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TÉCNICA – Conserto e funcionamento de raquete mata-mosquitos


Fig. 1 – Raquete eletrônica, que mata mosquitos por eletrocução (Obs.: esta é uma fotomontagem, os mosquitos são eletrocutados somente quando se aproximam ou encostam na malha interna da raquete, não tenha medo dela...).

Fig. 1 – Raquete eletrônica, que mata mosquitos por eletrocução (Obs.: esta é uma fotomontagem, os mosquitos são eletrocutados somente quando se aproximam ou encostam na malha interna da raquete, não tenha medo dela…).

Parece uma perda de tempo consertar um aparelho tão barato quanto uma raquete eletrônica mata-mosquitos (fig. 1), se considerarmos somente o valor de compra. Mas, se você quiser saber como funciona…

Dentro da raquete há um interessante circuito gerador de alta tensão, que vale a pena conhecer. Saber como trabalha um circuito tão simples, ajuda na prática a entender o comportamento de cada componente do circuito, além de desmistificar um pouco os indutores e o mundo da alta tensão. Podemos inclusive compreender o funcionamento de circuitos semelhantes, como os “ladrões de joule” (joule thief), que conseguem ligar LEDs com uma pilha gasta.

O texto mostra o que são as pilhas de ions de lítio, os cuidados e os perigos, e como uma delas foi adaptada na raquete, com um circuito de proteção, para carregar por cabo USB. Também falamos sobre alguns modelos de mata-mosquitos eletrônicos, para uso fixo, muito interessantes para pessoas idosas.

RESUMO

– Introdução

– Testes iniciais

– Os diodos para alta tensão

– Medição de diodos para alta tensão

– Substituição de diodos para alta tensão

– Funcionamento da raquete mata-mosquitos

Conheça o joule thief (ladrão de joules)

– Modificações da parte eletrônica da raquete

– Mata-mosquitos eletrônicos para uso fixo

– As pilhas de lítio

– Incêndio em pilhas de lítio

– Proteção para pilhas de lítio

– Conexão para carregamento via USB

– Outros usos para pilhas de lítio

– Perigos das raquetes mata-mosquitos eletrônicas

– Referências

Introdução

A raquete eletrônica mata-mosquitos é uma daquelas invenções indispensáveis em qualquer residência atual. Além de eliminar facilmente os pernilongos que podem trazer doenças graves, como chikungunha, dengue, febre amarela, malária e zika, elas não utilizam veneno, o que por si só já é um bom motivo para tê-las por perto. E são muito baratas. Mesmo os modelos para uso permanente na rede elétrica (relatados mais adiante), compensam o investimento, por causa do enorme benefício.

A raquete eletrônica para matar insetos usa o princípio do mata-moscas tradicional (uma haste longa, com tela grande na extremidade), aliado à descarga elétrica por alta tensão. Em razão disso, estas raquetes tem 3 camadas de telas, com trama bastante aberta, para evitar que os insetos detectem a movimentação de ar e fujam.

Em 1995, o tailandês Tsao-i Shih registrou a patente de uma raquete mata-mosquitos, sob número US005519963A [1], que é muito semelhante às vendidas atualmente. Acesse este documento AQUI.

Uma proteção mais eficiente seria isolar o interior das residências, através de telas mosquiteiras nas portas e janelas. Há perfis de alumínio e acessórios específicos para montar essas barreiras contra insetos (fig. 2), que deveriam estar mais disseminadas pelo país, por questão de saúde pública.

Muitos não veem que as calhas, quase sempre inacessíveis – mas próximas das janelas -, são grandes pontos de reprodução de mosquitos, pois costumam reter água limpa e parada, se não receberem manutenção adequada.

Fig. 2 – Materiais para fabricação de telas mosquiteiras. Fonte: SBA alumínios, Santa Maria, RS [2].

Fig. 2 – Materiais para fabricação de telas mosquiteiras. Fonte: SBA alumínios, Santa Maria, RS [2].

Testes iniciais

A raquete que mostro neste artigo foi a primeira que comprei, na época era o modelo mais em conta, alimentado por duas pilhas grandes de 1,5V (tamanho D). Com dois meses de uso, parou de funcionar, apesar do LED indicador ainda ligar, um pouco mais fraco. Testei todos os componentes e o transformador estava queimado.

ATENÇÃO: Para diagnosticar corretamente os componentes do circuito da raquete, devemos nos certificar que todos os capacitores estejam descarregados. Naquelas com carregador embutido, além dos capacitores na saída de alta tensão há o capacitor de entrada da rede elétrica e qualquer um deles poderá ter energia suficiente para queimar – imediatamente – o multímetro ou o capacímetro. Para garantir a descarga dos capacitores, podemos ligar em seus terminais um resistor de alto valor, como 10K/1W, por alguns segundos, com cuidado para evitar choques (não toque ambos os terminais ao mesmo tempo).

Primeiramente, revise todas as conexões, não pode haver nenhum fio solto ou em vias de romper-se. Os aparelhos baratos costumam usar fios muito finos, que partem facilmente com um pouco de manuseio. Substitua-os por fios de bitola maior. As soldas também devem ser examinadas, porque as novas soldas sem chumbo tem sérios problemas de qualidade.

Nos modelos recarregáveis de raquete, é interessante testar, logo de início, o valor do capacitor em série com a rede elétrica, pois ele tem a função de transformador abaixador de tensão. Esse capacitor pode reduzir de valor com o uso e impedir o carregamento suficiente da bateria. A bateria também deve ser avaliada.

Se tudo estiver certo com a alimentação, o restante do circuito não tem muito segredo. No estágio oscilador, o transistor geralmente é NPN, de alto ganho. O resistor tem um valor relativamente baixo, até 2K, em média, para alimentações com menos de 5V. Se o resistor e o transistor estiverem bons, o transformador pode ser testado com a remoção das conexões do secundário, substituindo-as por uma lâmpada neon em série com um resistor de 470K ou maior. Se o oscilador e o transformador estiverem bons, a lâmpada neon acenderá.

Testar com multímetro o secundário destes transformadores em funcionamento, não é boa ideia, pois não sabemos qual é o nível de tensão que será encontrado, poderia queimar o instrumento. Se o aparelho tiver uma escala maior que 2KV, tudo bem.

No estágio de saída de alta tensão, os capacitores devem ser medidos, especialmente aquele grande, que fica em paralelo com as malhas da raquete, porque há casos em que a sua substituição resolveu o problema. O que costuma dificultar os testes são os diodos para alta tensão, presentes nesta etapa de saída. Vamos conhecê-los nas próximas seções, antes de esmiuçar o funcionamento da raquete.

Os diodos para alta tensão

Os diodos do estágio de alta tensão (AT) podem confundir os iniciantes em eletrônica, porque a junção semicondutora é especial.

Sabemos que os diodos conduzem num sentido e bloqueiam a corrente em outro, mas os semicondutores para AT exibem uma barreira de potencial bem maior, que deve ser ultrapassada para que possam conduzir.

Por isso, um multímetro comum não consegue medir corretamente diodos para AT, porque usa uma pequena tensão de teste, que mal chega a 2 Volt. Dependendo do multímetro, diodos como os usados na raquete (RFC4K, R4KF ou R4000F) podem ser vistos pelo instrumento como componentes abertos, levando-nos a crer que estão queimados.

Para medir adequadamente tais diodos, precisamos conhecer ao menos 3 parâmetros essenciais das junções semicondutoras, citados nas folhas de dados (datasheets):

VRRM (Maximum Repetitive Peak Reverse Voltage ou Máxima Tensão Reversa de Pico Repetitivo) é a tensão máxima que o componente aguenta, quando polarizado inversamente, situação na qual não conduz. Se for submetido a uma tensão maior que essa, o semicondutor queima.

