Module 3: Electrical Fundamentals

Module 3: Fundamentos Elétricos — Material de Estudo EASA Part-66 Categoria B1.4

Visão Geral

O Módulo 3 do programa EASA Part-66 (Anexo I do Regulamento (UE) n.º 1321/2014, Anexo III) fornece o conhecimento fundamental da teoria e prática elétrica necessário para o pessoal certificador que trabalha em aeronaves. Para a Categoria B1.4 (helicópteros com motores a turbina), este módulo cobre os princípios fundamentais da eletricidade, desde a teoria atómica básica até à geração de CA complexa e dispositivos semicondutores. O módulo está estruturado em 14 sub-tópicos (3.1 a 3.14), cada um abordando uma área específica dos fundamentos elétricos.

Os níveis de conhecimento para este módulo variam do Nível 1 (visão geral) para conceitos básicos ao Nível 3 (teoria detalhada) para áreas críticas como geradores de CC, geradores de CA, transformadores e dispositivos semicondutores. Este material de estudo sintetiza o conhecimento essencial necessário para a licença B1.4, com especial ênfase em aplicações específicas de helicópteros, como sistemas de 28 V CC, geração de CA de 400 Hz, geradores de arranque e sistemas de baterias.

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3.1 Teoria do Eletrão e Eletrostática

Estrutura Atómica e Carga

Toda a matéria consiste em átomos que contêm três partículas primárias:

• Protões — com carga positiva, localizados no núcleo
• Neutrões — eletricamente neutros, localizados no núcleo
• Eletrões — com carga negativa, em órbita do núcleo em camadas

A unidade fundamental de carga é o coulomb (C), onde um coulomb equivale a aproximadamente 6,24 × 10¹⁸ eletrões. A carga de um único eletrão é de aproximadamente −1,602 × 10⁻¹⁹ C.

Condutores, Isoladores e Semicondutores

Os materiais são classificados pela sua capacidade de conduzir corrente elétrica:

O silício é o material semicondutor mais utilizado para díodos de potência em alternadores de aeronaves devido à sua elevada tolerância à temperatura e baixa corrente de fuga.

Princípios Eletrostáticos

• Cargas iguais repelem-se; cargas opostas atraem-se
• Campo elétrico — a região em torno de um corpo carregado onde uma força é exercida sobre outras cargas
• Capacitância — a capacidade de armazenar carga num campo elétrico, medida em farads (F)

A relação entre carga (Q), capacitância (C) e tensão (V) é:

Q = C × V

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3.2 Terminologia Elétrica e Circuitos de CC

Unidades Fundamentais

Lei de Ohm

A relação fundamental entre tensão, corrente e resistência:

V = I × R

Onde:

• V = tensão em volts (V)
• I = corrente em amperes (A)
• R = resistência em ohms (Ω)

Exemplo de cálculo: Uma válvula operada por solenoide num sistema de 28 V CC tem uma resistência de bobina de 14 Ω. A corrente consumida é:

I = V / R = 28 V / 14 Ω = 2 A

Potência Elétrica

A potência é a taxa à qual a energia elétrica é convertida noutra forma. Em circuitos de CC:

P = V × IFormas alternativas usando a substituição da lei de Ohm:

• P = I² × R
• P = V² / R

Exemplo de cálculo: Um sistema DC de 28 V com uma carga que consome 10 A dissipa:

P = 28 V × 10 A = 280 W

Exemplo de cálculo: Uma carga com 24 V aos seus terminais e 12 Ω de resistência dissipa:

P = V² / R = 24² / 12 = 576 / 12 = 48 W

Resistência e Condutores

A resistência de um condutor depende de:

• Comprimento (L) — a resistência é diretamente proporcional ao comprimento
• Área da secção transversal (A) — a resistência é inversamente proporcional à área
• Resistividade do material (ρ) — uma propriedade do material

R = ρ × L / A

Exemplo: Se um fio tem uma resistência de 0,5 Ω e o seu comprimento é duplicado (com a mesma área da secção transversal e o mesmo material), a nova resistência passa a ser 1,0 Ω.

Um barramento com uma resistência de 0,001 Ω indica uma condutividade excelente, como esperado para um componente de distribuição de energia.

