Da série '(Des)industrialização no Brasil atual', parte 1 - Indústria eletrônica

Este blog inicia uma série de artigos sobre o atual momento da indústria no Brasil. 

Já tivemos uma época muito melhor, sem querer fazer concessões ao saudosismo, pois esta série não é uma extensão de tópicos já existentes, como a "oitentolatria" e a "noventolatria". 

Primeiramente, é bom fazer um apanhado do processo de industrialização no Brasil, começando por definir os tipos de indústria, por setor: 

- Bens de produção, visando a transformação de produtos agropecuários e minerais em produtos destinados a outros setores industriais, como as indústrias madeireira e siderúrgica; 

- Bens de consumo, destinados ao consumidor final, como as indústrias alimentícia, automobilística e eletrônica, item a ser abordado aqui; 

- Bens de capital, intermediários entre os dois setores acima, produzem os equipamentos necessários para as indústrias de bens de consumo funcionarem, a partir da matéria-prima fornecida pelas indústrias de bens de produção; fazem parte dessa categoria os setores de máquinas e motores. 

O auge da industrialização foi entre as décadas de 1930 e 1970, após um período de modesta expansão das indústrias de bens de consumo, a partir do segundo império. 

Houve períodos de maior expansão industrial entre 1937 e 1979. Na ditadura Vargas, com o estímulo às indústrias de base e a criação de grandes siderúrgicas como a CSN. No governo JK, houve um estímulo à vinda de montadoras de veículos no Brasil, o desenvolvimento da indústria de bens de capital e o crescimento das grandes empreiteiras para a construção de rodovias pavimentadas, após a criação da Petrobras em 1953. No regime militar, houve o "milagre econômico", com grande crescimento do PIB, mais estímulos à indústria em geral, e grandiosos projetos de infraestrutura,  alguns deles verdadeiras ilusões megalomaníacas como a Transamazônica. 

Depois, a crise econômica e a reserva de mercado no fim dos anos 1970 e nos anos 1980 bagunçaram a economia e acentuaram o atraso do Brasil em relação às grandes potências e outros países emergentes, como os chamados "Tigres Asiáticos". O Plano Collor, ou mais especificamente o confisco dos investimentos pelo governo, foi o estopim para a desorganização geral na indústria, que não se preparou para a concorrência dos produtos importados com a abertura econômica. O Plano Real e o controle da inflação seriam uma esperança para a atividade industrial, mas as crises asiática (1997) e russa (1998) arruinaram muitos planos. Os anos FHC significaram mais estímulo ao setor de serviços, em detrimento da indústria. A partir do governo Lula, houve maior estímulo ao agronegócio, e a indústria ficou em segundo plano, apesar das reformulações visando, segundo a gestão da época, diminuir a desigualdade. O atual processo de desindustrialização começava a partir daí. 

Neste quadro, como fica a indústria eletrônica, um dos setores mais importantes na economia dos países avançados?

Em matéria de eletrônica, o Brasil nunca teve destaque. No auge da expansão industrial, o país recebeu muitas indústrias ligadas ao setor, mas a maior parte eram montadoras de produtos finais, como televisores, computadores, rádios e equipamentos para telecomunicações. Foram poucas as empresas de componentes, como transistores, circuitos integrados (chips) e placas-mãe (motherboards). 

Houve pouco estímulo ao desenvolvimento local de componentes, que demanda um amplo e sofisticado processo de produção, envolvendo laboratórios, salas limpas para impedir a contaminação dos dispositivos (algo ainda mais crítico atualmente, com a produção de transistores minúsculos, com tecnologia da ordem de alguns nanômetros; 1 metro possui um bilhão de nanômetros), equipamentos de microscopía, litografia para o desenho dos componentes, instrumentos para testes e caracterizações (medidas de corrente, tensão, capacitância), entre outros detalhes. 

Projetos do setor eletrônico, dependentes das condições expostas acima, acabam sendo desestimulados, e a indústria brasileira, com algumas exceções, importa-os e não os desenvolve por aqui. 

Por isso, há uma subutilização do pessoal especializado, formado pelas universidades, sobretudo as federais e estaduais (como a USP e a Unicamp) e também os estabelecimentos militares (caso do ITA). Boa parte dos formados tem capacitação para integrar equipes de projetos, mas não há ambiente para isso, e eles precisam se preparar para a disputa de empregos fora do país. Outros precisam se dedicar a outras áreas, como administração e pesquisa acadêmica.

