Variador de tensão contínua

Regula a luminosidade de lâmpadas ou a velocidade de pequenos motores de corrente contínua e actua também como intermitente de potência.
O dispositivo que se descreve neste artigo, e que funciona em corrente contínua, pode utilizar-se em diversos usos, tais como para variar a luminosidade, a velocidade de pequenos motores, a temperatura de um ferro de soldar ou de uma termo resistência e, em geral, a alimentação de qualquer carga em corrente contínua.
Particularmente interessantes são as aplicações no campo automóvel, tais como, o temporizador para manter acesas, durante a noite, as luzes de cortesia sem incomodar o condutor, o regulador de corrente do vidro traseiro, o comando progressivo da alimentação, etc.
Para os aficcionados do modelismo, um regulador electrónico de potência pode servir para obter efeitos de realismo nos comboios miniatura, ou para resolver particulares exigências de iluminação.
Este dispositivo foi expressamente estudado para funcionar com cargas de natureza puramente resistiva, sendo capaz de variar de zero até ao valor máximo a tensão na saída.
É óbvio, portanto, que não se poderá pretender intervir em igual medida sobre a alimentação dum pequeno motor porque, como se sabe, este necessita sempre dum valor mínimo de tensão de arranque para que comece a girar com um determinado binário.
De qualquer forma, o eventual destino do circuito para o controle de velocidade dum motor é perfeitamente possível, sempre que se tenha a precaução de restringir o campo de regulação da tensão de saída.
Este dispositivo pode trabalhar também como controlador de potência, oferecendo uma elevada eficiência luminosa com um limitado consumo de corrente.

Funcionamento do variador
Para controlar a potência entregue a uma carga, em corrente contínua, a técnica PWM (Pulse With Modulation = Modulação de Largura de Impulso) é a que proporciona o melhor rendimento eléctrico.
O princípio de funcionamento baseia-se na interrupção periódica (chopping) da tensão de alimentação da carga pelo que esta recebe uma série de impulsos de duração variável (ou modulável), de amplitude e frequência constantes, ou a tensão total a determinados intervalos de tempo, e durante a duração pré-estabelecida.
Na prática, cria-se uma relação variável fornecimento/pausa (On/Off) da alimentação (tempo de pausa mínimo = máxima potência, e vice-versa) que significa aplicar aos terminais da carga, em vez duma tensão contínua, um sinal rectangular cujo valor médio constitui a tensão disponível na saída: Vm(out)=Vcc x (Ton / T) em que Ton é a duração do impulso, e T é o seu período (ciclo de trabalho do sinal).

Descrição do circuito





Como se pode ver no esquema eléctrico da figura 1, o coração do circuito é um integrado NE555, o habitual temporizador, em versão CMOS, que no nosso caso controla os impulsos modulados em duração, enquanto que o MOSFET TR1 forma a etapa de saída do regulador de potência. A sua função específica consiste em comutar a tensão sobre a carga, a alta velocidade.
O temporizador que estabelece a duração dos impulsos é realizado com o IC7555 na configuração de multivibrador astável com ciclo de trabalho variável, actuando do seguinte modo.
Assim que se aplica a tensão de funcionamento aos terminais de entrada da carga, (compreendida entre 9 e 24V), no terminal 3 (saída) tem-se um nível lógico alto, uma vez que o condensador C1 está descarregado.
Como consequência, no terminal 2 do circuito integrado temos uma diferença de potencial igual a 1/3 da tensão de alimentação, reduzida e estabilizada a 5V pelo regulador de tensão IC2.
Por intermédio das resistências R1 e R2, e do díodo D1, o condensador C1 começa imediatamente a carregar-se, prosseguindo até o valor da tensão nos seus terminais alcançar 2/3 da tensão de alimentação.
Nesse instante, o nível de saída torna-se baixo, tal como o existente no terminal 7, por efeito da condução do MOSFET interno do circuito integrado.
Precisamente através deste transístor e de D2, R3/R2, o condensador nos seus terminais desce para 1/3 da tensão de alimentação e o nível lógico no terminal 3 torna-se alto. Ao mesmo tempo bloqueia-se o MOSFET interno de IC1.
Produz-se assim uma fase da carga de C1 e todo o ciclo se repete até ao infinito. Girando o cursor do trimmer R2, modifica-se o ciclo de trabalho (relação entre a duração do nível alto e o período) do sinal rectangular gerado pelo integrado 555, isto é, na prática, a largura dos impulsos.
Escolhendo para R1 e R3 um valor de 1000 ohms e para R2 um valor 100 vezes maior, pode regular-se o ciclo de trabalho entre 99% e 1%. Os díodos D1 e D2 apresentam à corrente do condensador C1 dois possíveis percursos para obter tempos de carga e de descarga diferentes.
Deste modo, controlam-se os tempos ON e OFF do ciclo.
Mais precisamente, D1 controla a relação Ton < Toff, enquanto que D2 o faz com Ton > Toff.