Resistência Interna e FEM

Toda a fonte de tensão tem resistência interna. A relação entre a FEM gerada (E), a tensão nos terminais (V), a corrente de carga (I) e a resistência interna (r) é:

E = V + (I × r)

Exemplo: Um gerador DC de 28 V com 0,01 Ω de resistência interna que fornece 150 A nos seus terminais tem uma FEM gerada de:

E = 28 V + (150 A × 0,01 Ω) = 28 + 1,5 = 29,5 V

Exemplo: Uma bateria de 24 V com 0,02 Ω de resistência interna que fornece 200 A a um motor de arranque sofre uma queda de tensão interna de:

V_queda = 200 A × 0,02 Ω = 4 V

Esta queda interna reduz a tensão nos terminais durante consumos de corrente elevada, o que é crítico para o funcionamento do motor de arranque.

Leis de Kirchhoff

Lei das Correntes de Kirchhoff (LCK): A soma das correntes que entram num nó é igual à soma das correntes que saem desse nó.

Lei das Tensões de Kirchhoff (LTK): A soma algébrica de todas as quedas e elevações de tensão em qualquer malha fechada é igual a zero.

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3.3 Equipamentos de Teste Elétrico e Medições

Multímetros

Um multímetro combina várias funções de medição:

• Voltímetro — mede a tensão; ligado em paralelo aos terminais do componente
• Amperímetro — mede a corrente; ligado em série com o circuito
• Ohmímetro — mede a resistência; só deve ser utilizado em circuitos desenergizados

Nota de segurança crítica: Um amperímetro nunca deve ser ligado em paralelo — isto cria um curto-circuito. Um ohmímetro nunca deve ser utilizado num circuito sob tensão.

Amperímetros de Pinça

Para medir a corrente num circuito sob tensão sem o interromper, utiliza-se um amperímetro de pinça (pinça de corrente). Este mede o campo magnético em torno do condutor e apresenta a corrente correspondente. Este é o método correto para a resolução de problemas em circuitos sob tensão onde a interrupção do circuito não é permitida.

Megôhmetro (Megger)

O megôhmetro mede a resistência de isolamento em megohms (MΩ). Considerações principais:

• Seleção da tensão de teste: A tensão de teste do megger deve ser adequada à tensão do sistema. Para um sistema DC de 28 V, um megger de 500 V não é recomendado — a tensão de teste elevada pode stressar e danificar o isolamento. Normalmente, um megger de 50 V ou 100 V é especificado para sistemas de 28 V.
• Valores mínimos aceitáveis: Para a cablagem de aeronaves, uma resistência de isolamento mínima de 1 MΩ é geralmente aceitável, embora muitos operadores exijam valores mais elevados.
• Interpretação: Uma leitura de 2 MΩ num sistema de 28 V está acima do mínimo de 1 MΩ e indica um isolamento aceitável, desde que a tensão de teste correta tenha sido utilizada.

Medidores de FrequênciaUm frequencímetro é utilizado para medir a frequência de um sinal de corrente alternada (CA). Isto é essencial ao verificar a saída do gerador, tipicamente 400 Hz em sistemas de aeronaves.

Teste de Continuidade

Um teste de continuidade utilizando a função de ohmímetro de um multímetro deve indicar:

• Fio bom: Resistência próxima de zero (caminho completo)
• Circuito aberto: Resistência infinita (sem caminho)

Medidores de Rotação de Fase

Um medidor de rotação de fase verifica a sequência de fases de um sistema trifásico. Quando ligado com os cabos na ordem A-B-C, uma rotação no sentido horário indica que a sequência está correta. Uma sequência de fases incorreta pode fazer com que motores trifásicos girem na direção errada.

