Neste artigo, aprendemos a conceber um controlador de velocidade PWM simples para um motor DC, aprendendo como a corrente flui no circuito e o que cada componente faz.

Desloque-se para o fundo para ver o tutorial do YouTube.

Este é um simples controlador de velocidade de modulação de largura de pulso para um motor DC que utiliza um destes, um temporizador 555, e vamos mostrar-lhe como o circuito funciona, como projetar um e até transformá-lo numa placa de circuito impresso com aspeto profissional. AQUI.

Projetar o circuito

O coração do nosso sistema é o temporizador 555. Este é um componente de circuito integrado, o que significa que no seu interior estão vários componentes mais pequenos, todos combinados num único pacote, o que facilita muito o nosso trabalho como projectistas. Veremos como este componente funciona à medida que construímos o circuito.

Para este projeto, vamos utilizar o Altium designer, que gentilmente patrocinou este artigo. Todos os nossos espectadores podem obter uma avaliação gratuita do software AQUI.

Iniciamos um novo projeto e criamos o nosso esquema e também o ficheiro PCB. Em seguida, temos de começar a adicionar os nossos componentes, podemos utilizar a ferramenta incorporada, mas vamos utilizar um complemento que pensamos que facilita um pouco as coisas. Encontramos o componente no sítio Web de um fornecedor, estamos a utilizar o mouser, mas pode utilizar quem quiser.

Encontrámos o temporizador 555, por isso pegamos no número da peça e colamo-lo no carregador de bibliotecas e clicamos em procurar, ele encontra o componente e clicamos em adicionar ao desenho.

O temporizador 555 pode suportar uma carga máxima de cerca de 200 miliamperes. Vamos controlar um destes motores DC a partir de uma fonte de 12 volts, e vemos que a 12 volts consome uma corrente de cerca de 1,4 Amperes e isso sem carga aplicada, o que já é mais do que o temporizador 555 pode suportar.

A propósito, abordámos em pormenor o funcionamento dos motores de corrente contínua no nosso artigo anterior AQUI .

Vamos utilizar um MOSFET IRFZ24N, porque é capaz de lidar com a tensão e a corrente e também tem uma baixa resistência de dreno-fonte ON. Por isso, vamos encontrar esse componente e adicioná-lo ao circuito. O motor será ligado ao pino de dreno do MOSFET e o pino de fonte liga-se à terra.

Normalmente, o MOSFET bloqueia o fluxo de corrente, pelo que o motor não roda. No entanto, se aplicarmos uma pequena tensão ao pino da porta, este permite a passagem de alguma corrente. Quanto maior for a tensão aplicada, mais corrente é permitida, pelo que o motor roda mais depressa.

O temporizador 555 fornecerá a tensão ao pino da porta do MOSFET, a partir do pino 3. Para variar a tensão e controlar a velocidade do motor, enviará esta tensão sob a forma de impulsos. Cada impulso dura um período de tempo, durante este período haverá um segmento em que o sinal está ligado, pelo que é aplicada tensão, e um segmento em que o sinal está desligado, pelo que não é aplicada tensão.Quanto mais largo for o impulso, mais alta será a tensão média. Isto é modulação por largura de impulso e pode ver os cálculos mais à frente neste artigo.

A corrente para o pino da porta é mínima, mas vamos colocar uma resistência de 1 kiloOhm entre o pino da porta do mosfet e o pino 3 do temporizador 555, o que protegerá o componente limitando a corrente se o mosfet funcionar mal e permitir que a corrente saia da porta.

Uma carga de electrões acumula-se no pino da porta do mosfet e precisamos de a descarregar para o desligar, por isso colocamos outro resistor de 1 kiloOhm e ligamo-lo à terra, o que proporciona um caminho de descarga.