Houve um período de "reserva de mercado" para tentar estimular a tecnologia nacional, mas ela acabou nos mantendo à margem dos avanços em outros países. Quando a reserva foi quebrada, no governo Collor, houve um verdadeiro "choque", e a dependência de componentes mais avançados - importados - se tornou crônica. Fábricas montadoras famosas no final do século passado, como a Gradiente, a CCE, a Motoradio, a Elebra, entre outras, enfrentaram crises (as duas últimas citadas não existem mais). Outras foram incorporadas, como a Edisa (comprada pela HP em 1994).

Não se vislumbra uma mudança para melhor neste quesito, e a atual estagnação econômica piora o quadro. Esta é uma situação econômica, na qual as boas intenções e as ideias brilhantes não bastam. É necessário um planejamento sólido, envolvendo empresas, universidades e o governo, e levar em conta a dependência quase total de know-how estrangeiro para este setor. Os resultados só virão em longo prazo.

A Lei de Moore já era

Fala-se muito, nos meios acadêmicos, da lei de Moore, formulada informalmente em 1965. Segundo ela, a quantidade de transistores - principais componentes de qualquer circuito eletrônicos - em cada chip dobra a cada dois anos, possibilitando maior rapidez de processamento.

Essa lei foi, até há pouco tempo, obedecida à risca pelas fabricantes de processadores. No entanto, um artigo publicado por M. Mitchell Waldrob para a revista Nature, em 2016, fala sobre as limitações causadas pela tecnologia de silício, exigindo componentes cada vez menores, principalmente transistores e capacitores, pois quanto menores forem eles, maior a frequência possível.

Acontece que a tecnologia de fabricação de semicondutores trabalha no padrão de 7 nm, equivalente à largura do canal dos transistores, formados por três regiões: uma porta, uma fonte e um dreno. O canal se forma na região de porta, ligando a fonte com o dreno, possibilitando a condução de corrente elétrica entre essas regiões. Algumas empresas como a Intel trabalham com a tecnologia de 5 nm, mas existe uma grande dificuldade para fabricar componentes tão pequenos.

Um esquema simplificado de transistor com um canal do tipo n, isto é, com grande concentração de elétrons, que constituem a corrente elétrica quando o dispositivo está em funcionamento; o dreno e a fonte também possuem grande concentração de elétrons, e o substrato, que forma a base do transistor, é do tipo p, com falta de elétrons e consequente boa concentração de "vazios", chamados tecnicamente de lacunas; entre as regiões n e p existe uma região com falta de cargas livres, atuando como barreira para elas, chamada de depleção (Extraído do material do Prof. Dr. Marco Antônio Robert Alves; fonte: http://www.demic.fee.unicamp.br/~alexdant/aularom.pdf)

Soma-se a isso a crescente demanda por energia e a geração de calor, um grande inimigo do desempenho e da vida útil dos dispositivos eletrônicos. Faz-se necessário um sistema de arrefecimento mais eficiente.

O tamanho dos componentes já chegou a um limite e, para continuar a lei de Moore, seria necessário aumentar o tamanho dos processadores, fazendo-os gastar mais energia e tomar espaço nas placas de circuito impresso. Isso não vem acontecendo nos últimos anos.

Isso indica que a tecnologia atual, feita a partir do silício, está superada e precisa ser mudada, a fim de criar dispositivos mais rápidos para os smartphones e computadores. Já existe uma certa estagnação, com processadores sem grandes melhorias no desempenho em relação aos de anos anteriores.

Novos materiais, como o grafeno, ainda estão em desenvolvimento, embora sejam muito promissores. A partir daí, é possível fabricar os chamados processadores quânticos, com velocidade de processamento capaz de "reviver" a lei de Moore, pois os componentes são muito reduzidos e, neste meio, a chamada mecânica quântica, que rege as partículas subatômicas, passa a atuar plenamente, aproveitando melhor a energia necessária para o funcionamento dos processadores, verdadeiros "cérebros" para qualquer smartphone ou outro dispositivo "inteligente".