VF (Forward Voltage ou Tensão Direta) é a queda de tensão ou barreira de potencial máxima, que deve ser superada para o diodo funcionar. É a tensão presente nos terminais do diodo, durante sua condução. Ao medirmos com multímetro, obtemos valores sempre menores que VF, devido à pequena corrente de teste.

IF (Maximum Average Forward Current ou Média da Corrente Direta Máxima) é a corrente máxima que pode passar pelo diodo.

Há mais duas características, que ajudam na escolha de um diodo substituto:

CJCapacitância da Junção, em pF. Este valor depende do tamanho e da espessura da junção PN, quanto menor a capacitância, mais rápido é o diodo.

TRR (Maximum Reverse Recovery Time ou Máximo Tempo de Recuperação Reversa) é o maior tempo que o diodo precisa para estar apto a conduzir novamente. Quanto mais curto este tempo, mais rápido é o diodo.

Aproveitando essa sopa de letrinhas dos diodos, comparemos o popular 1N4007 com o da raquete, RFC4K. É necessário destacar as diferenças entre estes diodos, porque muitas páginas na internet mostram o 1N4007 no estágio de alta tensão das raquetes, o que não corresponde ao verificado na prática. Colocar 1N4007 no estágio de alta tensão poderá levar a falhas.

Diodos de silício – características

Modelo

VRRM

VF

IF

CJ

TRR

Observação

RFC4K

4000V

5V

0,2A

8pF

0,5μS

Diodo para alta tensão

1N4007

1000V

1,1V

1A

15pF

2μS

Diodo de uso comum

Perceba que para conseguir a mesma tensão reversa do RFC4K, são necessários QUATRO diodos 1N4007 em série. A ligação em série aumenta VRRM e VF e reduz CJ.

Os diodos de alta tensão apresentam VF maior porque são fabricados com um “sanduíche” de várias pastilhas (chips) e cada uma delas acrescenta queda de tensão ao componente.

Cada junção PN de silício tem uma queda de tensão aproximada de 0,7V. Também conhecida como barreira de potencial, é a tensão mínima necessária para a junção semicondutora começar a conduzir. VF simboliza o valor máximo que esta tensão pode alcançar, sob a corrente nominal IF. O mesmo modelo de diodo pode exibir VF diferente, dependendo do fabricante.

Fig. 3 – Entranhas dos diodos 1N4001, 1N4007, BY184 e um modelo desconhecido, para MAT (Muito Alta Tensão). Ao alto, à direita, estão os mesmos diodos, mostrados pelo lado do encapsulamento. No topo da imagem, ao centro, temos um diodo 1N4004, sem o invólucro, que serve como referência.

Fig. 3 – Entranhas dos diodos 1N4001, 1N4007, BY184 e um modelo desconhecido, para MAT (Muito Alta Tensão). Ao alto, à direita, estão os mesmos diodos, mostrados pelo lado do encapsulamento. No topo da imagem, ao centro, temos um diodo 1N4004, sem o invólucro, que serve como referência.

Compare as entranhas dos diodos da fig. 3. O primeiro deles, na parte superior da imagem, serve como referência do método de fabricação, porque só removi o encapsulamento de epóxi. Os quatro restantes, que ainda tem metade do invólucro, são: 1N4001 (VRRM=50V), 1N4007 (1000V), BY184 (1800V) e um modelo desconhecido, para vários KV. Este último diodo, em formato cilíndrico hexagonal, não tem identificação, só um ponto branco no cátodo, era utilizado provavelmente em antigos televisores de tubo (não lembro de onde o extraí).

VF é igual a 1,1V para os 1N4001 e 1N4007, sobe para 5V no BY184 e para mais de 14V no diodo desconhecido. Os dois primeiros, têm somente uma pastilha de silício, o BY184 tem 6 delas e o último tem 14. Neste último, inclusive, o terminal de cátodo soltou-se, devido à força exagerada no lixamento. Como era peça única em meu estoque, tive que fotografá-lo assim mesmo.

Medição de diodos para alta tensão

Para confirmar o funcionamento de um diodo de alta tensão, precisamos de uma fonte CC estabilizada, com tensão de 30 ou 40V, de um multímetro na escala de Volts, do diodo sob teste e de um resistor, ligados como nas figuras 4 ou 5.

O resistor deve ter um valor ajustado para nunca ultrapassar a corrente máxima suportada pelo diodo. A corrente de teste pode estar na faixa dos microamperes. Um resistor de 47K, por exemplo, serve tranquilo para fontes de 40V, pois conduzirá somente 85μA (0,00085A). Quanto menor a corrente de teste, menor a queda de tensão – ela poderá medir menos da metade de VF. Entretanto, valores muito ínfimos de corrente não são práticos, porque a impedância do voltímetro começa interferir nas medições.

A tensão é medida sobre os terminais do diodo. Depois, invertemos o diodo e repetimos a medição.

Na posição em que o diodo conduz, a tensão sobre ele será um valor menor que VF. Na posição contrária, em que ele está bloqueado, a tensão em seus terminais será igual à da fonte. Acompanhe com atenção as figuras abaixo.

Fig. 4 – Medição de diodos de alta tensão (diodo ligado invertido).

Fig. 4 – Medição de diodos de alta tensão (diodo ligado invertido).

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Fig. 5 – Medição de diodos de alta tensão (diodo ligado normalmente).

O procedimento fica mais fácil se houver uma fonte de bancada, com tensão e corrente ajustáves, como aquela que publiquei AQUI no Dicas do Zébio. Neste caso, não precisaremos do multímetro. Ajustamos a tensão e a corrente em ZERO e ligamos o diodo nos terminais da fonte. Mantendo a corrente em zero, aumentamos a tensão de saída aos poucos. A tensão da fonte será nossa indicação.

Ocorrerão duas situações: na posição de condução do diodo, a fonte acusará curto-circuito a partir de uma determinada tensão, que será o valor da queda de tensão do diodo. Na ligação inversa, a fonte poderá chegar na sua tensão máxima, sem acusar qualquer condução de corrente (circuito aberto).

Se a tensão da fonte for muito menor que VF, o diodo parecerá estar aberto em qualquer posição, da mesma forma que no teste com o multímetro.

O circuito aberto também poderá ser causado por falha no diodo, mas quando ela ocorre, quase sempre resulta no curto-circuito da junção semicondutora. No curto-circuito, obviamente as tensões ficam perto de zero, em qualquer posição do diodo.

Para conhecer mais detalhes sobre a queda de tensão, acesse o blog Tróniquices [3], que fez medições em vários diodos e mostra a relação entre a queda de tensão e a corrente que passa pelo componente.

Substituição de diodos para alta tensão

Se o teste realmente indicar algum diodo de alta tensão queimado, poderá ser difícil encontrar substituto idêntico, pois são relativamente raros. A solução é interconectar vários diodos retificadores comuns em série, para alcançar a VRRM necessária. Pode ser o 1N4007, encontrado em qualquer sucata de eletrônica.

A substituição de um RFC4K por quatro 1N4007 ligados em série, causará algumas alterações, além do espaço maior ocupado:

Os quatro diodos substitutos apresentarão uma queda de tensão total menor que os 5V do RFC4K, no entanto são valores insignificantes se levarmos em conta a tensão de saída da raquete, perto de 2500V. Nesta configuração de trabalho, VF não tem nenhuma importância, é apenas uma consequência do número necessário de chips.

