Aeronaves · sistemas elétricos

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Baterias Chumbo-Ácido: densímetro, faixas de carga e métodos de carga

Funcionamento, densímetro, faixas de carga e métodos de carga

Baseado em: [FAA-9] Aviation Maintenance Technician Handbook — Airframe (FAA-H-8083-31B), cap. 9 · [IAC-MB8] Materiais Elétricos — Eletricidade Básica, cap. 8

Prof. Fabriciu Alarcão Veiga Benini

Professor de Ensino Básico, Técnico e Tecnológico · Área Aeronáutica
Engenheiro Eletricista · Mestre em Sistemas Dinâmicos · Doutor em Telecomunicações

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SÃO PAULO
Campus São Carlos · Técnico em Manutenção de Aeronáutica em Célula

O cenário · a bordo

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A bateria a bordo da aeronave

Baterias de aeronaves: baixa capacidade e sujeitas a grandes cargas.
A carga vem por corrente contínua do sistema do gerador.
Testes com densímetro são feitos periodicamente nas baterias instaladas.
A alta demanda de energia reduz a margem de segurança.

Vocabulário · o eletrólito

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Quatro termos que sustentam o conteúdo

Eletrólito: a solução de água e ácido sulfúrico dentro da célula.
Densidade (peso específico): peso do eletrólito ÷ peso de igual volume de água pura.
Densímetro: o instrumento que mede a densidade do eletrólito.
Resistência interna: a oposição que a célula oferece à corrente.

Vocabulário · carga e descarga

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Carga, descarga e o sulfato

Carga: devolver energia à bateria.
Descarga: retirar energia da bateria.
Sulfato de chumbo (PbSO₄): forma-se nas placas na descarga e volta a dissolver na carga — normal e reversível.
Sulfatação: o sulfato que endurece e NÃO se reverte — a deterioração.

As perguntas · cinco

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O que este tema responde

O que é o eletrólito e como a densidade indica o estado de carga?
Como a tensão da célula se comporta?
Quais fatores encurtam a vida da bateria?
Como se usa o densímetro para avaliar a carga?
Como se carrega uma bateria chumbo-ácido com segurança?

Elemento simples de bateria: eletrodos positivo e negativo imersos no eletrólito. Fonte: LV.

A célula · energia

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A célula armazena e converte

A célula chumbo-ácido armazena energia na forma de energia química.
Ela converte essa energia química em energia elétrica quando conectada a um circuito.

A descarga · o que se forma

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O que se forma durante a descarga

Forma-se sulfato de chumbo (PbSO₄) em ambas as placas, positiva e negativa.
Diminui a quantidade de ácido do eletrólito.
A quantidade de água aumenta.

A descarga · quando avança

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Quando a descarga avança demais

O eletrólito enfraquecido deixa de atingir os materiais ativos (chumbo e peróxido de chumbo).
A reação química é retardada e a produção da célula é reduzida.
As finas coberturas de sulfato são difíceis de remover no carregamento.

A descarga · o fim

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A cobertura de sulfato e o fim

Perto da descarga total, a célula vai-se tornando imprestável.
A cobertura de sulfato reduz a corrente a níveis tão baixos que inutilizam a célula.
As finas coberturas de sulfato são difíceis de remover no carregamento.

O sulfato · reversível ou não

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Sulfato de chumbo: normal × sulfatação

Todo ciclo de descarga forma PbSO₄ nas placas — normal e reversível.
Carregando, esse sulfato sai e o ácido volta: a bateria recupera.
A sulfatação é diferente: sulfato que endurece e não se reverte na carga.
É ela que aparece como causa de morte da bateria.

A descarga · em uma frase

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O que a descarga faz, em uma frase

A descarga consome o ácido, produz água e cobre as placas de sulfato de chumbo.
O eletrólito fica mais fraco e as placas ficam isoladas.
É por isso que a bateria "acaba".

A carga · o inverso

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A carga é o inverso da descarga

O processo de carga é o inverso da descarga.
O sulfato de chumbo é removido das placas.
O ácido sulfúrico é novamente formado.