Pretendo ligar o motor e a fonte de alimentação externamente à placa de circuitos, pelo que vou acrescentar um terminal para a entrada e outro para a ligação do motor. Pretendo também um interrutor incorporado para ligar e desligar o controlador, pelo que procuro um interrutor adequado e acrescento-o também. Agora vamos ligar o terminal de entrada à terra e, em seguida, ligamos a fonte de alimentação ao interrutor. Ligamos então o interrutorEm seguida, ligue o terminal do motor ao pino de drenagem do mosfet.

O motor elétrico contém bobinas de fio, pelo que podemos considerá-lo um indutor. Quando os indutores são alimentados, armazenam energia no seu campo magnético. Quando a energia é cortada, este campo magnético entra em colapso e o indutor empurra os electrões através do circuito, o que provoca um aumento muito grande e súbito de energia que pode danificar o nosso circuito.Para isso, utilizamos um díodo 1N4007 que pode suportar a grande corrente de pico, pelo que o adicionamos ao circuito.

Abordámos os indutores, díodos e transístores em pormenor nos nossos artigos anteriores AQUI- Indutores, díodos, transístores.

Agora podemos ligar o pino 8 do temporizador 555, que é a fonte de alimentação dos componentes, e ligamo-lo ao positivo. Depois ligamos o pino 1 à terra.

Dentro do temporizador temos três resistências de 5 kiloOhm entre os pinos 1 e 8, a tensão reduz um terço (1/3) depois de cada resistência. Como temos 12 volts no pino 8, a tensão vai reduzir-se para 8 volts depois da primeira resistência e depois para 4 volts depois da segunda resistência. O temporizador 555 usa estes valores como referência.

O primeiro comparador está ligado às resistências através da entrada negativa. A entrada positiva está ligada ao pino 6, o pino de limiar. O comparador 2 está ligado às resistências através da entrada positiva. A sua entrada negativa está ligada ao pino 2, o pino de disparo.

Os comparadores estão agora ligados a duas tensões diferentes, de modo a poderem compará-las. Se a tensão de entrada positiva for superior à tensão de entrada negativa, o comparador emite um sinal alto ou uma tensão positiva. Se a tensão de entrada negativa for igual ou superior à tensão de entrada positiva, o comparador emite um sinal baixo ou uma tensão zero.

Vamos ligar os pinos 2 e 6 para que a tensão seja a mesma. A saída dos comparadores liga-se a outro componente interno chamado flipflop. O primeiro comparador liga-se à entrada chamada "reset", o segundo comparador liga-se à entrada chamada "set". Há também uma saída chamada "not Q". Quando o flipflop recebe um sinal alto do comparador 1, emite um sinal altoQuando o flipflop recebe um sinal alto do comparador 2, emite um sinal baixo. Se ambos os comparadores fornecerem um sinal baixo, o flipflop mantém-se inalterado e continua. Isto passará então por outro componente chamado inversor, que simplesmente inverte o sinal que lhe é dado.

Se isto parecer confuso, não se preocupe, fará sentido dentro de momentos, à medida que percorremos o circuito.

Se aplicarmos uma pequena tensão de, digamos, 3,9 Volts aos pinos 2 e 6, o comparador 1 emite um sinal baixo e o comparador 2 emite um sinal alto. Isto define o início do intervalo de tempo. O Flipflop emite um sinal baixo. O inversor emite um sinal alto.

À medida que aumentamos a tensão, por exemplo, para 6 volts, os comparadores 1 e 2 emitem um sinal baixo, o flipflop permanece inalterado, a temporização continua. Mas, a 8 Volts, o comparador 1 emite um sinal alto e o comparador 2 emite um sinal baixo. A saída do flipflop inverte agora e a saída é alta. Isto reinicia a temporização.

A saída do flipflop permanece a mesma até que a tensão diminua para cerca de 4 volts, em que o comparador 1 emite um sinal baixo e o comparador 2 emite um sinal alto, o que faz com que o temporizador arranque novamente.

Assim, vemos que à medida que a tensão nos pinos 2 e 6 aumenta e diminui, a saída do temporizador 555 muda. Assim, para controlar a tensão e, portanto, o intervalo de tempo, ligamos os pinos 2 e 6 a um condensador.