Haverá prejuízo na frequência máxima de trabalho, devido ao tempo de recuperação reversa (TRR) mais alto do 1N4007 (2μS contra 0,5μS). Até encontrei folha de dados com TRR bem pior para o 1N4007 (30μS), mas esse valor foi obtido sob diferentes condições de teste.

Dependendo do fabricante, a capacitância da junção (CJ) do RFC4K pode variar entre 4 e 30pF. Além disso, com a associação em série dos 1N4007, a capacitância total CJ reduzirá em 4 vezes, ficará em 3,75pF, o que poderá melhorar TRR.

Um substituto mais rápido que o 1N4007 é o 1N4937, que tem TRR = 150nS e CJ = 15pF, é um diodo muito encontrado nos reatores eletrônicos de lâmpadas fluorescentes. Mas, a tensão reversa é menor: 600V, o que implica em colocar ao menos 6 deles para substituir um RFC4K.

Outra possibilidade é usar uma ponte retificadora, onde os quatro diodos internos formariam uma ligação de 2 diodos em série, ligados em paralelo aos outros dois. Isso dobraria a tensão reversa nominal. O problema é o espaço, precisamos evitar componentes muito próximos, em razão das altas tensões envolvidas. Eventualmente, podemos aplicar borracha de silicone para aumentar o isolamento. A fig. 6 indica essas conexões dos diodos comuns e de pontes retificadoras.

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Fig. 6 – Formas de adaptação de diodos e pontes retificadoras, para funcionar como semicondutores para alta tensão.

As folhas de dados dos diodos acima citados podem ser baixadas num arquivo compactado, DAQUI.

Funcionamento da raquete mata-mosquitos

O estágio gerador de alta tensão da fig. 7 é bastante simples: um transistor NPN, um resistor, um transformador, mais um capacitor e dois diodos AT. O LED indica quando o circuito está energizado.

A chave que liga o circuito de AT é de contato momentâneo (SW1), só precisamos pressioná-la por 1 ou 2 segundos para energizarmos a raquete. Isto causa uma oscilação, com pulsos de alta frequência; esses pulsos são aumentados no secundário do transformador; o diodo retifica-os e o capacitor filtra, exibindo alta tensão CC em seus terminais, que estão ligados às malhas metálicas da raquete. Este é o funcionamento da raquete em linhas gerais, mais para a frente será detalhado como o oscilador trabalha.

Fig. 7 – Esquema da raquete original.

Fig. 7 – Esquema da raquete original.  Para mais detalhes, baixe o arquivo zip, ao final do artigo.

Este circuito é um tipo de oscilador de relaxação, pois gera uma forma de onda diferente da senoidal. É chamado de oscilador de bloqueio ou oscilador fly-back.

Um oscilador semelhante apareceu na revista Everyday Practical Electronics (EPE), de novembro de 1999, em artigo de uma página, de Z. Kaparnik, intitulado One Volt LED, que mostrava um circuito simples para energizar um LED branco, com apenas uma pilha de 1,5V, mesmo gasta.

É o mesmo esquema do conhecido joule thief (ladrão de joules), que dependendo do transistor utilizado, consegue atingir uma eficiência de 79% e funciona com tensão tão baixa quanto 0,75V. Portanto, usa a pilha até o talo… Quem desejar conhecer o artigo original, vá ao site da American Radio History [4], que tem a revista completa para baixar. Também poderá acessar apenas o artigo, AQUI.

Na figura 8, temos a montagem em “aranha” do circuito de Kaparnik. Ao lado, aparece a forma de onda no coletor do transistor. Não consegui fazer o circuito funcionar com o resistor sugerido (10K), o valor máximo possível foi de 2K7. A frequência é de aproximadamente 140KHz. Em um toroide de ferrita foram enroladas, ao mesmo tempo, 3 bobinas (enrolamento trifilar, em vez do bifilar – fig. 9). O enrolamento adicional serve para fazer uma fonte de tensão CC, retificada por um diodo BAW62 (para alta frequência) e filtrada por um capacitor eletrolítico de 4,7 uF. O esquema correspondente aparece na fig. 10.

Fig. 8 – Ladrão de joules de Z. Kaparnik, com um enrolamento adicional. Ao lado, tela do osciloscópio, com a forma de onda vista em paralelo com o LED.

Fig. 8 – Ladrão de joules de Z. Kaparnik, com um enrolamento adicional. Ao lado, tela do osciloscópio, com a forma de onda vista em paralelo com o LED.

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Fig. 9 – Enrolamento trifiliar no toroide de ferrita.

Fig. 10 – Circuito de Z. Kaparnik, com o enrolamento secundário adicional.

Fig. 10 – Circuito de Z. Kaparnik, com o enrolamento secundário adicional. D1 é opcional.

Com 1,2 V de alimentação, esse circuito consome 50mA e o enrolamento adicional gera 3V, sem carga, o que significa que é possível enrolar um secundário muito maior, exatamente como fazem nos circuitos das raquetes eletrônicas mata-mosquitos. Nelas, geralmente são implementados após o secundário do transformador, dobradores de tensão, com diodos e capacitores. Assim, consegue-se economizar neste enrolamento.

O transformador da figura 7, por exemplo, tem 1700 espiras no secundário, ao passo que outros podem ter apenas 400. A relação entre as bobinas do primário e o secundário do transformador de AT varia conforme o fabricante e o modelo da raquete.

Retificar e aumentar a tensão do secundário também possibilita armazenar a tensão de pico no capacitor final, pois não existe consumo constante na saída, só uma descarga eventual.

Diferenças:

– No circuito de Kaparnik, o enrolamento é ligado ao coletor, enquanto que no oscilador da raquete, é ligado ao emissor;

– O circuito da raquete usa um transformador de ferrita tipo “E” duplo, com entreferro (gap), enquanto que o da montagem que fizemos é um pequeno toroide, também de ferrita, usado como driver em reatores eletrônicos para lâmpadas fluorescentes;

– Os enrolamentos ligados ao transistor da raquete geralmente não são iguais, ao contrário da versão de Kaparnik. Isso sugere a possibilidade de experimentos…

Nesse tipo de oscilador, o transistor fica a maior parte do tempo desligado, o que resulta em pulsos curtos e de alta frequência. Em razão dos estreitos pulsos, a tensão sobre o capacitor de saída leva alguns instantes para atingir o valor nominal.

Observe que o circuito de Kaparnik pode não estar operando e mesmo assim ligar o LED, se o alimentarmos com tensão maior que a indicada. A tensão mínima para iluminar um LED branco é 2,5V. É só olhar o caminho da corrente entre a pilha e o LED (imagine que o transistor não conduz). Ao montar este circuito, preste muita atenção à posição dos enrolamentos, e alimente-o no máximo com 1,5V, para comprovar que oscila.

Feita a comparação, vamos agora compreender o comportamento do circuito oscilador da raquete da fig. 7.

Observe que para facilitar a compreensão, estou considerando o fluxo de corrente convencional (do positivo para o negativo).

Podemos separar as bobinas do transformador conforme sua função: o enrolamento dos pinos 1 e 2, ligado à base de Q1, é de realimentação. O enrolamento dos pinos 3 e 4, conectado ao emissor (ou coletor, conforme o caso) pode ser considerado o primário, e o enrolamento de alta tensão (pinos 5 e 6), chamaremos de secundário. A bem da verdade, T1 é um indutor com bobinas acopladas, não opera como um transformador (não trabalha com onda senoidal, e sim com pulsos).