Da série 'Proteção na Tomada', parte 5 - Outros dispositivos de proteção

Este blog vai terminar a série com alguns dispositivos que ainda não foram abordados: o chamado "módulo isolador" e o "condicionador de energia". Esses aparelhos são utilizados em casos específicos. 

O "modulo isolador" é nada mais do que um estabilizador com transformadores isolados e/ou disjuntores, simulando uma espécie de "terra" para residências sem aterramento. Infelizmente, além dessa solução ser meramente local, ela apresenta problemas para armazenar o excesso de carga,  sobrecarregando os capacitores do circuito, podendo ter uma baixa vida útil para locais com qualidade ruim da energia elétrica. Ou seja, é um paliativo. 

Dois tipos de "modulos isoladores", fabricados pela Microsol

O "condicionador de energia" ou "de potência" apresenta uma solução semelhante à dos nobreaks do tipo on-line,  abordados AQUI, convertendo a corrente alternada em corrente contínua, corrigindo o fator de potência, e depois reconvertendo em corrente alternada, livre de distorções, ruídos e transientes. A diferença entre os condicionadores de energia e os nobreaks on-line é a ausência de baterias, e portanto não oferece energia extra em caso de interrupção. Condicionadores de energia são usados em casas com home theaters de alta potência, pois aparelhos eletrônicos de áudio são sensíveis à qualidade da energia da rede. Também funcionam melhor se o sistema elétrico da residência já tiver aterramento. 

O "condicionador de energia" geralmente tem várias entradas de três pinos para os aparelhos eletrônicos

Como se pôde constatar, os aparelhos abordados na série são úteis até certo ponto para melhorar a qualidade (questionável) da energia fornecida no Brasil, mas o aterramento é uma solução melhor, se for feito dentro das normas previstas na NBR 5410, que regulamenta as instalações elétricas de baixa tensão. 

Da série 'Proteção na Tomada', parte 4 - O aterramento

Depois de expor as vantagens e desvantagens dos dispositivos utilizados para tentar proteger os equipamentos eletrônicos, chega-se a uma constatação: os filtros de linha oferecem apenas uma proteção básica contra surtos e sobretensão, os estabilizadores também protegem contra a subtensão, mas o uso de relés limita a sua eficiência, e os no-breaks superam os outros equipamentos, tanto na proteção quanto no preço, bem mais caro. 

E todos eles funcionam melhor com o aterramento. Por aqui, muita gente nem ouviu falar disso. 

O aterramento é a ligação direta do ponto correspondente ao "zero volt", chamado de "terra", com o solo, para: 

- Garantir que o excesso de corrente seja desviado para o terra ao invés de ir para os equipamentos, causando a perda de sua vida útil; 

- Facilitar o trabalho dos dispositivos de proteção, como os nobreaks, impedindo que a carga se acumule nesses equipamentos, fazendo-os falhar; 

- E, o mais importante de tudo, proteger as pessoas, diminuindo sensivelmente a chance de alguém levar uma descarga elétrica quando entra em contato com as carcaças dos equipamentos; um sinal de falta de aterramento, por exemplo, é sofrer um choque quando liga o chuveiro, o que não é nada agradável. 

De acordo com a norma NBR 5410 - leia AQUI - existem os procedimentos corretos para se fazer o aterramento. Ele deve utilizar, como ligação com a terra, uma haste de cobre (ou outro metal banhado em cobre). O padrão é 2,5 m, mas isso depende do tipo de solo (clique AQUI). A resistência de aterramento não deve exceder 10 ohms (ohm é a medida de resistência elétrica; materiais com pouca resistência, como os metais, são chamados de bons condutores). Caso uma única haste não consiga atingir esse padrão, pode ser necessário fazer uma malha de aterramento, utilizando duas ou mais hastes. 

O aterramento deve ser executado, ou supervisionado, por um engenheiro eletricista devidamente capacitado. 

Existem alguns tipos de aterramento previstos pela NBR 5410. Os mais comuns são os tipos TN, TT e IT. 