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3.4 Baterias

Baterias de Chumbo-Ácido

As baterias de chumbo-ácido são comumente utilizadas em aplicações de helicópteros. Características principais:

• Tensão nominal da célula: 2,0 V por célula
• Tensão de circuito aberto totalmente carregada: 2,1 V por célula (25,2 V para uma bateria de 24 V)
• Eletrólito: Ácido sulfúrico (H₂SO₄) diluído em água

Medição da Densidade Relativa:

O estado de carga (SOC) de uma bateria de chumbo-ácido é determinado medindo a densidade relativa (SG) do eletrólito utilizando um densímetro:

Exemplo de cálculo: Uma bateria com SG totalmente carregada de 1,28 e SG descarregada de 1,12, medida a 1,20:

SOC = (SG_medida − SG_descarrregada) / (SG_carregada − SG_descarrregada) × 100%

SOC = (1,20 − 1,12) / (1,28 − 1,12) = 0,08 / 0,16 = 50%

Avaliação do SOC Baseada na Tensão:

Uma bateria de chumbo-ácido de 24 V totalmente carregada tem uma tensão terminal de circuito aberto de aproximadamente 25,2 V. Esta é a condição saudável sem carga. A tensão nominal de 24 V é o valor nominal, enquanto 28 V é a tensão do barramento do sistema durante o carregamento.

Capacidade da Bateria e Estado de Carga

A capacidade da bateria é medida em ampere-horas (Ah). O estado de carga após um evento de descarga é calculado como:

SOC = (Capacidade − Descarga) / Capacidade × 100%

Exemplo: Uma bateria de 25 Ah fornece 400 A durante 30 segundos durante um arranque do motor:

Descarga = 400 A × (30 / 3600) h = 400 × 0,00833 = 3,33 Ah

SOC = (25 − 3,33) / 25 × 100% = 21,67 / 25 × 100% = 86,7%

Carregamento de Baterias em Sistemas Paralelos

Quando uma bateria é ligada em paralelo com um gerador ou unidade de alimentação de terra (GPU):

• A bateria é carregada quando a tensão do gerador excede a tensão terminal da bateria
• A corrente de carregamento é limitada pela resistência interna da bateria
• Uma bateria de 24 V totalmente carregada (25,2 V) ligada a um barramento de 28,5 V receberá uma corrente de carregamento
• A bateria atua como um filtro no sistema de corrente contínua (CC), suavizando a ondulação da tensão

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3.5 Geradores e Motores de Corrente Contínua (CC)

Princípios do Gerador de CC

Um gerador de CC converte energia mecânica em energia elétrica através de indução eletromagnética. A tensão de saída é proporcional a:

• Corrente de campo
• Velocidade de rotação
• Número de condutores da armadura

FEM Gerada: E = V + (I × R_interna)

Regulação de Tensão:

A regulação de tensão é definida como:

% Regulação = (V_sem carga − V_plena carga) / V_plena carga × 100%

Exemplo: Um gerador classificado a 28 V, 100 A. Com uma carga de 80 A, a tensão é de 30 V. Com o regulador ajustado para 28 V na carga nominal:

% Regulação = (30 − 28) / 28 × 100% = 2/28 × 100% = 7,14%

Tipos de Geradores de CC| Tipo | Ligação do Campo | Características | Aplicações |

|------|-----------------|-----------------|--------------|

| Série | Campo em série com a armadura | Alto binário de arranque; má regulação de velocidade | Motores de arranque |

| Derivação (Shunt) | Campo em paralelo com a armadura | Boa regulação de velocidade; baixo binário de arranque | Aplicações de velocidade constante |

| Composto (Compound) | Campos série e derivação | Alto binário de arranque + velocidade estável | Geradores de arranque |

Geradores de Arranque

Os motores de pistão de helicópteros utilizam normalmente máquinas de enrolamento composto para a função de gerador de arranque:

• Modo de arranque: O campo série fornece alto binário de arranque para acionar o motor
• Modo de geração: O campo derivação fornece regulação estável de tensão

O solenoide (contator) no circuito de arranque utiliza uma pequena corrente de controlo para fechar contactos de serviço pesado, conduzindo a alta corrente de arranque (tipicamente 200–400 A).

Controlo e Proteção do Gerador

Regulador de Tensão:

• Detecta a tensão do sistema
• Ajusta a corrente do campo do gerador para manter uma tensão de saída constante (tipicamente 28 V)
• Compensa variações na velocidade do motor e na carga

Modo de falha: Se o regulador falhar com corrente de campo máxima, a tensão de saída subirá acima do valor regulado, podendo causar danos por sobretensão ao sistema elétrico.