Quando ligamos um condensador a uma fonte de alimentação, ele atinge instantaneamente a tensão da bateria. Mas se o ligarmos através de uma resistência, a resistência atrasa o tempo de carregamento. Quanto maior for a resistência, mais tempo demora a carregar a tensão.

Para carregar o nosso condensador, vamos utilizar uma resistência fixa de 1 kiloohm e um potenciómetro de 100 kiloohm. O potenciómetro é uma resistência variável, pelo que podemos variar o tempo de carga do condensador. Precisamos também de descarregar o condensador para reiniciar o temporizador. Por isso, vamos adicionar dois díodos para criar um caminho de carga e descarga separado. A corrente nesta parte do circuito é muito pequenaUtilizaremos dois díodos 1N4148, que têm uma corrente direta de cerca de 300 miliAmps, o que será suficiente para esta aplicação.

O condensador será um condensador cerâmico de 10 nano farad, veremos porquê daqui a pouco. Adicionamos então estes componentes ao circuito, ligamos os díodos à resistência fixa e os díodos aos pinos 1 e 3 do potenciómetro. Depois ligamos o condensador à terra, bem como aos pinos 2 e 6 do temporizador 555 e também ao pino 2 do potenciómetro.

O pino 7 é o pino de descarga, que está ligado ao nosso condensador de temporização. No interior do temporizador 555, a saída do flipflop liga-se ao pino de porta de um transístor interno. Isto controla o fluxo de corrente do condensador para a terra. Quando a saída do flipflop é baixa, o transístor está desligado, pelo que o condensador se carrega e a tensão começa a aumentar.Quando a saída do flipflop é alta, o transístor é ligado, o que descarrega o condensador e, assim, a tensão diminui. Quando atinge 4 Volts, o condensador começa a carregar-se novamente e, quando atinge 8 Volts, descarrega-se.

Pode saber como funcionam os condensadores no nosso artigo anterior AQUI

Também temos o pino 5, que é a tensão de controlo. Podemos utilizá-lo para anular o comparador 1. Não precisamos dele para este circuito, por isso ligamo-lo à terra através de um condensador cerâmico de 0,1 micro farad. Ligar este pino à terra evita a anulação acidental e o condensador filtra qualquer ruído ou frequência.

Também temos o pino 4, o pino de reset, que vamos ligar ao positivo do circuito. Podíamos utilizá-lo para anular e reiniciar o flipflop interrompendo a alimentação. Não precisamos disso para este circuito, por isso está ligado ao positivo.

Ok, quando a corrente está a carregar flui através da resistência, do díodo e do lado esquerdo do potenciómetro, para o condensador. A saída do flipflop é baixa, pelo que o transístor de descarga está desligado. O pino 3 emite um sinal alto.

Quando o condensador carrega até 8V, a saída do flipflop torna-se alta, o que liga o transístor e o condensador descarrega-se através do lado direito do potenciómetro e do díodo. O pino 3 emite um sinal baixo.

O transístor permanece aberto, pelo que o condensador descarrega até atingir 4V, onde o flipflop inverte novamente, desligando o transístor, o que inicia novamente a temporização. Este ciclo repete-se continuamente. O condensador carrega e descarrega criando uma onda em dente de serra e o temporizador 555 emite uma onda quadrada, que é modulada por largura de impulso.

Podemos calcular o desempenho da seguinte forma.

O condensador carrega através de R1 e do lado esquerdo do potenciómetro. Assim, o tempo de carga é calculado com esta fórmula. Se assumirmos que o potenciómetro estava a 50%, obtemos 0,35 milissegundos.

O condensador descarrega-se através do lado direito do potenciómetro, pelo que o tempo de descarga é calculado com esta fórmula, o que nos dá 0,34 milissegundos.