A carga · o que muda

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O que muda durante a carga

O sulfato é removido de ambas as placas, positiva e negativa.
O ácido sulfúrico é novamente formado.
Durante o processo, diminui a quantidade de água.
A densidade do eletrólito aumenta.

A carga · em uma frase

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O que a carga faz, em uma frase

A carga remove o sulfato das placas.
Produz ácido sulfúrico e consome água.
O eletrólito fica mais denso.
É por isso que a densidade indica o estado de carga.

A tensão · a célula

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A tensão de uma célula

Célula chumbo-ácido sem carga: aproximadamente 2,2 volts.
O mesmo valor para qualquer célula, independentemente do tamanho.
A célula mantém esse valor até estar praticamente inativa.
Muito perto da descarga total, a voltagem declina rapidamente.

A tensão · durante a descarga

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Como a tensão cai durante a descarga

A voltagem da célula com carga diminui gradualmente conforme é descarregada.
O decréscimo deve-se ao aumento gradual da resistência interna da célula.
O aumento da resistência interna é causado pela sulfatação das placas.

A resistência interna · no fim

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A resistência interna ao fim da descarga

Ao final de uma descarga normal, a resistência interna de uma célula chumbo-ácido é duas vezes maior do que quando ela está completamente carregada.

A resistência interna · a queda

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A queda de tensão na resistência interna

A diferença entre a bateria com carga e sem carga é a queda de voltagem no interior da célula.
Voltagem em circuito fechado = voltagem de circuito aberto − queda de RI na célula.
Para fornecer alta corrente e manter alta voltagem, a bateria deve ter baixa resistência interna.

O fio condutor · as três grandezas

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A espinha dorsal: densidade, resistência e tensão

A descarga consome o ácido: a densidade cai.
Mais sulfato cobre as placas: a resistência interna sobe.
Com a resistência maior, a tensão de circuito fechado cai.
Três grandezas, uma cadeia: densidade cai → RI sobe → tensão cai.

A resistência interna · por que importa

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Por que a resistência interna importa

A resistência interna faz a tensão da bateria "cair" quando se puxa corrente.
Resistência interna alta não dá corrente suficiente para a partida — a tensão nos terminais despenca.
Uma bateria "fraca" mede 12,6 V sem carga, mas cai para 8 V ao acionar o motor de partida.

Classificação · a tensão

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A tensão da bateria vem das células

A tensão da bateria é determinada pelo número de células em série.
Removida do carregador, a célula está em ~2,2 V; é considerada como 2 V, pois logo cai para esse valor.
12 V = 6 células; pela mesma regra, 24 V = 12 células.
Cada célula contribui com ~2 V para a tensão total.

Classificação · a capacidade

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A capacidade em ampères-hora

A capacidade de armazenagem é referida em ampères-hora (Ah).
Ah = ampères fornecidos pela bateria × tempo de fornecimento da corrente.
A classificação indica por quanto tempo a bateria pode fornecer uma corrente determinada.

Capacidade · taxa de uma hora

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A taxa de uma hora

A taxa de uma hora é a taxa de descarga suportada por 1 hora.
Limite: tensão em ou acima de 1,67 V por célula.
Equivale a 20 V numa bateria de 24 V e a 10 V numa de 12 V.
A capacidade de uma hora é a taxa de descarga × o tempo até a tensão final.

Capacidade · taxa de emergência

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A taxa de emergência

A taxa de emergência é a carga essencial total, em ampères, para alimentar o barramento essencial por 30 minutos.
É a taxa de descarga que a bateria suporta por 30 minutos.
Mesmo limite: em ou acima de 1,67 V por célula (20 V em 24 V; 10 V em 12 V).

Capacidade · as duas taxas

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As duas taxas, em uma frase

A taxa de uma hora diz quanta corrente a bateria fornece por 1 hora até chegar a 1,67 V por célula.
A taxa de emergência diz quanta corrente ela fornece por 30 minutos até o mesmo limite.
Ambas são medidas em ampères-hora.