Os tipos TN e TT utilizam um aterramento direto, ligado a um condutor chamado de condutor de proteção, indicado por PE nas ilustrações a seguir. O PE é conhecido também por fio terra. No tipo TN o neutro fornecido pela concessionária, teoricamente também igual a zero volts, é ligado ao ponto de aterramento. O terra corresponde ao terceiro pino das tomadas, sendo os outros dois o neutro e a fase, ou melhor, as fases L1, L2 e L3, pois o padrão elétrico brasileiro é do tipo trifásico. Massa é um termo utilizado para designar os equipamentos elétricos e suas carcaças. O mais típico é o tipo TN-S, onde as massas ligam-se em pontos separados ao neutro e ao condutor de proteção.

Esquema TN-S (do site Mundo da Elétrica). 

Um esquema comum é a variante TN-C, onde as massas são ligadas no neutro e no condutor PE no mesmo ponto, o que não é recomendável, pois isso diminui a segurança do aterramento.

Esquema TN-C (do site Mundo da Elétrica)

Ainda existe o tipo TN-C-S, intermediário entre o TN-C e o TN-S, onde as massas que requerem mais proteção são ligadas como no tipo TN-S e as demais, como no tipo TN-C.

O esquema TN-C-S (do site Mundo da elétrica)

O tipo TT é mais indicado, pois o condutor de segurança não é ligado diretamente ao neutro, e isso significa dois caminhos de fuga para a corrente, impedindo que ela chegue aos usuários ou gere cargas nos equipamentos. Geralmente é mais usado em empresas, pois requer mais de um ponto de aterramento, um para o neutro e outro para o "fio terra".

Esquema TT (do site Mundo da Elétrica).

Já o tipo IT utiliza uma impedância, geralmente um dispositivo de alta resistência, entre o neutro e o solo, enquanto o condutor é aterrado em outro ponto diretamente. Esse esquema é mais utilizado em indústrias que precisam funcionar mesmo em períodos de manutenção elétrica, pois a corrente externa de curto-circuito acaba sendo significativamente mais baixa em relação à de outros tipos.

Esquema do tipo IT, identificado por B); o A) corresponde ao tipo TT (do site Mundo da Elétrica).

Para finalizar esta série, existem equipamentos chamados de "módulos isoladores", usados para criarem uma espécie de "terra virtual" para quem não quer gastar com aterramentos. Este blog vai abordar isso em breve.

Da série 'Proteção na Tomada', parte 3 - Os 'Nobreaks'

Este blog abordou os filtros de linha e os estabilizadores, dispositivos mais baratos e com nível de proteção muitas vezes insuficiente para os aparelhos eletrônicos. 

Agora, esta postagem vai falar sobre os nobreaks, cuja característica principal é ter pelo menos uma bateria embutida, para fornecimento de energia de forma temporária na ausência de energia da rede. 

Visualmente, os modelos mais encontrados podem ser confundidos, externamente, com os estabilizadores, mas esses aparelhos não são simples versões destes com uma bateria. 

Em comum com os estabilizadores, os nobreaks possuem um transformador e um supressor de ruídos com varistores e filtros. Porém, apenas os modelos mais básicos são controlados por relés para o ajuste de tensão. Estes são chamados de nobreaks do tipo off-line, ou short-break. 

Os short-break são chamados assim porque levam algum tempo para acionarem a bateria após uma queda mais forte de energia, sendo portanto inadequados a aparelhos que precisem estar ligados permanentemente, como aparelhos hospitalares. 

Os nobreaks encontrados nas lojas são do tipo off-line ou short-break

Quando o fornecimento de energia está "normal", este tipo básico de nobreak funciona aproximadamente como um estabilizador, contando com componentes de melhor qualidade e menor tempo de resposta em relação aos estabilizadores abordados na postagem anterior. No caso de interrupção de energia, o controle detecta a anomalia e aciona a chave para fechar o circuito com a bateria (ou as baterias, em caso de modelos de maior capacidade), e esta passa a ser a fonte de energia temporária, alimentando um conversor de corrente contínua (fornecida pela bateria) para alternada. Em geral, short-breaks são equipados com conversores do tipo PWM, que fornecem onda quadrada ou semi-senoidal. Logo, este tipo de fornecimento provisório não é adequado para componentes mais delicados, como equipamentos de som, os quais podem apresentar ruídos ou mesmo não funcionar. Para computadores e equipamentos de vídeo, a qualidade não é a ideal, mas eles conseguem suportar por algum tempo.