Imaginemos o momento inicial, quando apertamos por alguns segundos a chave de contato momentâneo SW1. O LED ilumina-se através de R1 e o transistor ainda não começou a conduzir, portanto uma fraca corrente flui entre o polo positivo, os pinos 2 e 1 do indutor, R2, a base de Q1, o emissor de Q1, os pinos 3 e 4 do transformador e o polo negativo. Com essa polarização, o transistor passa a conduzir por um breve instante, até saturar o núcleo do transformador (momento em que é atingido o máximo fluxo magnético). Agora, devido ao escoamento da forte corrente entre o positivo, coletor, emissor, indutor (pinos 3 e 4) e negativo, o enrolamento de realimentação passa a fornecer um sinal contrário à base de Q1, levando o transistor ao corte. Com o corte, o indutor ligado ao emissor de Q1 tende a continuar conduzindo, mas como não há mais fluxo de corrente pelo semicondutor, aparece um pulso reverso de tensão no transformador. Esse pulso reverso polariza corretamente Q1, reiniciando o ciclo.

Cada pulso induzido no transformador, tem sua tensão multiplicada pela relação de espiras entre o primário e o secundário (enrolamentos de emissor e de AT, respectivamente). Este pulso de alta tensão é retificado, armazenado em C1 e disponibilizado nos eletrodos da raquete.

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Fig. 11 – Disposição e ligações das telas das raquetes mata-mosquitos.

Fig. 12 – Vista em detalhe dos eletrodos de uma raquete mata-mosquitos.

Fig. 12 – Vista em detalhe dos eletrodos de uma raquete mata-mosquitos.

Os eletrodos da raquete são formados por 3 telas metálicas sobrepostas, onde duas delas, mais externas, tem a mesma polaridade (figs. 11 e 12). Isso evita o choque elétrico, se alguém inadvertidamente tocá-las – sem as apertar. A malha interna fica cerca de 5mm distante de cada malha externa, de modo a impedir o centelhamento espontâneo.

O centelhamento tem a ver com a rigidez dielétrica, que é a capacidade que um material isolante tem de suportar determinada diferença de potencial (DDP).

Por exemplo, a espessura e o tipo de material isolante do dielétrico de um capacitor é o que determina sua tensão máxima de trabalho. Acima dessa tensão, pode ocorrer o fenômeno chamado ruptura dielétrica, que ioniza o material, tornando-o condutor. É o que ocorre frequentemente com o ar, nos dias de tempestade. Os raios mostram o caminho do ar ionizado.

Sabemos que o ar é isolante e tem uma rigidez dielétrica de 3mm/KV. Isso significa que dois pontos no ar, distantes 3mm, podem atingir uma DDP (Diferença De Potencial) de até 1KV, quando começa a ruptura dielétrica.

A tensão entre as malhas da raquete é de aproximadamente 2,5KV, portanto o espaço de 5mm entre elas é suficiente para evitar o arco elétrico.

À noite, ao acionar a raquete com a pilha completamente carregada, pode-se perceber o efeito corona, um leve brilho arroxeado nas telas metálicas, que prenunciam a ionização do ar. A intensidade do efeito corona é maior em ambientes com alta umidade e depende também do valor da alta tensão e da pressão atmosférica.

Se em algum ponto as malhas estiverem muito próximas, devido a alguma batida ou entortamento, provavelmente ocorrerá centelhamento, já ao acionar o botão.

Assim, você pode ter uma ideia das tensões envolvidas, conforme a distância dos eletrodos. E também poderá desconfiar daqueles projetos que dizem gerar “fantásticos” 400.000 V ou mais. A cada mm, o ar aceita até uns 330V, acima disso ocorre a ionização e a consequente descarga elétrica.

Quando um inseto fica entre as malhas da raquete, seu corpo úmido, salino e condutor “aproxima” os polos e provoca a imediata ionização do ar, que resulta na descarga elétrica através do inseto.

Geralmente uma eletrocução é suficiente para matar um mosquito. Insetos maiores, como as moscas, poderão ficar apenas tontos e precisarão de várias descargas da raquete. Cada vez que ocorre uma descarga, é necessário apertar novamente o botão, para gerar alta tensão e carregar outra vez o capacitor de saída. Após carregado o capacitor, não é necessário ficar apertando o botão, pois só desperdiça energia.

O modo de chaveamento do transistor guarda algumas semelhanças com a saída horizontal das obsoletas televisões de tubo. Nelas, sempre há um diodo em anti-paralelo com o emissor e coletor do transistor, para absorver os pulsos reversos do transformador e proteger o semicondutor. Montei um diodo também, mas no circuito de Kaparnik não houve diferença perceptível na forma de onda, nem na eficiência.

O material dos transformadores é a ferrita (pó de ferro prensado), apta a trabalhar em altas frequências. A ferrita é bastante versátil, porque a potência de transformadores com núcleo deste material aumenta junto com a frequência. Aliás, é o transistor que geralmente limita a frequência de chaveamento.

Há osciladores que usam transistor MOSFET, mas o enrolamento de comporta (gate) precisaria ter mais espiras, para gerar suficiente tensão de polarização. Os transistores MOSFET são comandados por tensão de comporta (cerca de 10V nominais, mas geralmente é menos), enquanto que os transistores bipolares operam por corrente de base. Por isso que os transistores NPN ou PNP, quando conduzem, sempre exibem uma tensão perto de 0,6V entre base e emissor.

Modificações da parte eletrônica da raquete

O projeto muito econômico da raquete original resultou em um circuito frágil, sujeito a falhas, especialmente na saída de alta tensão, porque houve arco elétrico dentro do transformador. Após reenrolá-lo, a raquete funcionou no máximo uma dezena de vezes e queimou o transformador novamente.

Reconheço que faltaram mais camadas de isolamento para o secundário. Originalmente, o enrolamento de alta tensão tinha apenas duas camadas separadas, eu separei em três e não resolveu. Na verdade, é necessário isolar TODAS as camadas, o que pode tomar bastante espaço.

No vídeo abaixo, o youtuber indiano SR Electric mostra a forma de enrolar corretamente os pequenos transformadores para alta tensão, inclusive ele monta um circuito oscilador semelhante àquele que fiz, do Kaparnik, mas com transistor MOSFET. Vale a pena ver o vídeo, pois é curto, instrutivo e sem falas:

Além desta raquete defeituosa, tenho outras duas, recarregáveis, que não apresentaram qualquer problema. Em ambas, a diferença principal é a etapa de alta tensão, mais elaborada. Reproduzi o esquema de uma delas na fig. 13.

Os outros estágios dessa raquete, como o carregamento da bateria ou o acionamento da lanterna não serão analisados aqui, o foco do artigo é o circuito gerador de alta tensão.

Fig. 13 – Esquema de raquete mata-mosquitos recarregável, com lanterna.

Fig. 13 – Esquema de raquete mata-mosquitos recarregável, com lanterna.  Para mais detalhes, baixe o arquivo zip, ao final do artigo.

A raquete defeituosa foi melhorada em 4 aspectos:

– Nova placa, com circuito confiável (copiado da fig. 13);

– Novo transformador, com melhor enrolamento AT;

– Alimentação por pilha de lítio de 3,7V, recarregável;

– Carregamento por cabo USB.

O oscilador não precisou de modificação, porque é igual (só muda o valor do resistor de base). O circuito final aparece na fig. 14, compare com o da fig. 7.

Fig. 14 – Circuito da raquete mata-mosquitos melhorada.

Fig. 14 – Circuito da raquete mata-mosquitos melhorada.  Para mais detalhes, baixe o arquivo zip, ao final do artigo.