Deterioração · o que a encurta

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O que encurta a vida da bateria

Muitos fatores causam a deterioração de uma bateria e encurtam sua vida útil.
O texto em português lista os principais; a lista é do tipo "isto inclui" — não exaustiva.

Deterioração · sobrecarga

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Sobrecarga e carga/descarga rápidas

Sobrecarga provoca excesso de sulfatação.
Carga e descarga muito rápidas resultam em superaquecimento das placas.
O superaquecimento causa desprendimento do material ativo.

Deterioração · acúmulo

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Acúmulo de material e descarga interna

O acúmulo do material liberado causa curto-circuito entre as placas.
O curto-circuito entre as placas resulta em descarga interna.

Deterioração · carga baixa

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Carga baixa por longo período

Uma bateria que permaneça com carga baixa, ou descarregada por longo período, pode ficar permanentemente danificada.

Deterioração · os quatro

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Os quatro fatores, em uma frase

Sobrecarga: provoca excesso de sulfatação.
Carga e descarga rápidas: superaquecem as placas e desprendem o material ativo.
Acúmulo de material: curto-circuito entre as placas e descarga interna.
Carga baixa prolongada: pode danificar a bateria permanentemente.

Saúde da bateria · como avaliar

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Como se avalia o estado de saúde

O estado de saúde de uma bateria chumbo-ácido pode ser determinado por três vias.
1. Medição de densidade do eletrólito.
2. Teste de carga.
3. Inspeção visual.

Saúde da bateria · reabastecimento

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Reabastecimento frequente: o que indica

Se a bateria precisa ser reabastecida com frequência e não há vazamento externo, pode indicar:
Um estado ruim da bateria.
Um estado ruim do sistema de carga da bateria.
Uma condição de sobrecarga.

Tabela de correção da leitura do densímetro pela temperatura. Fonte: LV (FAA-H-8083).

O densímetro · o que mede

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O que o densímetro mede

A situação de carga depende das condições dos materiais ativos, basicamente das placas.
A condição de carga da bateria é indicada pela densidade do eletrólito.
E essa densidade é verificada pelo uso de um densímetro.

Grupo de placas e bujões de respiro da bateria chumbo-ácido. Fonte: LV.

O densímetro · o instrumento

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O densímetro: como funciona e como se lê

Pequeno tubo de vidro, mais pesado embaixo, que flutua na vertical dentro de uma seringa.
Dentro do tubo há uma escala na faixa de 1.100 a 1.300.
Quanto mais denso o eletrólito, mais alto flutua o tubo.
Leitura 1.275: o eletrólito é 1,275 vez mais pesado que a água pura.

O eletrólito · composição

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A composição do eletrólito

Numa bateria nova, totalmente carregada: ~30% de ácido sulfúrico e ~70% de água, por volume.
A densidade dessa mistura é de aproximadamente 1.300.
Ou seja: o eletrólito é 1,3 vez mais pesado que a água pura.

As faixas · três condições

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As três faixas de carga

Durante a descarga o eletrólito torna-se menos denso.
1.300 a 1.275: boa condição de carga.
1.275 a 1.240: condição média.
1.240 a 1.200: baixa condição de carga.
Quanto menor a densidade, menor a carga da bateria.

As faixas · abaixo de 1.200

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Abaixo da faixa baixa

A escala do densímetro vai de 1.100 a 1.300.
As condições de carga são definidas até 1.200 (baixa condição).
O que ocorre abaixo de 1.200: a bateria está profundamente descarregada. Nessa condição, o eletrólito é predominantemente água e a bateria pode estar permanentemente danificada.

A decisão · o elo

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Da densidade à decisão: o elo dos 50%

O técnico decide o estado de carga pela leitura do densímetro, não por um número abstrato.
Na aeronave, "cerca de 50%" de carga é o gatilho de recarga.
~50% corresponde, na prática, ao piso da faixa baixa — leitura próxima de 1.200.
Densidade ≈ 1.200 é a leitura em que a bateria da aeronave pede recarga.