Relé de Corte de Corrente Reversa (RCC):

• Abre o circuito entre o gerador e a bateria quando a tensão do gerador cai abaixo da tensão da bateria
• Impede que a bateria alimente o gerador como motor
• Essencial para a operação paralela do gerador e da bateria no mesmo barramento

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3.6 Teoria de CA

Fundamentos da Forma de Onda CA

Frequência (f): O número de ciclos completos por segundo, medido em hertz (Hz). Os sistemas de aeronaves utilizam tipicamente 400 Hz.

Período (T): O tempo para um ciclo completo:

T = 1 / f

Exemplo: Para um sistema de 400 Hz:

T = 1 / 400 = 0,0025 s = 2,5 ms

Sistemas Trifásicos

Num sistema trifásico:

• Três tensões estão separadas por 120 graus elétricos
• A sequência de fases (A-B-C) determina o sentido de rotação dos motores trifásicos

Ligação em Estrela (Wye):

V_linha = √3 × V_fase

Exemplo: Com uma tensão de fase de 115 V CA:

V_linha = 1,732 × 115 = 199,2 V ≈ 200 V CA

Frequência do Gerador CA

A frequência de um gerador CA é determinada por:

f = (P × N) / 120

Onde:

• f = frequência em Hz
• P = número de polos
• N = velocidade de rotação em RPM

Exemplo: Um alternador de 4 polos que produz 400 Hz:

N = (f × 120) / P = (400 × 120) / 4 = 48.000 / 4 = 12.000 RPM

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3.7 Transformadores

Princípios dos Transformadores

Um transformador transfere energia elétrica entre circuitos através de indutância mútua. Para um transformador ideal:

V_p / V_s = N_p / N_s

Onde:

• V_p = tensão primária
• V_s = tensão secundária
• N_p = espiras do primário
• N_s = espiras do secundário

Exemplo 1: Um transformador com uma relação de espiras de 10:1 (primário para secundário), tensão primária de 115 V CA:

V_s = V_p × (N_s / N_p) = 115 × (1/10) = 11,5 V CA

Exemplo 2: Um transformador com 1000 espiras no primário e 250 espiras no secundário, tensão primária de 115 V CA:

V_s = 115 × (250 / 1000) = 115 × 0,25 = 28,75 V CA

Aplicações de Transformadores em Aeronaves

• Transformadores redutores reduzem 115 V CA para tensões mais baixas para a aviónica
• Transformadores elevadores aumentam a tensão para sistemas de ignição
• Transformadores de isolamento fornecem separação elétrica entre circuitos### 3.8 Capacitância e Indutância

Capacitores

Um capacitor armazena energia num campo elétrico entre as suas placas. Propriedades principais:

• A capacitância é medida em farads (F) — tipicamente microfarads (µF) em aplicações aeronáuticas
• Os capacitores são utilizados para filtragem, circuitos de temporização e suavização de fontes de alimentação

Ligação em Série:

1/C_total = 1/C₁ + 1/C₂

Exemplo: Dois capacitores de 100 µF em série:

C_total = 1 / (1/100 + 1/100) = 1 / (0,02) = 50 µF

Ligação em Paralelo:

C_total = C₁ + C₂

Indutores

Um indutor armazena energia num campo magnético. A indutância é medida em henries (H).

Díodos de Roda Livre (Flyback):

Quando uma carga indutiva (como uma bobina de relé) é desligada, o campo magnético em colapso induz um pico de alta tensão. Um díodo de roda livre ligado em paralelo com a carga indutiva fornece um caminho para a corrente quando o interruptor abre, suprimindo o pico de tensão e protegendo os componentes de comutação.

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3.9 Dispositivos Semicondutores

Fundamentos de Díodos

Um díodo é um dispositivo semicondutor que permite a passagem de corrente num único sentido:

• Polarização direta: Ânodo positivo em relação ao cátodo — a corrente flui
• Polarização inversa: Cátodo positivo em relação ao ânodo — a corrente é bloqueada

O silício é o material padrão para díodos de potência em alternadores de aeronaves devido à sua elevada tolerância à temperatura e baixa corrente de fuga.

