

Resistência de contato das chaves

O contato elétrico permite a circulação dos elétrons de uma parte para outra das superfícies contatadas, oferecendo uma mínima resistência à sua passagem.

Temos também a resistência mecânica dos contatos, responsável por fazer a durabilidade dos contatos ser a mais longa possível.

O contato entre as duas superfícies nunca é perfeito, porque por mais lisa que duas superfícies possam parecer, elas sempre apresentam rugosidades microscópicas que fazem as superfícies se tocarem em poucos pontos.

Essas imperfeições produzem o efeito conhecido por resistência de contato, que produz calor e perda de energia quando uma corrente circula entre os dois contatos.

O que influencia a resistência de contato

A resistência de contato é influenciada pela:

  • Força mecânica aplicada;
  • Forma da superfície;
  • Sua condição em termos de contaminação da superfície, como a oxidação.

A camada de óxido e de outros compostos surge pela reação do material com elementos contaminantes presentes na atmosfera.

Esta película (camada) é semi-isolante e deve ser eliminada dos pontos convenientes para termos um melhor contato.

A eficiência dos contatos é afetada principalmente pelas condições de funcionamento sob temperaturas elevadas, que favorecem a sujeira dos contatos.

Alguns problemas com a resistência

Os problemas relacionados à resistência de contato devem ser cuidados em qualquer dispositivo que apresente superfície de contato, e não apenas interruptores:

  • Cursores de potenciômetros;
  • Pontos de ligação com solda;
  • Conectores;
  • E outro…

A “solda fria” e maus contatos elétricos, em geral, produzem ruídos, sobreaquecimentos e defeitos intermitentes em muitos aparelhos.

“Solda fria” é a solda mal escorrida e sem brilho, de má rigidez mecânica e mau contato elétrico.

limpar contatos de chaves com spray

No caso das chaves rotativas, o problema da sujeira pode ser amenizado ao girar o botão de controle por algumas vezes. Uma solução mais adequada e definitiva é limpar os contatos com uma solução especial (existem “sprays” feitos para isso).

Líquidos inflamáveis nunca devem ser usados. Esses produtos podem resolver o problema aparentemente, mas dão origem a defeitos mais graves no futuro. Crédito da imagem: http://www.laercio.com.br/eliminando-maus-contatos/

Como melhorar o contato das chaves

Para melhorar as propriedades mecânicas do cobre para fins de contato, podemos combinar o cobre com outros metais, formando uma liga.

Geralmente, essas ligas à base de cobre possuem uma condutividade elétrica reduzida. Porém, são melhores as propriedades de rigidez e resistência à formação de partículas superficiais.

Para melhorar o resultado, pode-se utilizar metais preciosos puros em ligas ou apenas condutores comuns banhados com estes metais (é comum usar ouro ou prata).

chaves banhadas a ouro

Quando comparado com a prata, o ouro aumenta a rigidez e o ponto de fusão, o que reduz a tendência à oxidação.

Outro problema nos contatos elétricos é a formação de arco ou descarga elétrica entre as duas regiões de contato. Isso ocorre em função da ionização do ar quando o circuito elétrico é interrompido.

A corrente, a tensão, os indutores presentes e o tempo de abertura do contato exercem muita influência nesta situação.

Esse arco causa uma fusão local do contato e uma transferência de matéria entre partes do contato (erosão do material).

Ao exceder os limites de tensão e corrente dados pelo fabricante, ocorre uma diminuição da vida útil das chaves. Além disso pode ser muito perigoso para o operador, já que ocorre queima e deterioração da isolação das chaves.

Geralmente as chaves apesentam vários limites de corrente e tensão. Para altas correntes, os contatos são maiores e usualmente operam com outro dispositivo para reduzir ao mínimo o arco destrutivo.

Ação das chaves

Chaves de contato momentâneo

chaves de contato momentâneo

Retornam à mesma posição quando liberadas pelo operador. Os contatos do tipo basculante são típicos neste caso. São de 2 tipos:

  1. Normalmente aberta (N.A.)
  2. Normalmente fechada (N.F.)

São interruptores de grande utilidade para introduzir dados e ordens em uma série de equipamentos. Geralmente formam teclados em vários circuitos digitais.

Chaves de contato permanente

O contato é mantido após o comando ter sido acionado e só é alterado após o operador efetuar a operação contrária.

Modelos como estes podem ser empregados em eletrônica digital para definir determinadas condições iniciais.

Classificação das chaves quanto ao número de contatos

A principal especificação de um interruptor ou comutador refere-se à quantidade de “pólos” e “posições” de cada pólo.