Frequência de oscilação
Para conhecer, com boa aproximação, a frequência de oscilação do multivibrador astável, pode recorrer-se à seguinte fórmula:
f=1,44/((R1+R2).C1)
Onde as resistências estão expressas em ohms e C1 em farads.
Na função de regulação de fluxo luminoso (dimmer), a frequência teórica é de aproximadamente 30KHz, e na de regulação de velocidade (blinker) é de cerca de 1,4Hz.
O sinal disponível no terminal 3 do integrado IC1 controla, através da resistência R4, a porta do MOSFET de potência TR1.
Quando a saída é alta, aplica-se a totalidade da tensão de alimentação ao terminal do dreno.
A escolha dum MOSFET de potência como interruptor electrónico, é determinada pelas características favoráveis dele, tais como a baixíssima corrente requerida para o levar à condução (Igs), a alta corrente e a tensão (Ids-Vds) que se obtém entre os terminais do dreno e da fonte; a pequeníssima resistência de condução (Rds on), que se traduz numa dissipação de energia e consequente queda de tensão praticamente nula, o isolamento eléctrico da porta dos eléctrodos de dreno-fonte e o coeficiente de temperatura positivo, para o qual a resistência do MOSFET aumenta com a temperatura da junção, limitando automaticamente o fluxo da corrente de dreno, etc.
Em particular, para este projecto utilizou-se um MOSFET de canal N, de fácil localização no comércio especializado, o modelo IRF540, cujas características principais são: Ids=27A (Tc=25°C)-17 A: (Tc=100ºC), VDS=100V, Rds on=0,085 ohms, Pd=125W, Vqs=4V, Igs=250µA.

A finalizar a montagem, é muito conveniente estanhar as pistas da alimentação e as que vão do MOSFET para a saída. O motivo desta precaução é que assim se aumenta a sua secção e não existe o perigo de aquecerem excessivamente.
Os diodos D3 e D4 servem para proteger o circuito contra as acidentais inversões de polaridade da alimentação e, no caso do uso em aparelhos com motores, para prevenir os perigosos efeitos das sobretensões momentâneas provocadas pela instalação da ignição de alta tensão.

Realização prática





Uma vez realizado o circuito impresso cujo traçado consta da figura 3, começa-se por montar todas as resistências e condensadores, devendo ter o cuidado de respeitar a polaridade dos electrolíticos.
A seguir monta-se o suporte para o integrado, os três díodos, o trimmer com eixo (que se pode substituir por um potenciómetro normal linear de 100kΩ), as duas caixas de junção, o comutador, o MOSFET de potência (depois de o ter fixado a um dissipador de valor adequado) e, finalmente, o circuito integrado estabilizador, IC2.





Comprovação do dispositivo
Uma vez ultimada a montagem, poderá proceder-se à sua comprovação. Nos terminais de saída deve ligar-se uma lâmpada de automóvel (12V - 5/21W), enquanto que nos de entrada se aplicará uma tensão contínua de 12 volts.
Deve respeitar-se a sua polaridade, uma vez que, não o fazendo, se correrá o risco de destruir o díodo D4 com o consequente funcionamento incorrecto do circuito.
Com o comutador situado na posição Dimmer (D no esquema), deverá rodar-se o cursor do trimmer R2, de 100kΩ, no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio, com o que a lâmpada deve acender-se gradualmente, até chegar à sua máxima luminosidade.
Se se pretender pode ligar-se, em paralelo com a lâmpada, um voltímetro de corrente contínua, e observar a excursão linear da tensão de 0 a 12V.
Levando o comutador S1 á posição Blinker (B no esquema), o circuito deve transformar-se num intermitente.

Lista de material
Resistências 1/4W ±5%
R1, R3, R4 = 1KΩ
R2 = ajustável de 100KΩ
Condensadores
C1 = 470pF poliester
C2 = 10μF 25V
C3 = 10nF poliester
C4 = 100nF poliester
C5 = 220μF 25V
Semicondutores
D1, D2 = 1N4001 (1N4002)
D3 = Zener 9,1V 1/2W
D4 = 1N4002
TR1 = IRF540 (IRF542)
IC1 = 7555 (CMOS)
IC2 = LM7805
Diversos
S1 = Comutador deslizante


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