Em razão da placa original não comportar o circuito modificado, além das trilhas de cobre levantarem facilmente, usei uma placa de fibra de vidro pré-furada para a montagem e tomei o cuidado de afastar as conexões dos componentes de AT, para evitar centelhamentos (fig. 15).

O isolamento pode ser melhorado se derretermos um pouco de parafina ou de cera de abelha por cima do estágio de AT, como observei em algumas raquetes (fig. 16). O ideal é que a cera continue macia após esfriar e forme uma película fina sobre os componentes. Os marceneiros usavam antigamente uma mistura de cera de abelha e óleo (provalemente de linhaça), solução na qual mergulhavam a rosca dos parafusos autoatarrachantes, para facilitar o aparafusamento na madeira. A proporção de óleo determinava a maciez da mistura.

Fig. 15 – Placa pré-furada, com o circuito modificado, ainda com o capacitor de saída de 430nF.

Fig. 15 – Placa pré-furada, com o circuito modificado, ainda com o capacitor de saída de 430nF.

Fig. 16 – Vista ampliada do circuito de alta tensão de uma raquete mata-mosquitos, onde é possível perceber a película de cera sobre os componentes.

Fig. 16 – Vista ampliada do circuito de alta tensão de uma raquete mata-mosquitos, onde é possível perceber a película de cera sobre os componentes.

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Fig. 17 – Transformadores para pequenos circuitos de alta tensão, como os de raquetes mata-mosquitos. À direita o modelo original da raquete, que foi reenrolado e queimou mais uma vez.

O transformador veio da China, pelo Aliexpress (link AQUI). Comprei mais alguns, para compensar o frete e possibilitar outros experimentos. Em vez dos terminais para circuito impresso, as ligações deste transformador usam fio esmaltado fino para o enrolamento de base, fio esmaltado grosso para o de emissor e cabos encapados para a bobina de AT, compare na fig. 17.

O transistor para este oscilador precisa ter alto ganho (beta ou hFE) e baixa tensão de saturação entre coletor e emissor (VCE(SAT)), porque disso depende a eficiência da conversão de tensão. Obviamente, devem exibir tensão e corrente de coletor adequadas (VCE e ICE).

A raquete original usa o transistor HSD965 (2SD965), com VCE=20V, ICE=5A, hFE=230 a 800, VCE(SAT)=0,35V. Apesar de ser pequeno (TO-92) e de ter esquentado muito quando a raquete estragou, ele é valente e ainda funciona bem. A raquete que serviu de modelo usa o 2SD882 (VCE=30V, ICE=3A, hFE=100 a 300, VCE(SAT)=0,7V) , com encapsulamento TO-126.

Além desses dois acima, há vários outros transistores substitutos, adequados à baixa tensão de alimentação da raquete, especialmente aqueles usados em flashes fotográficos, como: 2SC2270, 2SC2594, 2SC3420, 2SD826, 2SD879, 2SD880, 2SD1145, 2SD1685, 2SD1960, 2SD2470, 2SD5041, KTD1145, KTD1146, PBSS302NX, PBSS4520X.

Comum nos módulos de alta tensão chineses, o transistor N50 347Y tem encapsulamento TO-220 e também poderia ser usado, mas não consegui encontrar nenhuma característica técnica convincente. Nos esquemas sugeridos pelos vendedores do transistor, ele aparece acoplado a um diodo em série com o resistor de base (fig. 18), é a única diferença com relação ao oscilador da raquete.

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Fig. 18 – Circuito oscilador de alta tensão com transistor N50 347Y. Fonte: Aliexpress [5].

Ao tentar qualquer substituição do transistor, é importante observar as notas técnicas dos fabricantes, para ter certeza da polaridade dos terminais, há muitas diferenças.

Também poderão ser feitos testes com transistores MOSFET, como sugere o vídeo citado entre as figuras 12 e 13.

Após modificar o circuito da raquete, ainda mantive o capacitor de AT original, de 430nF (0,43uF), mas ele falhou após uns poucos acionamentos, sua capacitância reduziu para 1nF, aproximadamente. No começo, a energia armazenada gerava uma faísca fortíssima, com estalo impressionante. Certamente foi um exagero, porque o capacitor de saída do circuito copiado é de apenas 22nF.

Fig. 19 – Capacitor de saída da raquete original, de 430nF/400VCA.

Fig. 19 – Capacitor de saída da raquete original, de 430nF/400VCA.

A saída de AT entrega aproximadamente 2,5KV, então o capacitor de saída precisaria ter uma tensão de trabalho maior que essa. Novamente, esbarrei na dificuldade de encontrar componentes.

Porém, o capacitor original de 430nF suportava apenas 400VCA (fig. 19). Por experimentação, montei um capacitor de 22nF/630VCA. Os capacitores para corrente alternada são mais robustos, sua tensão de trabalho é um valor RMS, portanto estes componentes aguentam tranquilamente a tensão de pico (900VCC, para o modelo de 630VCA).

Outra opção seria utilizar dois capacitores idênticos de 47nF em série, o que somaria a tensão de trabalho e manteria uma capacitância final semelhante (23,5nF). E três capacitores iguais de 68nF em série resultariam em 22,7nF, com 3 vezes a tensão de trabalho de um deles.

Por causa da tensão de trabalho de 630VCA, o capacitor que montei certamente perderá aos poucos sua capacitância, devido ao efeito de autorecuperação (self-healing), assunto que tratei com detalhes neste post AQUI. Já passaram alguns meses de uso diário e continuo pegando mosquitos…

Quando precisar, provavelmente comprarei um capacitor de 22nF e 2KV, como este do AliExpress [6]. Não é o ideal, mas a tensão de trabalho jás é mais alta.

Mata-mosquitos eletrônicos para uso fixo

No Brasil, há vários anos eram comuns, nos restaurantes, armadilhas mata-moscas com grades de alta tensão, acopladas a lâmpadas fluorescentes UV-A, que eram bastante eficientes. Não eram eletrônicas, usavam um transformador de alta tensão, com lâmpada em série, que iluminava em caso de curto-circuito. Necessitavam de limpeza constante e provavelmente devido à questão da higiente, caíram em desuso.

Hoje, há diversos modelos eletrônicos de mata-mosquitos, menores, também para uso fixo, que matam por eletrocução, associados a lâmpadas LEDs ou fluorescentes UV-A. Essas armadilhas podem até fazer parte de lâmpadas LED normais (LED bug zapper), e funcionar em três modos: lâmpada de iluminação, mata-mosquitos e lâmpada com mata-mosquitos (ver fig. 20, parte superior).

Há algumas vantagens com relação às raquetes:

– Não é necessário ficar caçando os mosquitos;

– Estes equipamentos podem ficar ligados permanentemente, devido ao baixo consumo de energia;

– Atraem e exterminam outros tipos de insetos, além dos mosquitos, por causa da lâmpada UV-A.

Os raios UV-A (ultravioleta, faixa A), quando em pequena exposição, são benéficos ao ser humano, especialmente para fixação da vitamina D. E são extremamente atraentes para os insetos. Os fabricantes informam que a eficiência destes aparelhos melhora em ambientes escuros.

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Fig. 20 – Modelos de mata-mosquitos eletrônicos, que prometem atrair os insetos e matá-los por eletrocução ou isolamento.

Outros aparelhos eletrônicos mata-mosquitos, não usam alta tensão, mas fluxo de ar (parte inferior da fig. 20). São armadilhas com uma ventoinha de sucção, permanentemente ligada, acoplada a uma lâmpada LED de atração, alguns modelos inclusive dizem simular a temperatura corporal e a emissão de CO2, típica dos humanos. Podem ser alimentados por USB.