Na aeronave · o limite de 50%

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Por que 50% já pede recarga na aeronave

Baterias de aeronaves: geralmente de baixa capacidade e sujeitas a grandes cargas.
Testes com densímetro são feitos periodicamente em todas as baterias instaladas.
Uma bateria de aeronave com cerca de 50% de carga é considerada com necessidade imediata de recarga, devido à alta demanda de energia.

O densímetro · cuidados

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Cuidados ao usar o densímetro

Meça célula a célula: o critério de divergência só faz sentido com a leitura isolada de cada célula.
Devolva o eletrólito à mesma célula de onde foi extraído.
Se a diferença entre as células for de 0,050 ou mais, considere a substituição.
Ajuste o nível com água destilada — nunca adicione eletrólito.

O densímetro · o procedimento

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O procedimento do densímetro em 4 passos

Verter uma amostra do eletrólito no tubo de medição do densímetro.
Ler a densidade na escala do densímetro (o flutuador indica o valor).
Corrigir a leitura pela temperatura usando a tabela de correção.
Comparar o valor corrigido com as faixas de carga (boa, média, baixa).

Correção · por que corrigir

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Por que corrigir a densidade

O peso específico do eletrólito varia com a temperatura.
Ao testar com densímetro, a temperatura do eletrólito deve ser considerada.
Isso porque o peso específico varia com a mudança de temperatura.

Correção · o sinal

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Por que o quente exige soma

Eletrólito quente se dilata: fica menos denso e a leitura sai baixa.
Por isso, acima da referência, soma-se um valor à leitura.
Eletrólito frio contrai: fica mais denso e a leitura sai alta.
Por isso, abaixo da referência, subtrai-se um valor.

Correção · a faixa zero

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A faixa de correção zero

Nenhuma correção é necessária quando a temperatura está entre 21 °C e 32 °C.
Nessa faixa, a variação é considerada desprezível.

Correção · fora da faixa

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O que fazer fora da faixa

Acima de 32 °C ou abaixo de 21 °C: é necessário aplicar fator de correção.
Alguns densímetros têm escala de correção interna.
Outros exigem o uso de tabelas de correção fornecidas pelo fabricante.

Ligações para carga de baterias. Fonte: LV.

Correção · a tabela da FAA

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A tabela de correção da FAA

O texto em inglês traz uma tabela de correção de temperatura para o eletrólito — 18 linhas, de +60 °C a −35 °C.
Ela dá os pontos a subtrair ou adicionar às leituras de densidade, conforme a temperatura.
Correção zero exatamente a 27 °C (80 °F); de +0,024 a 60 °C até −0,044 a −35 °C.
O fator corrige a leitura de densidade, célula a célula — vale para qualquer bateria chumbo-ácido.

Correção de temperatura é o ajuste aplicado à leitura do densímetro para compensar a dilatação do eletrólito: acima de 27 °C soma-se pontos à leitura; abaixo, subtrai-se.

Exemplo: leitura de 1,250 a 30 °C → 1,250 + 0,012 = 1,262 (faixa média: 1.275–1.240).

Temperatura (°C)	Correção (pontos)	Operação
+60	+0,024	Adicionar
+50	+0,020	Adicionar
+40	+0,016	Adicionar
+35	+0,014	Adicionar
+30	+0,012	Adicionar
+27	0,000	Sem correção
+25	−0,004	Subtrair
+20	−0,008	Subtrair
+15	−0,012	Subtrair
+10	−0,016	Subtrair
+5	−0,020	Subtrair
0	−0,024	Subtrair
−5	−0,028	Subtrair
−10	−0,032	Subtrair
−15	−0,036	Subtrair
−20	−0,040	Subtrair
−30	−0,044	Subtrair
−35	−0,048	Subtrair

Referência: 27°C — correção zero. Acima: adicionar. Abaixo: subtrair.

Correção · como usar

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Como usar a tabela

Se a temperatura do eletrólito for maior que 27 °C (80 °F), adicione o valor indicado.
Se for menor que 27 °C, subtraia o valor indicado.
A 27 °C, a correção é zero.
Exemplos das colunas: 60 °C → +0,024; 43 °C → +0,012; 15 °C → −0,008; −35 °C → −0,044.

