Controlador. Eletrônica Básica para Ferromodelismo 2 - Controlador. foto Luis Gutierrez - GA8 ALL 5562

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1 Controlador Eletrônica Básica para Ferromodelismo 2 - Controlador foto Luis Gutierrez - GA8 ALL 5562

2 2-2 2 Controlador O controlador é o principal dispositivo (eletrônico) dos itens que compõem o nosso sistema (trilhos, vagões, locomotivas, etc). A finalidade é a de regular a velocidade do motor. Como isto é feito é o que veremos mais adiante neste módulo. No mercado há muitas opções de controladores, alguns permitindo ajustes extras como frenagem e aceleração de modo progressivo, possibilitando um maior realismo na operação das máquinas. É comum nestes controladores termos um elemento que reduz a tensão para um valor compatível com os motores e acessórios, além da conversão da corrente alternada (AC) para corrente contínua (DC). 2.1 Fonte de Alimentação Fonte de alimentação, fonte de energia, fonte de força, power pack, power supply, são os vários nomes que podemos encontrar no mercado para identificar o elemento que vai fornecer energia para o sistema. A fonte vai fazer o trabalho pesado de reduzir a tensão da rede doméstica (110V ou 220V) para o que é necessário (aproximadamente 12V) e converter a corrente alternada em corrente contínua. Um controlador, na essência, é uma fonte de alimentação com um regulador variável de tensão.

3 2-3 Para um melhor entendimento vamos dividir controlador em blocos ou etapas. Os controladores mais simples podem não dispor de todas estas etapas, pois isto implica em custos. Entrada Blocos Transformador Retificador Proteção Saída Filtro Regulador Transformador O transformador é composto por duas bobinas enroladas em um núcleo comum. O núcleo é formado por finas lâminas de ferro. O símbolo é mostrado na figura abaixo. A tensão aplicada na entrada (enrolamento primário) do transformador aparece reduzida na sua saída (enrolamento secundário), mas a corrente ainda é alternada. A corrente que circula no primário cria um campo magnético que aparece no secundário. A relação entre as tensões (entrada e saída) é em função do número de espiras (voltas) do primário e secundário. Por exemplo: se tivermos no primário1000 espiras e no secundário 500 espiras, com uma tensão de entrada de 110V, teremos na saída 55V. Ou seja, metade da tensão aplicada.

4 2-4 A figura abaixo mostra um transformador comercial pronto. Os transformadores podem ter em seu enrolamento secundário tomadas intermediárias e particularmente um tipo com uma tomadas central (center tape) será discutido mais adiante no bloco retificador. Na figura abaixo temos um exemplo de transformador com secundário center tape Retificador Esta é a etapa mais importante do nosso controlador. Vimos anteriormente que uma corrente contínua se caracteriza pelo sentido único de circulação. Após a redução de tensão pelo transformador, que ainda mantém a corrente alternada, necessitamos de uma forma de convertê-la em contínua. Para isto vamos utilizar um componente eletrônico de nome diodo. O seu símbolo é mostrado abaixo. Os diodos retificadores (compostos de cristais de silício) tem a propriedade de deixar a corrente circular em um único sentido. A partir dele podemos obter correntes contínuas, mas não puras. A corrente alternada muda de sentido várias vezes por segundo, que conhecemos por ciclos. Um ciclo possui dois semiciclos: um positivo e um negativo. O diodo é polarizado no sentido direto, apresentando baixa resistência a passagem da corrente.

5 2-5 A corrente entra pelo terminal conhecido como anodo (A) e após retificação sai pelo terminal conhecido como catodo (K). Quando é polarizado no sentido inverso, apresenta alta resistência não permitindo a passagem do semiciclo negativo. Veja o circuito a seguir. Temos a retificação por um diodo e a respectiva corrente aplicada a uma carga (o que a nossa fonte irá alimentar). É como se tivéssemos andando por uma estrada cheia de obstáculos. Haja solavancos! Nesta configuração a corrente é pulsante. Este tipo de retificação é conhecido como retificação de meia onda. E se ligarmos o diodo invertido? A retificação só ocorrerá nos semiciclos negativos. Bom, não há um aproveitamento total na configuração mostrada acima. Temos buracos durante os semiciclos negativos. Se utilizarmos transformadores com tomadas centrais (center tape), aproveitamos todos os semiciclos.

6 2-6 Nesta configuração usamos dois diodos, e o mais importante é que tomando como referência a tomada central, o terminal vermelho está fora de fase em relação ao terminal amarelo. Deste modo conseguimos a retificação de onda completa. Continuamos com buracos na pista, porém com variações menores. No bloco Filtro veremos como atenuar estas variações. A foto a seguir mostra alguns tipos de diodos.

7 Proteção De maneira não intencional podemos colocar o nosso controlador em um estado que chamamos de curto-circuito e com isto danificar parte de seus componentes. Neste cenário trágico, o curto ocorre quando o positivo e negativo são interligados, fechando o circuito sem algum elemento (uma lâmpada, por exemplo) que limite a circulação da corrente. Um meio simples e eficiente é o uso de um fusível (fuse). O fusível é composto por um filamento ou lâmina de baixo ponto de fusão e são projetados para suportar um determinado valor de corrente. Significa que se houver uma sobrecorrente, o filamento se aquece de tal forma que causa o seu rompimento e aí a interrupção de energia para o nosso circuito. Este é o seu símbolo e abaixo uma situação hipotética onde o fusível entraria em ação caso colocássemos em curto o circuito. Assim como no exemplo acima, enquanto não resolvermos o problema que está ocasionando o curto, de nada serve ficar trocando o fusível. Em uma situação real, o problema poderia estar em algum trecho do traçado, como esquecer uma chave de fenda em cima dos trilhos (pode acontecer, não é?!).