O fluxo de ar eleva a eficiência, mas, além da ventoinha causar aumento do consumo de energia e gerar um pequeno ruído (25 a 35 dB, em média), tais aparelhos matam os mosquitos isolando-os em um compartimento, que ao ser aberto para limpeza, provavelmente fará com que alguns insetos saiam voando, dentre aqueles pegos poucas horas antes.

Qualquer modelo fixo de mata-mosquitos pode ser um ótimo presente para pessoas idosas, especialmente aquelas com dificuldade de movimentos, pois são aparelhos que trabalham sozinhos e realmente ajudam a diminuir os níveis de infestação de insetos.

Fig. 21 – Pequena bateria selada, comum em lanternas e raquetes mata-mosquitos recarregáveis.

Fig. 21 – Pequena bateria selada, comum em lanternas e raquetes mata-mosquitos recarregáveis.

Voltando às raquetes mata-mosquitos, é importante que elas disponham de uma alimentação que garanta a mobilidade por bastante tempo. Os modelos recarregáveis que analisei usam uma pequena bateria selada de chumbo-ácido, de 4V (fig. 21). Atualmente, as células de íons de lítio são a fonte de energia mais comum. Como elas tem características muito particulares, diferentes das pilhas e baterias conhecidas até agora, vamos abordá-las, antes de mostrar sua instalação na raquete.

As células de lítio

A célula (pilha, bateria) de íons de lítio (Li-ion) armazena no mesmo espaço o dobro de carga da célula de Níquel-Cádmio (NiCd) e 4 vezes mais que a bateria de chumbo-ácido (Pb). A tensão nominal de 3,7V é um valor semelhante aos 3V de 2 pilhas comuns, ou aos 4V das baterias seladas de chumbo-ácido, das outras raquetes. O circuito da raquete é tolerante e pode funcionar até com 12V, é só calcular corretamente o valor do resistor de base. Seria, então, muito simples trocar um tipo de pilha por outro.

No entanto, as células de lítio trabalham dentro de uma janela muito estreita de parâmetros de temperatura, tensão e correntes de carga e descarga. Cruzar qualquer destes limites aumentará a temperatura da célula. Se o aquecimento persistir, poderá chegar ao ponto de avalanche térmica (aquecimento intenso e rápido), que vem acompanhada de efeitos perigosos (aumento de pressão, emissão de gases e partículas, incêndio e até explosão).

A tensão da célula de lítio não pode ultrapassar 4,2V. E deve-se evitar a descarga excessiva, porque se a célula ficar com menos de 3V, irá “dormir” e não aceitará mais nenhuma carga.

Quanto à temperatura, as células de lítio precisam ser carregadas entre 5°C a 35°C de temperatura ambiente. Durante o uso, aceitam ficar entre 0°C e 40°C.

O aquecimento de uma célula de lítio causa estufamento (aumento de pressão), em casos extremos pode levar a um curto-circuito interno, que causará a avalanche térmica. Colocar em curto-circuito os terminais de uma célula de lítio terá o mesmo efeito. Jamais perfure uma pilha ou bateria de lítio, porque a perfuração causará curto-circuito interno e levará às mesmas consequências.

As batidas, quedas, amassamentos e exposição ao sol das células de lítio, talvez sejam as causas mais prováveis dos incêndios, porque são situações cujo controle escapa aos circuitos internos.

Devido à alta capacidade das células de lítio, é necessário impedir qualquer possibilidade de curto-circuito, interno ou externo, porque as correntes envolvidas são altíssimas e costumam gerar queimaduras, sem falar nas possiblidades de explosão, incêndio e liberação de gases fluorados, venenosos.

Incêndio em pilhas de lítio

Chamada pelos fabricantes de “ventilação com chamas” (venting with flame) ou “desmontagem rápida” (rapid disassembly), a explosão de uma bateria de lítio libera uma mistura de gases venenosos, com substâncias altamente explosivas, inflamáveis e carcinogênicas, acompanhadas de muita fumaça. Geralmente essa liberação é flamejante, ou seja, pega fogo por si mesma (autoignição).

O lítio é um metal muito volátil e reage violentamente com água, concreto, madeira, asfalto, areia e asbestos. O lítio aquecido tem ignição espontânea, reage com todos os gases (exceto os do grupo hélio/argônio) e forma fumos fortemente alcalinos. A chama com lítio e suas ligas gera muito mais calor que outros materiais combustíveis.

Para extinguir o fogo em baterias de lítio, o ideal é usar um extintor à base de pó de cobre, que age como dissipador de calor, além de formar uma liga de cobre e lítio, não inflamável, que corta o suprimento de oxigênio e sufoca a chama. Essa liga adere a superfícies verticais.

Outra opção é o extintor de pó de grafite, eficiente em chamas muito quentes, mas que não adere como o pó de cobre.

Extintores classe D, de casco amarelo, para metais pirofóricos, que são à base de cloreto de sódio, não são recomendados para extinguir chamas de lítio, pois podem agravar o problema.

Da mesma forma, segundo a ficha química do lítio [7], deve-se evitar extintores de água, CO2, ácido-base e pó químico seco. A água pode ser despejada apenas para evitar o alastramento do fogo.

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Fig. 22 – Bolsas de proteção contra incêndio e explosão, para pilhas de lítio, à venda na internet. Fonte: Aliexpress [8].

A queima ou explosão das pilhas de lítio NÃO É uma lenda urbana, ela acontece mais frequentemente do que se imagina. O problema é tão sério que vários institutos de pesquisa no mundo estão investigando formas de minimizar os problemas [9][10][11]. E já existem à venda sacos e bolsas à prova de explosão e incêndio, para acondicionar as pilhas de lítio durante a carga ou o transporte (fig. 22).

Mais: a Associação Internacional de Transporte Aéreo (IATA – International Air Transport Association) criou limites para o transporte de células de lítio [9], de modo a minimizar as possibilidades de incêndios ou explosões em aeronaves. Estas regras passaram a valer em 2019 e limitam a quantidade máxima de lítio a transportar, além de obrigar a exibição de alertas específicos nas embalagens. As encomendas de células de lítio, por exemplo, somente podem viajar nos aviões cargueiros.

O perigo da queima de uma bateria de lítio é maior quando ocorre em ambientes fechados e pequenos, como um quarto, um carro ou uma aeronave. Nestes casos, a exposição aos agentes químicos pode trazer danos permanentes à saúde.

A queima libera dezenas de compostos (Referências [13] a [18]), dentre eles podemos destacar:

Monóxido de carbono (CO) – gás tóxico, sem cheiro, cor ou sabor, expulso em quantidades potencialmente danosas e até fatais.

Fluoreto de hidrogênio (HF) – corrosivo, molécula pequena que penetra até os ossos e interage com o cálcio.

Sulfeto de carbonila (COS) – inflamável, tóxico e altamente irritante para a pele e mucosas.

Acroleina – inflamável, carcinogênica, corrosiva, altamente tóxica.

Tolueno – inflamável, irritante para a pele, tóxico para o sistema reprodutor.

Sais de lítio – compostos como o carbonato de, trifluorometanosulfonato de, tetrafluoroborato de, hexafluorarsenato de, hexafluorofosfato de lítio e outros, que aparecem conforme a tecnologia empregada nas células de lítio. Exposição aguda a esses sais pode resultar em forte gastroenterite, efeitos no sistema nervoso central, problemas renais e desequilíbrio eletrolítico do corpo. Em casos severos, pode ocorrer a morte, devido ao colapso renal ou a complicações cardíacas e pulmonares.

