Controle de potência DC (MEC067a)

As aplicações em Robótica, Automação e mesmo em projetos relacionados com o controle de pequenos motores e do brilho de lâmpadas exigem um circuito eficiente do tipo PWM. O projeto apresentado é muito eficiente e pode ser usado numa infinidade de aplicações que exijam o controle de cargas de corrente contínua de até alguns ampères.

A principal desvantagem dos controles de potência de corrente contínua (DC), que usam transistores operando no modo linear, é que uma grande quantidade de potência é dissipada na forma de calor.

Para projetos de maior potência o calor gerado pode significar perdas razoáveis, além da necessidade de se adicionar algum elemento para irradiação do calor. Ventilação forçada e grandes dissipadores passam a ser requisitos importantes nestes projetos.

Com o controle PWM não temos este problema, pois a potência é controlada de forma comutada gerando um mínimo de calor, conforme será visto no "como funciona".

O projeto apresentado utiliza um transistor de efeito de campo de potência que pode controlar cargas de vários ampères dissipando uma potência mínima. Dentre as aplicações possíveis para este projeto, destacamos as seguintes:

a) Robótica - no controle de motores, músculos do tipo SMA, solenóides e outras cargas que necessitem de dosagem precisa da potência aplicada.

b) Automação - no controle de cargas indutivas como motores, solenóides, eletroimãs e outras.

c) Hobby - no controle de velocidade de motores de modelismo como trens e autoramas.

d) Utilidades - controle de brilho de lâmpadas no painel de carro ou ainda em objetos de decoração. Controle de aquecimento em pequenas estufas. Controle de temperatura em cortadores de isopor e pirógrafos.

As principais características deste circuito são:

Características:

* Tensão de trabalho: 6 a 18 volts - 12 V recomendado

* Corrente máxima de controle: 5 ampères (depende do transistor)

* Faixa de controle de potência: 5% a 99%

COMO FUNCIONA

Nos controles de potência lineares temos, na verdade, um transistor modificando sua resistência de modo a deixar passar mais ou menos corrente para uma carga, conforme ilustra a figura 1.

Um controle de potência linear.

O transistor e a carga formam um divisor de tensão de modo que a tensão aplicada à carga vai depender da resistência apresentada pelo transistor.

No entanto, neste tipo de aplicação, como uma corrente intensa deve circular por um dispositivo que apresenta certa resistência, no caso o transistor, calor é gerado. Tanto mais calor será gerado quanto maior for o produto da tensão no transistor pela corrente circulante. Isso nos leva à curva da figura 2, que mostra que justamente a maior quantidade de calor é gerada quando metade da tensão máxima é aplicada à carga.

A máxima dissipação ocorre com Vcc/2 na carga.

Esta curva vem do fato de que quando a tensão no transistor aumenta, a corrente diminui, o que nos leva a uma parábola em que a máxima potência é obtida no ponto em que se zera a função derivada.

No caso de um controle por modulação de largura de pulsos ou PWM, não temos este problema.

Neste tipo de controle o transistor funciona como uma chave ligando ou desligando. Isso significa que, quando ele está aberto, a corrente é nula, e portanto a potência gerada também; e quando está fechado, a resistência é próxima de zero, o que também leva a uma dissipação de potência praticamente nula.

A maior potência é dissipada no intervalo em que o transistor comuta, conforme indica a figura 3, em que se necessita de um intervalo de tempo para a transição da corrente de zero ao máximo e vice-versa.

Na subida e descida da corrente há maior dissipação.

Controlando então o ciclo ativo podemos aplicar uma potência média na carga numa ampla faixa de valores sem a necessidade de dissipar potências elevadas no transistor, observe a figura 4.

A potência aplicada pode ser controlada pelo ciclo ativo.

Com um ciclo ativo pequeno temos menor potência aplicada, e com um ciclo ativo maior, temos maior potência média na carga.

No nosso circuito, utilizamos um oscilador com o conhecido 555 que gera sinais com frequência e ciclos ativos que podem ser ajustados numa ampla faixa de valores.

Na configuração normal do 555 o ciclo ativo depende dos resistores Ra e Rb do circuito da figura 5.

Obtendo ciclos ativos menores que 50%.

Isso faz com que nesta configuração tenhamos este ciclo limitado a um máximo teórico de 50%. Para aumentar esta faixa, precisamos é curto-circuitar Rb no ciclo de descarga, o que é conseguido por um diodo (D1).

Assim, a faixa de variação dos ciclos ativos neste circuito vai ficar praticamente determinada pelo valor máximo de P1 e o valor de R2 em série com R1.

O circuito funciona bem com tensões a partir de 6 V até algo em torno de 18 V. Acima deste valor temos apenas que tomar cuidado com os limites de funcionamento do 7555. O circuito também funcionará com o 555 bipolar.

MONTAGEM

Na figura 6 temos o diagrama completo do controle de potência PWM.

Figura 6

A montagem pode ser feita numa pequena placa de circuito impresso que é exemplificada na figura 7.

Sugestão de placa .

O transistor de efeito de campo de potência pode ser de qualquer tipo da série IRF de canal N. A corrente deste transistor vai determinar a carga máxima que pode ser controlada.

Se for usada uma carga indutiva, deve ser previsto um diodo em paralelo no sentido de fazer a proteção do transistor.

O transistor deve ser montado num radiador de calor.

O potenciômetro P1 pode ficar longe do circuito para se fazer um controle remoto. Esta opção é preferível em lugar de se usar um fio longo para a carga. O controle deve ser montado o mais próximo possível para a carga.

Como na condição de mínimo existe uma corrente circulando pela carga, pode ser prevista uma chave para desligar a alimentação na condição de menor potência aplicada.

Os capacitores podem ser de poliéster ou cerâmicos e C1 deve ser um eletrolítico com uma tensão de trabalho um pouco maior que a usada na alimentação.

PROVA E USO

Para testar o aparelho pode ser usada uma lâmpada incandescente comum de 12 V semelhante às usadas em interior de carros ou mesmo em lanternas.

Girando P1 deve-se obter o controle de brilho na faixa desejada. Para reduzir o mínimo pode-se aumentar o valor de P1. Todavia, existe um ponto em que no lugar da redução pode haver o tremular da lâmpada.

Alterações de C2 também podem ser necessárias no caso de controle de cargas indutivas como motores. Neste caso, o leitor deverá fazer experiências trocando este componente até obter o melhor desempenho.

Comprovado o funcionamento, é só instalar e utilizar o aparelho.

Como observação final lembramos que este circuito pode ser controlado por luz, bastando para isso trocar P1 por um LDR. Neste caso, temos um dimmer que aplica na carga uma potência proporcional à luz incidente.

Utilizando-se um acoplador óptico improvisado com uma pequena lâmpada incandescente e um LDR podemos fazer o controle de potência a partir de um PC, conforme ilustra a figura 8.

Utilizando um acoplador.

Ligando à porta paralela trimpots de valores diferentes, podemos ajustá-los de modo escalonado de modo que o valor digital aplicado corresponda a uma determinada potência transferida para a carga.