Projetos com modulador PWM com 555 6

No post Construa um Modulador PWM com um CI 555 foi demonstrado como confeccionar um modulador PWM de baixo custo utilizando o CI oscilador 555. Neste post vamos ver algumas possíveis aplicações para este modulador no desenvolvimento de três projetos: acionamento de LEDs, controle de velocidade de um motor DC e uma fonte de tensão ajustável.

Modulador PWM com o CI 555

Este projeto foi apresentado no post Construa um Modulador PWM com um CI 555, onde também é explicado seu funcionamento. As aplicações deste post consideram o uso do modulador representado abaixo, com as seguintes características: 12 kHz de frequência, duty cycle mínimo de 8%, duty cycle máximo de 91% e tensão de pico (valor máximo da onda quadrada) de 5 V.

Materiais necessários

• 1 x CI 555
• 2 x Resistores 1kΩ
• 1 x Capacitor 1uF (opcional – desacoplamento)
• 1 x Capacitor 100 nF (pino 5 do 555)
• 1 x Capacitor 10 nF (pino 6 do 555)
• 1 x Potenciômetro 10kΩ
• 2 x Diodos 1N4007
• Protoboard
• Jumpers diversos

Circuito

Acionamento de LEDs

Uma das aplicações mais básicas para este modulador é o acionamento de LEDs com controle de luminosidade. Devido a sua simplicidade e baixo custo dos LEDs, é uma boa forma de testar o modulador sem correr o risco de danificar algum componente ou sistema mais complexo (e caro).

Uma das coisas que precisamos ter em mente ao utilizar o modulador é a capacidade de fornecer corrente do 555: tentar alimentar uma carga que requer mais corrente que o CI pode fornecer irá danificar o componente. Este, bem como diversos outros parâmetros do 555, podem ser encontrados no datasheet do componente, que neste caso é cerca de 225 mA. Como um LED de alto brilho pode fornecer uma boa iluminação com menos de 20 mA, é possível alimentar vários LEDs diretamente com a saída do modulador.

Materiais necessários

• Modulador PWM com 555
• 1 x LED verde
• 1 x LED vermelho
• 2 x Resistores 220Ω
• Protoboard
• Jumpers diversos

Circuito

No circuito acima dois LEDs são acionados, simultaneamente, consumindo menos de 30 mA ao total. Repare que os LEDs estão em antiparalelo, ou seja, um deles é ligado ao modulador pelo anodo e o outro pelo catodo. Desta forma, o LED verde é acionado no tempo em alto do PWM e o vermelho no tempo em baixo. Na prática veremos o brilho de um LED aumentar na medida que o outro diminui e vice-versa.

Em funcionamento:

Acionamento de motores

Quando uma carga consome mais de 225 mA, não podemos aciona-la diretamente com o 555. Nestas situações é necessário a adição de um drive de corrente, uma circuitaria extra que fornecerá corrente à carga, mas que é controlada pelo modulador.

Um bom exemplo de carga é um motor DC. Dependendo do motor utilizado serão necessários bem mais de 225 mA para mantê-lo girando e, caso o motor esteja parado, uma corrente ainda maior será necessária para faze-lo começar a girar (corrente de pico ou de partida).

No post Controle de velocidade de motor DC com PWM no Arduino UNO, utiliza-se uma ponte-H para acionar o motor através do PWM. Isso nos dá a capacidade de controlar a direção de rotação, mas caso esse controle não seja necessário, um circuito simples com transistor já é o suficiente.

Um transistor atua como uma espécie de interruptor controlado, quando uma corrente pequena (geralmente nano amperes) é aplicada à sua base, o componente permite a passagem de uma corrente muito superior entre seu outros dois terminais. É comum em aplicações com PWM utilizar um transistor de efeito de campo (FET), tal como o MOSFET, pois estes possuem certas características superiores ao transistores convencionais para lidar com o sinal PWM.

Veja no circuito abaixo como acionar um motor DC com o modulador PWM 555 através de um MOSFET.

Materiais necessários

• Modulador PWM com 555
• 1 x Resistor 1kΩ
• 1 x Resistores 100Ω
• 1 x MOSFET FQP30N06
• 1 x Diodo 1N4007
• 1 x Motor DC
• Protoboard
• Jumpers diversos

Circuito

Não se esqueça! O motor é uma carga indutiva; quando desligado, o campo magnético que faz o motor girar induz uma alta tensão inversa sobre os terminais do motor, o que pode danificar o transistor e outros componentes conectados ao circuito. Colocamos um diodo em paralelo com o motor para impedir que esta tensão chegue aos outros componentes.

Em funcionamento:

Para pequenos motores DC, em aplicações que não requerem muita precisão no controle de velocidade, este modulador deve funcionar sem grandes problemas. Pessoalmente, já utilizei este modulador para controlar a vazão de uma bomba de para-brisa de carro e não tive problemas.