Díodos Zener

Um díodo Zener é concebido para operar em rutura inversa e mantém uma tensão quase constante. Isto torna-o ideal para:

• Circuitos de regulação de tensão
• Fontes de tensão de referência

Símbolo esquemático: Semelhante a um díodo normal, mas com uma linha de cátodo curvada (como uma forma de 'S').

Aplicações de Semicondutores

• Retificadores: Convertem CA em CC nos alternadores
• Reguladores de tensão: Mantêm uma tensão de saída constante
• Circuitos de proteção: Suprimem picos de tensão

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3.10 Motores CC

Princípios do Motor

Um motor CC converte energia elétrica em energia mecânica. A interação entre o campo magnético e a corrente da armadura produz binário.

Motores de Enrolamento em Série

Características:

• Enrolamento de campo em série com a armadura
• Fluxo de campo proporcional à corrente da armadura
• Binário de arranque muito elevado
• Má regulação de velocidade sob carga variável

Aplicação: Motores de arranque — em repouso, a corrente de pico é elevada, produzindo um binário de arranque muito elevado, essencial para acionar motores de pistão.

Motores de Enrolamento Derivado (Shunt)

Características:

• Enrolamento de campo em paralelo com a armadura
• Boa regulação de velocidade
• Binário de arranque baixo

Aplicação: Aplicações de velocidade constante onde se esperam variações de carga.

Motores de Enrolamento Composto

Características:

• Enrolamentos de campo em série e derivado
• Binário de arranque elevado (componente em série)
• Regulação de velocidade estável (componente derivado)

Aplicação: Arrancadores-geradores em motores de pistão de helicópteros.

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3.11 Geradores CA (Alternadores)

Geração CA Trifásica

Os alternadores de aeronaves produzem tipicamente energia CA trifásica a 400 Hz e 115 V CA de tensão de fase (200 V entre fases em ligação estrela).

Relações de Fase

Num sistema trifásico, as três fases estão separadas por 120 graus elétricos. A sequência de fases (A-B-C) é crítica para:

• O sentido de rotação dos motores trifásicos
• A sincronização de geradores em paralelo
• A ligação correta das cargas

Sistemas de Ignição por MagnetoUm magneto utiliza um íman permanente rotativo para induzir uma tensão CA na bobina primária, que é depois elevada por um transformador para produzir a faísca de ignição. O condensador no circuito do magneto absorve energia quando os contactos do disjuntor abrem, evitando a formação de arco elétrico e permitindo que a corrente primária caia rapidamente, induzindo uma alta tensão na bobina secundária.

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3.12 Cablagem e Dispositivos de Proteção

Proteção de Circuitos

Os disjuntores são dispositivos de proteção que disparam em caso de corrente excessiva, evitando danos na cablagem e nos equipamentos. Princípios fundamentais:

• Um disjuntor calibrado para 5 A dispara quando a corrente excede 5 A
• A calibragem do fio deve ser superior à calibragem do disjuntor para que o disjuntor proteja o fio
• Uma sobrecarga é a causa mais provável do disparo de um disjuntor

Ligação Elétrica (Bonding)

A ligação elétrica garante continuidade elétrica entre componentes metálicos para:

• Proteção contra descargas atmosféricas
• Descarga de eletricidade estática
• Caminhos de retorno de corrente

Valores de resistência aceitáveis:

• Ligação estrutural primária (ex.: motor para a fuselagem): máximo 0,1 Ω (100 miliohm)
• Uma leitura de 1,5 Ω indica uma ligação deficiente que requer ação corretiva

Práticas de Cablagem

Os pares entrelaçados blindados são utilizados na cablagem de áudio e sensores de helicópteros para:

• Reduzir interferência eletromagnética (EMI)
• Minimizar diafonia entre circuitos adjacentes
• Proteger sinais de baixo nível em aviónicos

Teste de Resistência de Isolamento

• Resistência de isolamento mínima aceitável para cablagem de aeronaves: 1 MΩ
• A tensão de teste deve ser adequada à tensão do sistema
• Para sistemas de 28 V, utilize um megômetro de 50 V ou 100 V, não um megômetro de 500 V

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3.13 Instrumentos de Teste e Resolução de Problemas

Resolução Sistemática de Problemas

Quando um componente não está a funcionar:

1. Verificar a alimentação elétrica: Medir a tensão nos terminais do componente
2. Verificar a cablagem: Teste de continuidade da fonte ao componente
3. Verificar o componente: Se a tensão correta estiver presente mas o componente não funcionar, a avaria está dentro do próprio componente

Técnicas de Medição

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Relações Comuns Entre Conceitos

Lei de Ohm e Triângulo de Potência

A relação entre tensão, corrente, resistência e potência constitui a base de toda a análise de circuitos:

V = I × R e P = V × I

Estas combinam-se para dar:

• P = I² × R
• P = V² / R

Funcionamento em Paralelo do Gerador e da Bateria

Num sistema DC de helicóptero:

• Tensão do gerador > tensão da bateria → a bateria carrega
• Tensão do gerador < tensão da bateria → a bateria descarrega (o RCC abre)
• A bateria atua como filtro, suavizando a ondulação da tensão

Relações do Transformador e do Gerador

• Transformador: V_p / V_s = N_p / N_s
• Frequência do gerador: f = (P × N) / 120
• Estrela trifásica: V_linha = √3 × V_fase

Indicadores do Estado de Carga da Bateria

• Densidade relativa: Diretamente proporcional ao SOC
• Tensão de circuito aberto: Superior à nominal quando totalmente carregada
• Contabilização de ampere-hora: SOC = (Capacidade − Descarga) / Capacidade

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Pontos Típicos de Foco em ExamesPara o exame do Módulo 3 da EASA Part-66 ao nível B1.4, os candidatos devem focar-se em:

1. Lei de Ohm e cálculos de potência — ser capaz de calcular corrente, tensão, resistência e potência em circuitos de corrente contínua (CC) (Nível 3)
2. Características das baterias — interpretação da densidade específica, avaliação do estado de carga (SOC) com base na tensão, efeitos da resistência interna, cálculos de ampere-hora (Nível 3)
3. Princípios do gerador de CC — cálculo da força eletromotriz (EMF), regulação de tensão, controlo da corrente de campo, proteção contra corrente inversa (Nível 3)
4. Funcionamento do starter-gerador — características da máquina de enrolamento composto, campo em série para binário de arranque, funcionamento do solenoide (Nível 3)
5. Sistemas trifásicos de corrente alternada (CA) — relações de fase (120°), ligações em estrela/triângulo, relações de tensão linha-fase, cálculo de frequência (Nível 3)
6. Cálculos de transformadores — relação de espiras, transformação de tensão para aplicações de elevação e redução (Nível 3)
7. Dispositivos semicondutores — funcionamento do díodo Zener, díodos de retorno (flyback), silício como material padrão (Nível 2)
8. Utilização de equipamentos de teste — seleção correta do instrumento, métodos de ligação, classificações de tensão do megger, aplicação do amperímetro de pinça (Nível 2)
9. Cablagem e proteção — funcionamento do disjuntor, limites de resistência de ligação à terra, mínimos de resistência de isolamento, pares entrelaçados blindados (Nível 2)
10. Lógica de resolução de problemas — abordagem sistemática ao diagnóstico de falhas, presença de tensão nos terminais dos componentes (Nível 2)
11. Conversões de unidades — unidades SI, relações período/frequência, cálculos de ampere-hora (Nível 2)
12. Combinações de condensadores — ligações em série e em paralelo, cálculos de capacitância total (Nível 2)

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Referências Regulamentares

Este material de estudo está alinhado com:

• Regulamento (UE) n.º 1321/2014, Anexo III (Part-66)
• Apêndice I — Programa de Conhecimentos Básicos, Módulo 3: Fundamentos Elétricos
• AMC/GM da Part-66 — Meios de Conformidade Aceitáveis e Material de Orientação
• Manuais de Manutenção de Aeronaves (AMM) — procedimentos e limites específicos para tipos de aeronaves individuais

Os níveis de conhecimento para os tópicos do Módulo 3 variam do Nível 1 (visão geral) ao Nível 3 (teoria detalhada), sendo os tópicos mais críticos para o pessoal certificador B1.4 os geradores de CC, geradores de CA, transformadores, baterias e dispositivos semicondutores.