Com o restabelecimento da energia, o controle abre a chave e a bateria passa a ser carregada pela rede elétrica, com o intermédio de um retificador que converte a corrente alternada para a contínua.

Como se vê, a solução já é melhor do que nos casos anteriores, mas para muitos equipamentos ainda há problemas. Mas, para quem pode pagar, há uma solução. 

Em nobreaks mais caros, geralmente custando mais de R$ 1.500,00 em cotação atual, o circuito é diferente, conforme a ilustração abaixo: 

O circuito de um nobreak propriamente dito, chamado de on-line. 

Outra ilustração, um pouco mais detalhada, mostrando o diagrama de um circuito nobreak on-line (do site Energia Extra)

Este modelo é chamado de nobreak on-line, conhecido assim porque a trajetória da corrente entre a rede elétrica e os equipamentos eletrônicos é, grosseiramente, linear. Em funcionamento normal, o controle bypass fecha a chave para o lado do fornecimento direto de energia, que vai para o transformador isolador. No caso de energia de má qualidade, com muitos ruídos e transientes, o controle detecta o problema e o bypass aciona a chave para o circuito de dupla conversão: a energia elétrica irregular passa para a fonte retificadora, é convertida em corrente contínua, vai para o circuito corretor de fator de potência, para minimizar as perdas, e depois é reconvertida em corrente alternada. Esta corrente ainda precisa passar pelo transformador, para a saída ser uma onda senoidal.

No caso de interrupção de energia, a bateria é acionada, e a corrente contínua fornecida passa para o conversor de saída, e depois para o circuito com transformador, para fornecimento de energia tal como seria se não houvesse o apagão.

Dessa forma, este tipo de nobreak passa a ser adequado para todos os aparelhos eletrônicos. Este passaria a ser a solução quase ideal. O problema é o alto custo.

Por outro lado, os nobreaks devem ser aterrados para funcionarem de forma plenamente satisfatória. Na próxima postagem, o blog abordará o processo de aterramento.

Da série 'Proteção na Tomada', parte 2 - Estabilizadores

Continuando a série sobre os dispositivos para proteção elétrica, este blog vai abordar os estabilizadores. 

Existe um questionamento a respeito da diferença entre esses aparelhos e os filtros de linha, mais baratos. Os estabilizadores, para o controle dos chamados transientes (irregularidades no sinal elétrico, em forma de onda ou senoide), utilizam um transformador embutido, para fornecer a tensão correta. Isso é controlado com a ajuda de relés, conforme a ilustração abaixo: 

Esquema básico de um estabilizador usado em computadores (do site Eletrecidade.com)

Os relés R1 e R2 são acionados por um circuito de controle, sendo ativados ou desativados para o primário do transformador ter um número de espiras, ou "enrolamentos", compatível. Para uma tensão de saída igual à de entrada, a relação entre o número de espiras do primeiro e do secundário (a parte do transformador ligada à saída) é de 1:1. Se a relação for 2:1, a tensão de entrada é de 220 V e a de saída, 110 V. 

Numa relação 1:1, o relé R1 é acionado (fechado), curto-circuitando parte do transformador e só deixando ativas as espiras entre o ponto de saída do circuito supressor de surtos (uma combinação de indutores, capacitores, resistências e ao menos um varistor) e o ponto A da ilustração. O relé R2 é mantido aberto (desativado). Para quedas de tensão na rede, o relé R2 é ativado e o relé R1 é desativado, diminuindo o número de espiras válidas no primário. 

Normalmente, um bom estabilizador teria mais relés, pelo menos quatro, para ajustar adequadamente a tensão no transformador. Assim, teoricamente, o estabilizador serviria também para resolver problemas de subtensão, algo que os filtros de linha não fazem. 

Muitos técnicos dizem que eles não são eficazes para controlar efetivamente os transientes e as variações de tensão, pois o tempo de resposta dos relés, que são componentes eletromecânicos, é geralmente lento, e o filtro supressor de surtos pode também não impedir transientes muito intensos. 

Assim, existem outras soluções melhores do que o estabilizador. Um deles é o no-break, assunto de uma próxima postagem. 

