Controles PWM de potência (ART006) - Parte 3


Circuitos Práticos
Vamos analisar alguns circuitos práticos simples que podem ser usados como controles PWM em projetos diversos.

a) Transistorizado
A configuração básica de um controle PWM simples consiste num oscilador que gera um sinal retangular cujo ciclo ativo pode ser variado. O sinal desse oscilador é aplicado a uma etapa de potência para alimentar a carga. Por ciclo ativo entendemos a relação em porcentagem entre a duração do pulso e a duração completa do ciclo do sinal. Assim, se a duração do pulso é igual ao intervalos entre pulsos, temos um ciclo ativo de 50%. Um circuito prático para esta finalidade usando somente transistores é mostrado na figura 13.

Figura 13 – Circuito simples de um controle PWM totalmente transistorizado.

Este circuito é ideal para estudos em cursos técnicos ou outros casos pois permite entender bem a operação das diversas etapas com componentes discretos, pois não faz uso de circuitos integrados.

Temos então um multivibrador astável com dois transistores NPN onde a duração e o intervalo dos pulsos depende dos capacitores C1 e C2 e também dos resistores R1, R2 e do ajuste do potenciômetro P1. Assim, através do ajuste de P1 podemos modificar tanto a duração como o intervalo entre os pulsos gerados por este circuito. Neste tipo de circuito, os transistores conduzem alternadamente já que ele não possui um estado estável e a velocidade com que ocorre esta troca depende justamente dos componentes citados. Como este circuito não tem potência suficiente para alimentar o motor de corrente contínua, usamos uma etapa adicional de amplificação com dois transistores. No coletor do segundo transistor é então ligado o motor. Na figura 14 mostramos como montar este circuito de uma forma simples para experimentação usando uma ponte de terminais.


Figura 14 – Montagem do controle utilizando uma ponte de terminais como chassi para os componentes.

Uma técnica alternativa de melhor aparência e também confiabilidade é a que faz uso de uma matriz de contactos. Motores de 3 a 12 V com correntes de até 500 mA podem ser controlados com este circuito. Os capacitores usados devem ser experimentados na faixa indicada já que dependendo do motor, podem ocorrer vibrações em baixas rotações com valores mais baixos. O transistor de potência Q4 deve ser dotado de um pequeno radiador de calor. Este radiador consiste numa chapinha de metal dobrada em U que é presa ao corpo do componente por um pequeno parafuso com porca.


Lista de Material
Q1, Q2 -BC548 ou equivalentes -transistores NPN de uso geral
Q3 -BC558 ou equivalente -transistor PNP de uso geral
Q4 -TIP31 -transistor NNP de potência
D1 -1N4002 ou equivalente -diodo de silício
R1, R4 -1 k ohms x 1/8 W -resistores (marrom, preto, vermelho)
R2, R3 -2,2 k ohms x 1/8 W -resistores (vermelho, vermelho,
vermelho)
R5 -2,7 k ohms x 1/8 W -resistor (vermelho, violeta, vermelho)
R6 -47 ohms x 1/8 W -resistor (amarelo, violeta, preto)
C1, C2 -100 nF a 1 uF -capacitores cerâmicos ou poliéster (ver texto)
P1 -47 k ohms -potenciômetro
S1 -Interruptor simples
M1 -Motor de 3 a 6 V até 500 mA
B1 -3 a 12 V -pilhas ou bateria
Diversos: ponte de terminais, fios, solda, suporte de pilhas, etc.


b) Com o circuito integrado 555
O circuito integrado 555 permite a montagem de um excelente controle PWM para motores pequenos, como já descrevemos em artigos de nossa autoria, publicados em revistas técnicas. Nessa configuração motores de até 500 mA podem ser controlados com precisão, acionando dispositivos como elevadores, braços robóticos, etc. Na figura 15 temos um circuito em que o 555 funciona como um oscilador retangular cujo ciclo ativo pode ser ajustado em P1.

Figura 15 – Controle PWM simples utilizando o conhecido circuito integrado 555.

Neste circuito P1 atua sobre o tempo em que a saída vai ao nível baixo, ou seja, atua sobre a separação dos pulsos e não duração. Para termos a inversão do efeito, basta colocar no circuito um transistor PNP que conduza com os pulsos negativos. Desta forma, temos a inversão dos pulsos, conforme mostra a figura 16, obtendo-se os efeitos desejados.


Figura 16 – Controle com a inversão dos pulsos empregando um transistor PNP (BD136 ou TIP32).

