Descrevemos um pequeno módulo que pode ser usado no controle de velocidade de motores de corrente contínua, ventoinhas, brinquedos elétricos como também no controle de brilho de lâmpadas de carro e elementos de aquecimento em pequenas estufas, aquários e secadores. Bastante simples de montar ele, entretanto, utiliza componentes da mais avançada tecnologia, ou seja, circuitos e transistores CMOS.
Existem muitas aplicações que envolvem circuitos de corrente contínua que exigem o uso de dimmers eficientes, que não desperdicem muita energia ou que não gerem calor. Reostatos, evidentemente, não são a solução indicada para estes casos justamente por dissiparem muita energia na forma de calor e por não terem uma resposta linear no caso principalmente de motores quando não se consegue torque em baixas velocidades.
O mesmo ocorre com transistores bipolares que não apresentam sempre o rendimento desejado, já que sua resistência na condição de plena condução nem sempre é suficientemente baixa.
A melhor solução para um controle deste tipo passa pelo uso de transistores de efeito de campo de potência (Power FETs). Com sua baixíssima resistência entre o dreno e a fonte em plena condução ele dissipa um mínimo de energia nesta condição e com isso pode entregar à carga o máximo de potência.
Nosso projeto justamente faz uso de um circuito integrado CMOS no controle de um FET de potência numa configuração PWM ou seja, por Modulação de Largura de Impulso.
O transistor indicado pode operar satisfatoriamente com correntes de até 2 ampères, mas existem tipos disponíveis no mercado equivalentes para correntes muito maiores e que podem ser empregados sem qualquer alteração no projeto original.
Características:
* Tensão de entrada: 6 a 15 Volts
* Tensão de saída máxima: 6 a 15 Volts (max)
* Faixa de controle de potência: 1 a 99% (tip)
* Frequência de operação: 1 kHz (aprox.)
* Corrente drenada pelo circuito sem carga: 0,5 mA (tip)
COMO FUNCIONA
O controle de potência é do tipo PWM (Pulse Width Modulation ou Modulação de Largura de Impulso) e que aplica na carga uma potência que justamente vai depender da largura dos pulsos gerados por um oscilador.
Desta forma, a faixa de potências aplicada é dada pelo ciclo ativo de um oscilador que no nosso projeto é um circuito integrado TLC7555.
O circuito integrado TLC7555 é a versão CMOS do conhecido circuito integrado astável/monoestável 555 que se caracteriza por apresentar um consumo extremamente baixo, além de outras vantagens em relação ao tipo tradicional.
Neste circuito, o resistor R1 juntamente com C3 e Z1 determinam a tensão de alimentação do astável 7555 de modo a torná-lo independente das tensões de entrada o que garante maior estabilidade para o controle.
Para se obter um oscilador com uma relação marca/espaço variável utiliza-se uma configuração interessante que tem por base dois diodos e um potenciômetro.
Além disso, para a carga de C2 não temos a carga e descarga a partir da alimentação, mas da própria saída do circuito integrado (pino 3).
Assim, conforme o cursor de P1 se desloque para o lado de D1 ou de D2 temos uma variação simultânea da duração do pulso e do intervalo entre os pulsos produzidos. Veja então que podemos ter neste circuito um controle sobre o ciclo ativo dos sinais gerados.
Isso não ocorre com a configuração astável tradicional em que usamos apenas um potenciômetro e só podemos ter um controle sobre a largura ou separação dos pulsos.
A frequência média de oscilação do circuito é determinada basicamente por C2, e ela pode ser alterada em função das características da carga que deve ser controlada. Na verdade dependendo do caso, por exemplo um motor, pode ser necessário aumentar o valor deste componente para que não ocorram instabilidades de funcionamento, oscilações ou vibrações.
Na prática o leitor pode usar valores entre 10 nF e 1 uF sem problemas.
Valores muito altos não são recomendados, pois tornarão o funcionamento do circuito intermitente a não ser que esta seja uma característica pretendida pelo montador. Um capacitor de 10 uF, por exemplo, se tivermos como carga uma lâmpada, tornaremos o circuito um pisca-pisca.
A saída do TLC7555 alimenta diretamente a comporta (g) de um transistor de efeito de campo de potência o qual pode controlar cargas de grandes potências.
Quando tivermos a saída (pino 3) no nível alto, o transistor satura e a resistência entre seu dreno e fonte cai praticamente a zero permitindo a circulação de corrente pela carga.
O montador pode usar praticamente qualquer FET de potência com a polaridade do tipo original, de acordo com a intensidade da corrente da carga escolhida.
MONTAGEM
Começamos por levar ao leitor o diagrama completo do Controle Modular na figura 1.
Os componentes podem ser dispostos numa placa de circuito impresso conforme mostra a figura 2.
Observe que o transistor de efeito de campo de potência deve ser dotado de um bom radiador de calor.
Para este componente, na verdade, existem diversas opções como por exemplo os SPM620, SPM630, SPM720 e SPM730 que são disponíveis em nosso mercado Equivalentes com a sigla IRF também podem ser usados. O SPM620 pode controlar correntes de até 5 ampères e o SPM730 até 5,5 ampères, mas de modo a manter o componente numa região de funcionamento seguro, recomendamos que as cargas não superem metade dos valores máximos.
O CI TLC7555 também pode ser substituído pelo equivalente bipolar 555, mas o circuito passará a ter um consumo maior sem carga. Os diodos são de uso geral e o zener Z1 pode ser de 400 mW com tensões de 4,1 a 4,7 V.
A tensão de trabalho dos capacitores eletrolíticos deve ser de 16 V ou conforme a tensão de alimentação do controle. O potenciômetro é comum linear eventualmente podendo incluir um interruptor simples para ligar e desligar a alimentação.
PROVA E USO
A prova de funcionamento pode ser feita conectando-se a entrada do controle a uma fonte de alimentação comum de 6 a 12 V e na saída uma carga apropriada como, por exemplo, uma lâmpada ou um pequeno motor. A lâmpada ou motor não devem exigir corrente maior do que a fonte pode fornecer.
Se o leitor tiver disponível um osciloscópio, ligue na saída do controle um resistor de 22 ohms x 5W e nele oo osciloscópio de modo a poder observar a tensão aplicada.
Atuando-se sobre o potenciômetro será possível observar as alterações marca/espaço do sinal aplicado e caso seja necessário pode-se alterar o valor de C2 de modo a se obter o comportamento desejado.
Comprovado o funcionamento é só utilizar o controle, tomando-se cuidado para que não sejam ultrapassados os limites de corrente e tensão. Se isso ocorrer poderemos ter a queima do transistor de saída depois de um sobreaquecimento facilmente notado.
LISTA DE MATERIAL
Semicondutores:
CI-1 - TLC7555 - circuito integrado CMOS
Q1 - IRF620, TLC620, IRF730 ou SPM730 - FET de potência - ver texto
Z1 - 4,1 a 4,7 V x 400 mW ou mais - diodo zener
D1, D2 - 1N4148 - diodos de uso geral
D3 - 1N4002 - diodo comum de silício
Resistores:
R1 - 1 k ohms x 1W
R2 - 1 k ohms x 1/8 W
P1 - 100k a 47k - potenciômetro - ver texto
Capacitores:
C1 - 100 uF x 16V - eletrolítico
C2 - 10 nF - poliéster ou cerâmico
C3 - 10 uF x 16_ eletrolítico
Diversos:
Placa de circuito impresso, soquete para o circuito integrado, radiador de calor para o transistor, botão plástico para o potenciômetro, fios, caixa para montagem, solda, etc.