Da série 'Proteção na Tomada', parte 1 - Filtros de linha

A energia elétrica fornecida para nossas casas está cheia de problemas, causados pelo desgaste natural dos componentes elétricos, como fios, conexões, fusíveis, disjuntores e transformadores, e pela relativamente pouca robustez no fornecimento, vulnerável a raios e interferência eletromagnéticas, e nem sempre contando com a manutenção adequada da rede, além do perigo das instalações elétricas clandestinas, conhecidas como "gatos". 

Alguns perigos capazes de ameaçar os equipamentos eletrônicos dentro das residências são: 

- ruidos, causados por interferências eletromagnéticas desencadeadas por torres de transmissão, lâmpadas fluorescentes, eletrodomésticos; os ruídos possuem frequência bem maior do que a fornecida pela rede (60 Hz, no Brasil);

- transientes, ou seja, variações do sinal elétrico, que deixa de ter um formado de onda (ou senoide) uniforme e regular; são causados por motores elétricos de alta potência e transformadores elétricos;

- picos de tensão, causados por descargas elétricas e curto-circuitos; a tensão (voltagem) normal das casas é de 127 V ou 220 V, mas pode sofrer aumento repentino; 

- subtensão, quando a tensão fornecida pela concessionária fica abaixo da especificação, ou seja, quando ela fornece tensões de 100 V ou menos para uma rede de 127 V; ocorre também quando há presença de "gatos", comprometendo o fornecimento de energia para as outras residências.

Filtros de linha estão entre os equipamentos mais utilizados para a proteção de aparelhos eletrônicos, principalmente consoles de videogames e computadores, devido ao seu baixo preço. 

Seu circuito elétrico é constituído de um ou mais fusíveis para impedir os efeitos das sobretensões e do excesso de corrente elétrica, e varistores ou VDR's, resistores especiais que variam a resistência (isto é, permitem mais ou menos corrente) de acordo com a tensão. Esses varistores são os componentes principais para a filtragem dos sinais, juntamente com capacitores e, em vários casos, também indutores (bobinas). 

Isso garante um nível de proteção mínimo contra surtos e transientes, mas geralmente os tempos de resposta são grandes, isto é, são relativamente "lentos" para atuar, e não há um dispositivo especial para desviar o excesso de corrente para o terra, chamado de DPS (Dispositivo de Proteção contra Surtos), salvo nos modelos mais sofisticados e caros. Neste caso, funcionam melhor quando existe um sistema de aterramento, algo nem sempre presente nas casas (este blog vai abordar este problema em uma nova postagem). 

Esquema simplificado de um filtro de linha (do site Conserto DE)

Princípio de funcionamento de um DPS industrial; os presentes em filtros de linhas são de pequena capacidade, e são acoplados a microdisjuntores (do site Citisystems.com.br)

Os filtros de linha, portanto, não são a melhor solução para proteger equipamentos eletrônicos. Na próxima postagem, o blog abordará o estabilizador de tensão, destacando suas vantagens, ou mesmo desvantagens, sobre os melhores filtros de linha.

As chuvas estão vindo!

Está começando a temporada de chuvas no Brasil. Se por um lado isso representa um alívio na situação das represas e do funcionamento das usinas hidrelétricas, ainda a principal fonte de eletricidade do país, por outro significa um problema para os aparelhos eletrônicos das casas. 

Para proteger os aparelhos eletrônicos, é necessário cogitar o uso de algum dispositivo de proteção. Os mais comuns são os filtros de linha, os estabilizadores, os no breaks, os reguladores de voltagem e os controladores de energia (ou de potência). Isso sem falar em um procedimento relativamente pouco usado no Brasil: o aterramento. 

Farei uma série ao longo dos próximos dias para explicar o funcionamento de cada um desses aparelhos, e seu nível de proteção contra a sobretensão causada pelos raios, e também a subtensão responsável pela má qualidade da eletricidade nas casas. 

Porém, este blog não deixará de abordar outros assuntos, como a repercussão da escolha do novo ministro da Educação, o filósofo colombiano naturalizado brasileiro Ricardo Vélez Rodriguez. Ele acabou sendo o nome escolhido, para agradar os conservadores, e tem o respaldo de um dos "gurus" do presidente eleito: o também filósofo (e astrólogo, como apontam os desafetos) Olavo de Carvalho. Acharam o nome de Mozart Neves muito pouco comprometido com as bandeiras da "Escola Sem Partido" e o combate à influência marxista na formação dos nossos jovens.