Com este circuito é possível fazer com que um motor de corrente contínua de 3 a 12 V gire com velocidades que vão desde 2 ou 3 rotações por minuto até a velocidade máxima, praticamente sem perda de torque. A corrente máxima do motor deve ser limitada a 500 mA. O capacitor determina a faixa de frequências de controle e deve ser experimentado na faixa indicada, pois depende do tipo de motor usado. Com alguns motores podem ocorrer vibrações e não partida nas baixas rotações com os valores menores de capacitores. Uma forma de se reduzir a vibração do motor consiste em se ligar em paralelo com ele e o diodo um capacitor de 470 nF a 1 uF, valor que deve ser obtido experimentalmente. Também é possível aumentar R3 para 4,7 k ohms e trabalhar com um Darlington de potência como o TIP120 ou outro de maior corrente ou mesmo um MOSFET de potência.


Lista de Materiais
CI-1 -555 -circuito integrado
Q1 -BD136 ou equivalente -transistor PNP de média potência
D1 -1N4002 ou equivalente -diodo de silício
P1 -100 k ohms -potenciômetro
R1, R3 -1 k ohms x 1/8 W -resistores (marrom, preto, vermelho)
R2 -2,2 k ohms x 1/8 W -resistor (vermelho, vermelho, vermelho)
C1 -220 nF a 1 uF (560 nF ou 680 nF -recomendados para o LEGO) capacitor cerâmico ou poliéster
C2 -470 uF x 12 V -capacitor eletrolítico
B1 -6 V -4 pilhas (ver texto)
Diversos: placa de circuito impresso ou matriz de contacto, botão para o potenciômetro (opcional), suporte de pilhas, fios, solda, etc.



c) Com o LM350T
Um controle mais potente usando um circuito integrado que pode fornecer correntes de até 3 ampères é dado a seguir. Na figura 17 temos um controle PWM em que um circuito integrado 4093 é usado como oscilador retangular com ciclo ativo controlado pelo potenciômetro P1.


Figura 17 – Controle de potência PWM com o circuito integrado 4098 e o LM350 – Regulador linear de tensão.

Neste circuito, uma das quatro portas do 4093 é usada como oscilador e as três outras como um amplificador digital. Quando a saída do oscilador vai ao nível alto, as três portas invertem este sinal e o amplificam de modo que ele aparece no nível baixo na saída. Quando o nível da saída do oscilador é baixo, a tensão na saída dos três amplificadores vai ao valor máximo, igual ao da fonte. Este sinal, formado por níveis baixos (zero volts) e altos (tensão da fonte) é aplicado ao terminal de controle do circuito integrado LM350T que consiste num regulador de tensão para 3 ampères de corrente de saída. Quando o nível aplicado na sua entrada é baixo, na sua saída aparece uma tensão de 1,25 V que corresponde ao zener interno.
Quando o nível é alto a tensão na saída será a do zener mais a tensão aplicada que é fixada pelo trimpot P2. A tensão na saída do circuito oscila entre estes dois valores, conforme mostra a figura 18.


Figura 18 – Ajustes de P1 e P2 no circuito.


Em P2 pode-se ajustar a tensão dos pulsos aplicados ao motor conforme o seu tipo e de forma mais ou menos independente da tensão usada para alimentar o circuito. Na figura 19 temos a montagem deste controle numa placa de circuito impresso. Cuidado ao fazer o layout da placa por contra própria, pois o terminal de ajuste do LM350 não é o do meio. O terminal do meio é a saída da tensão deste circuito integrado.


Figura 19 – Placa de circuito impresso para o controle mostrado na figura 18.

O circuito integrado LM350T deve ser dotado de um radiador de calor.


Lista de Material:
CI-1 -4093 -circuito integrado CMOS
CI-2 -LM350T -circuito integrado regulador de tensão
D1, D2, D3 -1N4002 -diodos de silício
P1 -100 k ohms -potenciômetro
P2 -10 k ohms -trimpot
C1 -100 nF a 470 nF -capacitor cerâmico ou poliéster
C2 -1000 uF x 25 V -capacitor eletrolítico
C3 -100 uF x 16 V -capacitor eletrolítico
R1, R2 -1 k ohms x 1/8W -resistor (marrom, preto, vermelho)
M1 -Motor de 6 a 12 V até 3 ampères
Diversos: placa de circuito impresso, radiador de calor, fios, solda,
botão para o potenciômetro, etc.

 

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Uma palavra muito em moda nos nossos meios, principalmente os políticos é “avanço”, se bem que dependendo da maneira como ela seja colocada, pode significar realmente um retrocesso. Nos meios tecnológicos, como o nosso o avanço é perceptível, constante e muito mais forte em sua penetração a ponto de pouco ser contestado.

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