Correção · dois procedimentos

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Duas práticas distintas

O texto em português usa uma banda: entre 21 °C e 32 °C, nada se corrige.
A tabela da FAA usa um ponto: correção zero a 27 °C, crescendo dos dois lados.
São dois procedimentos independentes — não um "arredondamento" do outro.
Escolha um procedimento e use-o consistentemente: na bancada, use a faixa 21–32 °C (sem correção); para precisão fina, use a tabela da FAA (correção a partir de 27 °C).

Teste com um medidor de continuidade. Fonte: LV.

Métodos de carga · os dois

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Os dois métodos de carga

A carga pode ser feita pelo método de tensão constante (CV).
Ou pelo método de corrente constante (CC).
Cada um convém a uma situação diferente.

Tensão constante · o método

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O método de tensão constante (CV)

O método de tensão constante é o preferido para baterias chumbo-ácido.
Nesse método, a tensão de carga é mantida fixa.
A corrente diminui à medida que a bateria carrega.

Tensão constante · no avião

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O sistema de carga no avião

O sistema de carga da bateria em um avião é do tipo tensão constante.
Um gerador acionado pelo motor é conectado, pelo sistema elétrico, diretamente à bateria.
Um interruptor de bateria permite desconectá-la quando o avião não está em operação.

Tensão constante · os valores

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As tensões dos sistemas de 12 V e 24 V

A tensão do gerador é controlada por um regulador de tensão no circuito de campo.
Para um sistema de 12 volts, o regulador ajusta o gerador para aproximadamente 14,25 volts em regime.
Nota: 14,25 V é a tensão de regulação de linha; o teto de 2,35 V/célula se aplica à carga.
Em sistemas de 24 volts, o ajuste deve ficar entre 28 e 28,5 volts.

Tensão constante · a corrente

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Como a corrente se comporta no método CV

No início da carga, a corrente através da bateria é alta.
Conforme o estado de carga sobe, a tensão da bateria sobe e a corrente diminui.
Totalmente carregada, a tensão quase iguala a do gerador e pouca corrente flui.
Com corrente baixa, a bateria pode ficar conectada ao gerador sem danos.

Tensão constante · em uma frase

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O método CV, em uma frase

No CV, a tensão de carga é mantida fixa e a corrente diminui automaticamente conforme a bateria carrega.
É o método usado na aeronave.
O regulador de tensão do gerador mantém a tensão constante e a bateria carrega sozinha.
O método de voltagem constante requer menos tempo e supervisão do que o de corrente constante.

Corrente constante · o método

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O método de corrente constante (CC)

O método de corrente constante é o mais conveniente para carregar baterias fora da aeronave.
Várias baterias de tensões diferentes podem ser carregadas ao mesmo tempo no mesmo sistema.
No método CC, a corrente se mantém quase constante durante todo o processo de recarga.

Corrente constante · o que exige

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O que o método CC exige

O método CC exige um tempo maior para carregar completamente a bateria.
Necessita de acompanhamento para evitar sobrecarga à medida que o processo avança.
Não há a diminuição automática da corrente que, no CV, protege contra a sobrecarga.
O critério exato de parada: considera-se que a bateria está completamente carregada quando a densidade do eletrólito atinge o valor máximo e não aumenta mais durante duas medições consecutivas com intervalo de uma hora.

Corrente constante · em uma frase

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O método CC, em uma frase

No método CC, a corrente se mantém fixa durante toda a carga.
Exige mais tempo e mais supervisão, porque não há a diminuição automática da corrente.
É útil para carregar várias baterias de tensões diferentes ao mesmo tempo.

A tensão de carga · maior

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A tensão de carga tem de ser maior

Recarrega-se aplicando corrente contínua na direção oposta à da descarga.
A voltagem usada precisa ser superior à da bateria sem carga, por causa da resistência interna.
V de carga = V sem carga + a queda de RI no interior (corrente × resistência interna).