No entanto, se sua aplicação requer controle preciso da velocidade do motor, é recomendado utilizar um sistema de controle mais complexo, possivelmente utilizando um microcontrolador para controlar o PWM.

Fonte Ajustável

Podemos controlar motores e LEDs com um sinal PWM sem grandes problemas, mas cargas mais sensíveis podem não funcionar corretamente ou serem danificadas. No caso de querermos utilizar um sinal PWM para alimentar um Arduino, por exemplo, pois temos uma fonte com tensão superior ao máximo suportado pela placa, vamos nos deparar com duas situações críticas:

• No período em baixo, quando a saída do PWM vai ao valor mínimo, não forneceremos tensão suficiente para manter a placa ligada, o sistema irá desligar e perderemos os dados salvos na memória RAM.
• No período em alto, quando a saída do PWM vai ao valor máximo, estamos alimentando a placa com uma tensão superior à máxima suportada, podendo danifica-la.

Para evitar as situações descritas acima, precisamos transformar o sinal alternado do PWM em um sinal contínuo, isso pode ser alcançado ao fazer o sinal PWM passar por um filtro passa baixas, com frequência de corte inferior à frequência do PWM.

Um filtro passa baixas é um circuito eletrônico que permite a passagem de sinais de frequência inferior à um certo valor (frequência de corte) e atenua (reduz) as frequências superiores à este valor. Para entender como um filtro passa baixas pode transformar um sinal PWM em um sinal contínuo é necessário alguns conhecimentos de análise no domínio da frequência e transformada de Fourier. Dê uma olhada em Domínio da Frequência e Transformada de Fourier, ou em Frequency Domain e Fourier Transform (ambos em inglês, mas mais completos) para mais informações.

Neste caso é importante saber que um filtro passa baixas não remove o nível DC (valor médio) de um sinal, como a frequência de corte é inferior à frequência do PWM, o filtro cortará as frequências e deixará passar apenas o nível DC. Se aplicarmos um PWM com duty de 50% e pico de 5V à entrada de um filtro passa baixas com frequência de corte inferior à frequência do PWM, na saída obteremos um sinal contínuo de aproximadamente 2.5V.

Geralmente utiliza-se filtros LC (indutor e capacitor) em projetos de fontes, porém um filtro LC eficiente pode ser bem difícil de se projetar e requerer componentes difíceis de se obter. Ao invés disso vamos utilizar um filtro RC (Resistor e capacitor), que é bem mais fácil de confeccionar. No entanto, o resistor é um elemento que consome potência devido ao efeito Joule, além de limitar a corrente máxima que podemos fornecer à carga. Para contornar a limitação de corrente vamos utilizar um transistor para ser responsável em fornecer corrente, enquanto o PWM e o filtro apenas regulam a tensão de saída.

Materiais necessários

• Modulador PWM com 555
• 1 x Resistores 100Ω
• 1 x Resistores 10kΩ
• 1 x Capacitor 10uF
• 1 x Transistor TIP31
• Protoboard
• Jumpers diversos

Circuito

No circuito acima o capacitor e o resistor de 100 Ω formam um filtro passa baixas com frequência de corte de 160 Hz . O transistor, na configuração base comum, atua como um drive de corrente que alimenta a carga (neste caso, um resistor de 10 kΩ) com a tensão definida pelo PWM.

Em funcionamento:

Observe que a tensão sobre a carga é praticamente contínua, com pequenas variações, mas as duas situações críticas, falta e excesso de tensão, são evitadas.

Quando analisamos a eficiência deste circuito existem alguns problemas: o transistor atuando como drive de corrente provoca um queda de tensão na saída e, tanto o transistor quanto o resistor do filtro dissipam potência que poderia ser fornecida à carga. Existem circuitos bem mais eficientes de fontes com PWM, como os circuitos de fontes chaveadas, porém são mais complexos de se projetar.

Conclusão

Neste post vimos alguns exemplos de aplicações para o modulador PWM com 555. Vale notar que todos os projetos demonstrados tem algo em comum, o único controle que temos sobre a saída do modulador é o ajuste do potenciômetro, feita de forma manual. Caso haja uma perturbação, a saída pode ser desajustada, nesse caso é necessário realizar um reajuste manual no potenciômetro para corrigir a saída.

Em aplicações mais simples, como as demonstradas, isso não é um grande problema pois uma alta precisão não é necessária. Porém em aplicações mais críticas é bom pensar em um sistema mais robusto que detecte e se adapte a perturbações de forma automática (sistemas de malha fechada). Nestes casos compensa mais utilizar um microcontrolador ou placa de desenvolvimento, como o Arduino, para produzir o PWM e algum sensor para monitorar a saída. Caso uma perturbação seja detectada (o valor da saída é diferente do desejado), o microcontrolador ajustará o valor do PWM para corrigir o erro.

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