Cada ciclo é o tempo de ligar e desligar combinado, por isso 0,35 mais 0,34 dá-nos 0,69 milissegundos.

A frequência é 1 dividido pelo tempo de ciclo, o que nos dá 1,428 Hertz

O ciclo de funcionamento é calculado desta forma, pelo que a saída está ligada durante cerca de 50% do tempo.

Utilizamos o condensador de 10 nanofarads porque nos dá uma frequência muito elevada e o motor DC funciona melhor a alta frequência. Se utilizarmos um condensador muito grande, por exemplo 100 mirofarads, a frequência desce para 0,14 Hertz e cada ciclo demora 7 segundos a ser completado. Por isso, pode utilizar condensadores de outras dimensões, mas tenha em conta o impacto que isso terá na velocidade do motor.

OK, vou agora construir um protótipo simples numa placa de ensaio para verificar se tudo funciona. Parece estar bem e posso ajustar a velocidade, por isso vamos terminar o desenho da placa de circuito impresso.

Adicionamos as anotações. Em seguida, importamos os componentes para o ficheiro de desenho da placa de circuito impresso e passamos algum tempo a reorganizar os componentes em torno da placa. Quando estiver pronto, fazemos o contorno da placa e convertemo-lo para o "keepout". Em seguida, definimos a forma da placa. Adicionamos algum texto nos terminais para sabermos a polaridade do circuito quando o formos utilizar. Em seguida, utilizaremos a funcionalidade Auto route para ligarQuando estiver completo, vamos aumentar a largura das rotas que transportam uma tensão e uma corrente mais elevadas. Um aumento para 1 mm deve ser suficiente. É provável que tenhamos de deslocar algumas das rotas para uma melhor localização, por isso verifique o seu desenho. Quando estivermos satisfeitos, criamos o nosso polígono. E, finalmente, podemos exportar os nossos ficheiros gerber.

Fabrico da placa de circuito impresso

Agora estamos prontos para imprimir a nossa placa de circuito impresso.

Vamos utilizar a JLC PCB para imprimir a nossa placa de circuito impresso, que também patrocinou gentilmente este vídeo. Eles oferecem um valor excecional com placas de 5 circuitos a partir de apenas 2 dólares.

Não se esqueça de que pode descarregar os meus ficheiros de design. Para tal, encontrará novamente as ligações na descrição do vídeo.

Depois de alguns segundos, o circuito é pré-visualizado no ecrã. Podemos personalizar o design com cores e materiais diferentes, etc. Mas vou deixá-los como predefinidos e guardá-los no carrinho de compras. Depois, vamos para a caixa, preenchemos os dados de envio e seleccionamos a opção de envio. Pessoalmente, quero que seja muito rápido, por isso selecciono a opçãoOs custos de envio expresso são mais elevados, pelo que pode optar pelos métodos mais lentos para poupar nos custos. Depois enviamos a encomenda e pagamos.

Alguns dias depois, a nossa placa de circuito impresso chega pelo correio. As placas têm um ótimo aspeto, estou muito satisfeito com o resultado.

Começamos a soldar os componentes na placa. Começo pelo centro e vou descendo. Estou a usar um suporte para o temporizador 555, o que impedirá que o componente seja danificado pelo calor e permite-nos substituir facilmente o componente se estiver defeituoso. Com componentes complicados como este, podemos usar alguma fita adesiva para o manter no lugar enquanto o soldamos.

Depois de soldar todos os componentes, utilizando fita adesiva sempre que necessário, teremos uma placa de circuitos com um aspeto perfeito.

Agora, para o teste, ligamos a fonte de alimentação da bancada e o motor à placa. Em seguida, ligamos a fonte de alimentação. Eu ligo a placa para a alimentar e, em seguida, à medida que ajusto o potenciómetro, o veio do motor começa a rodar. A velocidade de rotação pode ser aumentada ou diminuída muito facilmente. Assim, temos um controlador de velocidade de motor DC de modulação de largura de pulso muito básico.

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