A tensão de carga · a conta

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A conta da tensão de carga

Uma bateria de 12 elementos (24 V) tem tensão sem carga de ~26,4 V (12 × 2,2 V).
Para carregá-la, são necessários 28 V.
A diferença (28 − 26,4 = 1,6 V) é a queda na resistência interna durante a carga.
Sem essa tensão adicional, a corrente de carga não entra na bateria.

A tensão de carga · o limite

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O limite de 2,35 V por célula

Durante a carga, a tensão por célula não deve exceder 2,35 volts (teto instantâneo).
Numa bateria de 12 elementos (24 V), isso corresponde a 12 × 2,35 = 28,2 V.
Esse valor é compatível com os 28 a 28,5 V recomendados para sistemas de 24 V.

Segurança · os gases

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Os gases produzidos na carga

Quando uma bateria está sendo carregada, é produzida uma certa quantidade de hidrogênio e oxigênio.
Trata-se de uma combinação de gases explosiva.
É importante adotar medidas de prevenção contra a ignição dessa mistura.

Segurança · três regras

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As três regras de segurança (gás)

Afrouxar as tampas de ventilação, conservando-as no lugar: os gases precisam sair.
Evitar chamas, centelhas e outros pontos de ignição nas proximidades.
Antes de conectar e desconectar a bateria em carga, desligar a energia por uma chave remota.

Segurança · o ácido

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O ácido é o outro risco: EPI e primeiros socorros

O eletrólito é ácido sulfúrico concentrado: queima pele e olhos ao contato.
Use luvas, óculos ou visor e avental resistentes a ácido ao manusear.
Em respingo: enxágue imediatamente com água em abundância; neutralize com bicarbonato de sódio.
O manejo do ácido: em caso de contato com a pele, lave imediatamente com água em abundância por pelo menos 15 minutos e procure atendimento médico. Use sempre luvas, óculos ou visor e avental resistentes a ácido.

Encerramento · a bateria

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Encerramento: como a bateria se comporta

A bateria armazena energia química e a converte em elétrica; o eletrólito indica o estado de carga pela densidade.
A célula tem ~2,2 V; a tensão cai na descarga pelo aumento da resistência interna.
Classificação: 6 células = 12 V, 12 células = 24 V; capacidade em ampères-hora.

Glossário

Barramento essencial: rede elétrica que alimenta os sistemas vitais da aeronave.
Carga (bateria): processo de devolver energia à bateria.
Densidade (peso específico): razão entre o peso do eletrólito e o peso de igual volume de água pura.
Densímetro: instrumento que mede a densidade do eletrólito.
Descarga: processo de retirar energia da bateria.
Eletrólito: solução de água e ácido sulfúrico dentro da célula.
Regime de emergência: taxa de descarga que a bateria suporta por 30 minutos.
Regime de uma hora: taxa de descarga que a bateria suporta por 1 hora.
Sulfatação: acúmulo de sulfato de chumbo nas placas que não se reverte na carga.

Verificação

Exercícios

Verificação de Aprendizado

Pergunta 1: Como se mede a densidade do eletrólito?
Ver resposta
Com um densímetro, que flutua no eletrólito e indica a densidade em uma escala.
Pergunta 2: Quais são as faixas de carga?
Ver resposta
Boa (1.300–1.275), média (1.275–1.240), baixa (1.240–1.200).
Pergunta 3: Por que corrigir a densidade pela temperatura?
Ver resposta
Porque a densidade varia com a temperatura: eletrólito quente se dilata e fica menos denso.

Encerramento · o teste e a carga

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Encerramento: como se testa e se carrega

Densímetro mede a densidade (escala 1.100–1.300); faixas: boa (1.300–1.275), média (1.275–1.240), baixa (1.240–1.200); leitura célula a célula, corrigida pela temperatura.
Carga por tensão constante (CV, a da aeronave) ou corrente constante (CC); a tensão de carga supera a da bateria e não excede 2,35 V por célula.
Segurança: tampas afrouxadas, sem chamas, energia desligada ao conectar — e EPI contra o ácido.