Pólos são contatos móveis, que são comandados pelo movimento de uma alavanca ou cursor. Um pólo é um contato comum que pode ser ligado a várias “posições”.

exemplos de chaves

Alguns tipos comuns de chaves

As principais formas de acionamento em chaves interruptoras são: alavanca, pressão, cursor deslizante ou girante, toque.

O tracejado na simbologia indica que os contatos móveis são interligados mecanicamente mas são isolados eletricamente.

pólos e posições de vias

As posições podem ser do tipo ligado-desligado (“ON-OFF”) ou do tipo contatos reversores (liga a uma via ou a outra):

  • Um pólo, uma via (SPST) – Simples comutação.
  • Dois pólos, uma via (DPST) – Dupla comutação.
  • Um pólo, duas vias (SPDT) – Reversão simples.
  • Dois pólos, duas vias (DPDT)- Reversão dupla.

Algumas chaves reversoras do tipo “cursor” (comumente chamadas chaves H-H) podem ser colocadas numa posição central (neutra). Nesta posição não é feita ligação.

A posição neutra é útil quando queremos a ligação de uma única via, que pode ser desligada ou transferida para outra.

Micro-switch:

micro-switchExistem os interruptores-miniatura, conhecidos como micro-switch. Funcionam através de uma lâmina com ação de mola, que se move para cima ou para baixo, geralmente por ação de um objeto móvel em uma máquina.

O micro-switch pode ser do tipo NA, NF ou apresentar ambos os tipos no arranjo reversível.


Dip-switch:

dip switch é uma das chaves

Temos ainda o dip-switch, que são interruptores múltiplos, com vários pares de contatos independentes, do tipo miniatura. São muito utilizados em eletrônica digital e a montagem pode ser feita sobre o circuito impresso.


Push-button:

chaves push buttonA tecla ou botão (push-button) é um dos tipos mais comuns de acionamento para interruptores e acionadores.

Os “push-buttons”, tanto de ação permanente (“locking ou “latching”) quanto os de ação momentânea (“nonlocking” ou “nonlatching”), podem ser simples ou múltiplos. Os múltiplos formam os teclados, que podem conter teclas independentes ou de ação simultânea.

Algumas teclas possuem um dispositivo luminoso para indicar sua ação. Existem teclas com um capuz (parte superior externa da chave) transparente, com uma indicação escrita da função que a tecla desempenha. Há uma grande variedade de teclas e capuzes à escolha do usuário.


Snap-action:

chaves snap actionA snap-action (ação de mola) é um tipo especial de tecla, em que todos os contatos são colocados sobre o circuito impresso, que serve como suporte.

É sempre de contato momentâneo, com um ou mais contatos que se movem simultaneamente ou não. Exemplos de aplicação: telefones e instrumentos musicais.


Dois contatos móveis:

Além de teclas com um contato fixo e outro móvel, existem teclas com dois contatos móveis. Eles são formados por segmentos curtos de material condutor.

Ao pressionar o comando, as duas lâminas curvam-se juntas e tocam-se numa posição perpendicular, formando uma cruz.

Como um contato desliza sobre o outro, garante-se grande eficácia na limpeza, porque a fricção do contato afasta partículas de poeira. Além disso, a leve ação abrasiva rompe a película de óxido que geralmente fica sobre os contatos.

Abrasivos são substâncias naturais ou sintéticas empregadas para desgastar, polir, ou limpar outros materiais.


Chaves rotativas:

chaves rotativas

As chaves rotativas possuem um cursor girante preso mecanicamente ao(s) pólo(s) e vai fechando o contato deste(s) com as posições em sequência.

Podem ser simples, do tipo liga-desliga, ou complexas, desempenhando a função de comutadores de vários pólos e várias posições. O giro do cursor pode ser contínuo ou limitado até uma determinada posição.


Comutadores rotativos:

Podem ser de dois tipos: com interrupção (“break before make”) ou sem interrupção (“make before break”).

Chaves rotativas comutadoras com ou sem interrupção

O primeiro tipo (b.b.m) inclui as chaves que interrompem a ligação com o contato anterior, antes de completar a ligação com o contato seguinte.

O segundo tipo (m.b.b) é construído de forma que o contato móvel toca o contato fixo seguinte quando o contato anterior ainda se encontra ligado. Assim, temos uma transição mais suave, sem “cliques”, que é muito útil na seleção de escala de um multímetro.

Conclusão:

Dependendo da aplicação, a utilização de chaves pode não ser tão simples quanto parece.

A escolha e a utilização não são críticas em aulas de laboratório, porque nesse caso a função é mesmo só de ligar ou desligar um circuito. Mas ainda é interessante explicar nessas aulas como utilizar os vários tipos de chaves, com exemplos de situações reais.

Como sempre, tentei incluir imagens relevantes, o que ajuda a deixar o texto mais fluido. É legal pensar através de imagens, porque temos mais ideias e inspirações.