Certamente, esses desafios tecnológicos serão vencidos em breve, porque a sociedade do futuro depende disso. Imagine quantas pilhas e baterias precisaremos, num mundo tomado por carros elétricos e equipamentos portáteis. Hoje (2019), já são fabricadas 2 bilhões de células por ano. Inevitavelmente, as pilhas e baterias de lítio deverão ser mais e mais seguras.

Até o momento, especialistas recomendam evitar a carga completa dos aparelhos, para não sobreaquecer as células de lítio e manter tudo sob controle. Eu considero isso um exagero, porque se os fabricantes sabem dos perigos acerca das células de lítio, obviamente os circuitos eletrônicos de controle de carga e uso, de cada aparelho, podem – e devem – ter seus parâmetros ajustados para nunca chegar a situações perigosas.

Naturalmente, as proteções eletrônicas não tem efeito contra agentes externos, por tudo isso, a orientação é: cuide bem de suas pilhas e baterias de lítio, evite sol, batidas, perfurações e nunca as deixe soltas numa gaveta, com os contatos expostos. Quando necessário, faça o descarte em supermercados, que têm coletores específicos para isso, e jamais jogue no lixo comum. Acostume-se à reciclagem, para garantir o futuro de nossos filhos, netos e de quem mais vier pela frente.

Os alertas acima pretendem informar, esclarecer. Precisamos saber como nos portar diante de situações perigosas com as células de lítio. No dia-a-dia, em uso normal, elas são seguras, é só observar que praticamente cada pessoa leva consigo ao menos um aparelho alimentado com células de lítio (celular, relógio) e nem por isso assistimos a incêndios a todo momento.

No entanto, ao montar projetos com células de lítio, precisamos empregar circuitos de proteção. Como fiz nesta raquete.

Proteção para pilhas de lítio

Para garantir a segurança e respeitar os limites das células de lítio, utilizamos as placas de proteção. São módulos prontos, que fazem o controle da carga e descarga de forma transparente e têm proteção contra curto-circuito. Quando trabalham com células em série – nos modelos para tensões maiores – tais módulos incorporam um balanceador de carga, que visa uniformizar a carga das células.

A maior parte das células de lítio trazem embutidas em seu corpo um controle de carga e descarga. Podem ser modelos individuais, como as baterias de máquinas fotográficas e celulares, ou um conjunto delas, como as baterias de notebooks. Os carregadores portáteis (power banks) também têm sempre um circuito de proteção interno.

Os módulos que encontrei à venda não têm sensor de temperatura, até porque geralmente eles carregam as células com pouca corrente, que não causa aquecimento. É possível que existam modelos melhores, semelhantes às placas de controle das baterias de notebooks e aos bons carregadores portáteis, que têm esse recurso (figs. 23 e 24).

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Fig. 23 – Interior de um carregador portátil (power bank) TP-Link de 5200 mAh, com duas pilhas 18650 e o módulo de proteção. A bolinha na ponta do fio preto é o sensor de temperatura, que fica montado entre as pilhas.

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Fig. 24 – Módulos de proteção de baterias de notebook, que são montados dentro dos packs e fazem a conexão com o computador. Cuide os fios para os sensores de temperatura, que sempre ficam montados entre as células.

A ligação do módulo de proteção para a célula de lítio é extremamente simples, mas requer atenção.

A placa que instalei é para uma pilha (1S), com isso são 4 conexões (fig. 25). Os terminais B+ e B- são ligados à pilha, enquanto que os outros dois (P+ e P-) são, ao mesmo tempo, as conexões de entrada e de saída (carregamento da pilha e fornecimento de energia para o circuito). Observe atentamente as ligações, aqui ocorre a confusão, pois a pilha não é mais ligada diretamente ao circuito, só assim o módulo consegue dosar a carga e a descarga.

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Fig. 25 – Frente e verso de módulo de proteção 1S (3,7V) para células de lítio, para corrente máxima de 5A. É o módulo ideal para ligar em paralelo até duas células.

O método de escolha dessas placas é um pouco diferente do que estamos acostumados. Geralmente, quando escolhemos uma fonte de energia, pensamos em folga, na corrente adicional para não sobrecarregá-la. Aqui, a fonte de energia são as células de lítio, então o conjunto delas precisa dispor de mais corrente que necessária para o equipamento funcionar, dentro da tensão especificada.

Mas, para a placa de proteção para pilhas de lítio, precisamos saber a corrente máxima dosada pela placa, que deve ser MENOR que a capacidade das pilhas instaladas. Porque, se a placa deixar passar uma corrente acima da que as pilhas conseguem entregar, poderão ocorrer os efeitos da avalanche térmica (sobreaquecimento, incêndio e até explosão).

As células podem ser ligadas em série ou em paralelo. A ligação em série aumenta a tensão e a ligação em paralelo aumenta a corrente disponível. O número de células, portanto, determina somente a potência total e não a tensão resultante do conjunto.

A placa de proteção é escolhida conforme a tensão necessária da fonte de energia (S = Source) e pela corrente máxima permitida. Cada S representa 3,7V.

Considera-se que a célula de lítio tem 3,7V quando totalmente carregada (o valor real é 4,2V). A corrente que uma pilha de lítio de tamanho 18650 pode fornecer é estimada em 3400mAh ou 3,4Ah.

Se precisamos de uma fonte de energia com 3,7V e 5Ah, então teremos que instalar um módulo 1S, para 5Ah de corrente, ligado a DUAS pilhas de lítio em paralelo. As duas pilhas poderiam fornecer até 6,8Ah, mas a placa de proteção limita a 5Ah. Ainda assim há o perigo de uma pilha falhar e a corrente ser debitada toda da outra, levando ao aquecimento.

Do mesmo modo, se queremos um conjunto de células de lítio para alimentar um motor de 12V e 10Ah, usaremos um módulo 3S, com capacidade para 10Ah e montaremos DOZE células, perfazendo três grupos de 4 pilhas em paralelo cada um, ligados em série. Cada grupo de 4 pilhas fornecerá com folga a corrente de 10Ah e a ligação em série garantirá os 11,1V (12,6V, na prática).

Há outro conceito das pilhas, que é a capacidade de descarga (1C, 2C, etc, assunto que foi abordado em outro artigo deste blog, acesse ele AQUI). Pilhas com grande capacidade de descarga aceitam um pouco de estresse e poderão funcionar mais perto do limite de corrente máxima, mas sempre é bom evitar que aqueçam.

Na tabela a seguir, estão os valores mais comuns das placas de proteção para células de lítio. Tensões acima disso requerem circuitos mais elaborados, projetados especialmente para a função desejada, como no caso das baterias para painéis solares fotovoltaicos ou para alimentar veículos elétricos. A configuração perfeita seria um circuito de controle para cada célula do conjunto.

Tipo de módulo

Tensão total

Configuração

1S

3,7V

1 pilha 3,7V

2S

7,4V

2 pilhas 3,7V em série

3S

11,1V

3 pilhas 3,7V em série

4S

14,8V

4 pilhas 3,7V em série

5S

18,5V

5 pilhas 3,7V em série

6S

22,2V

6 pilhas 3,7V em série

No caso da raquete, liguei uma placa de proteção 1S, para 5A de corrente, em uma pilha de lítio. Optei por isso em razão do consumo do circuito, menor que a capacidade da pilha de lítio. A placa de 5A foi um exagero, mas na época que comprei, não tinha ideia de como escolher, considerava necessário a folga de corrente, para a placa não aquecer demais.

De todo modo, a adaptação da pilha de lítio na raquete é razoavelmente segura, porque a célula fica ligada ao circuito por pouco tempo, através de uma chave de contato momentâneo.

Conexão para carregamento via USB

A placa de proteção foi ligada diretamente a uma tomada USB, nos terminais de +5V e GND (pinos 1 e 5, respectivamente). Essa tensão, usada para o carregamento da célula de lítio, pode vir de uma fonte, de um carregador portátil ou de um computador, sem distinção. As conexões de transferência de dados da tomada USB (pinos 2 e 3) não são utilizadas e a conexão ID (pino 4) foi aterrada.

O conector USB foi removido de uma sucata e instalado em um dos polos do suporte de pilhas, ao lado de um furo, feito para dar acesso externo (figs. 26 a 29). A pilha de lítio é do tamanho 18650, foi retirada de um conjunto de baterias para notebook e ficou soldada ao módulo de proteção. Poderia ter usado um soquete para 1×18650, mas ao menos por enquanto, não há necessidade de troca, a pilha está em bom estado.

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Fig. 26 – Remoção de tomada USB de sucata.

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Fig. 27 – Ligações da tomada USB.

Fig. 28 - Proteção para pilha de lítio.

Fig. 28 – Proteção para pilha de lítio.

Fig. 29 - Adaptação da placa USB.

Fig. 29 – Adaptação da placa USB.

Fig. 30 – Colocação da tomada USB na raquete.

Fig. 30 – Colocação da tomada USB na raquete.

O código 18650 da pilha de litio indica suas dimensões (18mm de diâmetro e 65,0mm de comprimento). É a mesma célula usada nas lanternas táticas pequenas. Quando agrupada, forma as baterias dos notebooks (exceto aqueles extra-finos, que usam pilhas retangulares). Há também modelos mais grossos ou mais curtos, como 26650 e 18500, mas não são tão comuns.

Outros usos para pilhas de lítio

As placas de proteção para pilhas de lítio também podem reviver as parafusadeiras antigas, que usavam pilhas de níquel-cádmio (NiCd). Até o carregador original continuaria em uso. Seria preciso trocar as pilhas originais por um módulo de proteção competível, ligado à quantidade necessária de pilhas de lítio. Devido à alta densidade de corrente dessas pilhas, a parafusadeira ficaria mais leve. A tensão de cada pilha de NiCd é de 1,2V.

Perigos das raquetes mata-mosquitos eletrônicas

A questão do choque elétrico. A descarga ocorre ENTRE as malhas da raquete, portanto não há perigo ao tocar nas telas externas, desde que não as apertemos, o que poderia causar a ionização do ar e a consequente descarga elétrica. Mesmo que um dedo receba o choque, haverá talvez um susto, maior que a dor.

Choques são perigosos especialmente quando o fluxo atravessa o peito: percorrendo de uma mão para outra ou de uma mão para os pés. Isso pode causar uma parada cardíaca ou respiratória. É preciso evitar, portanto, tomar choques entre duas extremidades diferentes do corpo (como tocar um freezer com os pés descalços ou molhados).

Há quase duas décadas, as raquetes mata-mosquitos são utilizadas no mundo todo. Elas são seguras, mas como geram faíscas, é necessário tomar o cuidado de não usá-las perto de substâncias inflamáveis, como o gás de cozinha, pó de carvão, combustíveis, tintas, solventes e alguns tipos de adesivos.

Em anais sobre queimaduras e desastres com fogo [19], fica evidente que as raquetes mata-mosquitos apenas tiveram o papel de ignitoras, portanto há claros indícios de mau uso. Por exemplo, uma folha de papel intercalada entre os eletrodos de uma faísca de alta tensão, muito provavelmente fará o papel incendiar.

Ainda assim, os circuitos estudados acima não geram arco contínuo, mas apenas descargas eventuais, razão pela qual os riscos diminuem.

Como sempre, o importante não é evitar ou ter medo das coisas, mas sim estudá-las, conhecê-las, para melhor saber como portar-se diante delas.  

Acesse AQUI a pasta compactada com folhas de dados, desenhos e esquemas, em melhor definição, de aparelhos mata-mosquitos.

Referências

[1] Patent Images – US005519963Ahttps://patentimages.storage.googleapis.com/1a/25/f9/0434dc162913df/US5519963.pdf

[2] SBA Alumínios – Perfis em geral e materiais para telas mosquiteiras – https://www.sbacomercial.com.br/

[3] Tróniquices – Afinal, qual é a queda de tensão num diodo – https://troniquices.wordpress.com/2011/06/07/0-6v-0-7v-afinal-qual-e-a-queda-de-tensao-num-diodo/

[4] American Radio History – Everyday Practical Electronicshttps://www.americanradiohistory.com/

[5] AliExpress – Transistor N50 347Y – https://pt.aliexpress.com/item/32282403374.html

[6] Aliexpress – Lote com 10 capacitores de alta tensão de polipropileno de 22nF/2KV – https://pt.aliexpress.com/item/32283385769.html

[7] USP – Ficha de informação de produto químico – Lítio metálico – http://sites.ffclrp.usp.br/cipa/fispq/Litio.pdf

[8] Aliexpress – Bolsas de proteção contra explosão e incêndio –

https://pt.aliexpress.com/wholesale?catId=0&initiative_id=SB_20190810184715&origin=y&SearchText=bolsa+pilhas+inc%C3%AAndio+explos%C3%A3o&switch_new_app=y

[9] OSTI – Office of Scientific and Technical Information – US Department of Energy – Archuleta, Melecita M. – Toxicity og materials used in the manufacture of lithium batterieshttps://www.osti.gov/servlets/purl/10148721

[10] Elsevier – Science Direct – Toxicity, a serious concern of thermal runaway from commercial Li-ion batteryhttps://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285516302130

[11] Traffic Injury Prevention – Fire tests on E-veichle battery cells and packshttps://www.tandfonline.com/doi/pdf/10.1080/15389588.2015.1015117

[12] IATA – Lithium batterieshttps://www.iata.org/whatwedo/cargo/dgr/Pages/lithium-batteries.aspx

[13] Elsevier – Why you shouldn’t fully charge your smartphonehttps://www.elsevier.com/connect/why-you-shouldnt-fully-charge-your-smartphone

[14] Utkiken – Fire and rescue intelligence – Safety message, firefighting when large lithium ion batteries are involvedhttp://cfbt-be.com/images/teksten/Leren_uit_incidenten/Fire-Fighting-safety-message_-Li-ion-batteries.pdf

[15] The European Commission’s science and knowledge service – Joint Research Centre – JRC exploratory research: Safer Li-ion batteries by preventing thermal propagationhttp://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/bitstream/JRC113320/kjna29384enn.pdf

[16] ECS Digital Library – Considerations on the chemical toxicity of contemporary Li-ion battery electrolytes an their components http://jes.ecsdl.org/content/163/6/A821.full

[17] Nature – Scientific Reports – Toxic fluoride gas emissions from lithium-ion battery fireshttps://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5577247/

[18] MDPI – Multidisciplinary Digital Publicshing Institute – Toxic gas emissions from damaged lithium ion batteries – Analysis and safety enchancement solutionhttps://res.mdpi.com/batteries/batteries-02-00005/article_deploy/batteries-02-00005.pdf?filename=&attachment=1

[19] PMC – US National Library of Medicine National Institutes of Health – Annals of burns and fire disasters Electric fly swatter: potentially harmful not only for insects?https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4441306/

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