8 2-8 Os fusíveis e outros dispositivos de proteção são uma parte essencial de uma fonte de energia para prevenir super aquecimento, incêndios ou explosões. Só para ilustrar, outro dispositivo comum de proteção que temos em nossas residências é o disjuntor (circuit breaker). Fusíveis do tipo glass tube. Na parte prática deste módulo, vamos utilizar um componente (um regulador ajustável) que já dispõe de proteções térmicas e sobrecorrentes Filtro Vimos anteriormente que após a etapa de retificação, temos uma corrente contínua porém pulsante. Precisamos de um elemento que atenue ao máximo as ondulações. Um componente que se presta bem ao serviço é o capacitor. A unidade de medida é o farad (F) em homenagem ao físico britânico Michael Faraday. Como o farad é uma unidade muito grande, utiliza-se os submúltiplos: microfarads (µf), nanofarads (nf) e picofarads (pf). Abaixo o seu símbolo. O capacitor é formado por duas placas separadas por um material isolante conhecido como dielétrico. O capacitor pode ser descrito como um componente que armazena energia. Há vários tipos de capacitores e o que nos interessa é o capacitor eletrolítico. O capacitor eletrolítico geralmente é formado por placas de alumínio e o seu dielétrico de uma substância química, o eletrólito. Importante destacar é que este componente é polarizado e portanto deve ser colocado corretamente no circuito com a pena de inutilizá-lo caso seja ligado invertido. Abaixo o seu símbolo.

9 2-9 De uma maneira bem simples, a filtragem funciona assim: o capacitor vai se carregando do instante zero até o pico da tensão do secundário e quando começa a descer o capacitor descarrega-se lentamente até a subida novamente do semiciclo obtendo-se uma ondulação bem pequena. Veja figura abaixo. Capacitores eletrolíticos.

10 Regulador É neste bloco que faremos a regulagem da tensão de saída. Atualmente os circuitos integrados (dispositivo eletrônicos que integram muitos componentes) específicos para regulagem de tensão facilitam o projeto de fontes de alimentação. Há muitos reguladores no mercado, fixos ou ajustáveis, reguladores positivos ou negativos, etc. Entretanto os controladores podem empregar em seus circuitos, transistores para a etapa de regulagem ou mesmo os mais antigos o emprego do reostato. Sobre transistores falaremos nos módulos seguintes. O reostato é um resistor variável que pode controlar a intensidade da corrente elétrica no circuito. Uma grande desvantagem do reostato é que este deve ser capaz de controlar correntes intensas e ainda dissipar boas quantidades de calor. Isto se traduz em um componente de grandes dimensões e de custo elevado. reostato fonte Wikipedia O resistor é um componente utilizado para limitar a passagem da corrente elétrica. Os resistores são feitos com material condutor de alta resistividade elétrica e dissipam energia elétrica na forma de calor. Podem ser fixos ou variáveis (potenciômetros e trimpots) e normalmente levam na sua construção filme de carbono ou fio níquelcromo. Os símbolos.

11 2-11 A imagem a seguir mostra alguns tipos de resistores. A unidade de medida é o ohm (Ω) como visto no módulo 1. Especificamente sobre resistores fixos de carbono, estes geralmente são pequenos e os valores estão codificadas na forma de anéis coloridos.

12 2-12 A leitura é feita segundo a tabela a seguir: Cor Anel 1 Anel 2 Preto Marrom Vermelho Laranja Amarelo Verde Azul Violeta Cinza Branco Prata Dourado Anel 3 (multiplicador) ,01 0,1 Anel 4 (tolerância) 1% 2% 3% 4% 10% 5% Exemplo (figura anterior): Anel 1 = marrom Anel 2 = preto Anel 3 = vermelho Anel 4 = dourado Resultado: 1000Ω ou 1KΩ (quiloohm) com 5% de tolerância, quer dizer, pode variar para cima ou para baixo em 5% o valor da resistência. Diferentemente do capacitor onde temos submúltiplos do farad, no resistor temos os múltiplos do ohm: quiloohm (KΩ) e megaohm (MΩ). Veja na página seguinte uma tabela com os múltiplos e submúltiplos do Sistema Internacional de Unidades (SI).

13 2-13 Prefixos do Sistema Internacional de Unidades Nome Símbolo Fator de multiplicação da unidade yotta Y 1024 = zetta Z 1021 = exa E 1018 = peta P 1015 = tera T 1012 = giga G 109 = mega M 106 = quilo k 10³ = hecto h 10² = 100 deca da 10 deci d 10-1 = 0,1 centi c 10-2 = 0,01 mili m 10-3 = 0,001 micro µ 10-6 = 0, nano n 10-9 = 0, pico p = 0, femto f = 0, atto a = 0, zepto z = 0, yocto y = 0, fonte Inmetro (

14 Prática A proposta é montarmos um controlador simples que poderá ser usado em pequenos layouts Ferramentas Nesta etapa será necessário o uso de ferramentas adequadas para montagem do circuito, a saber: alicate de corte, alicate chato, solda, ferro de solda, descascador de fios (opcional), sugador de solda (opcional) e um multímetro (analógico ou digital).

15 2-15 Um ferro de solda de 30 Watts é o adequado para eletrônica. Evite os ferros de solda com potências maiores. Se você não possui experiência na soldagem de componentes eletrônicos, sugiro estes sites para consultas: Os multímetros de baixo custo funcionam muito bem para o nosso tipo de aplicação (ferromodelismo). No mercado ainda encontramos muitos analógicos mas se puder adquira um digital. A leitura é bem mais fácil. multímetro digital e analógico

16 O Circuito Antes de começarmos a montagem, leitura de esquemas eletrônicos podem parecer um tanto quanto confuso para os iniciantes devido a mistura entre as notações americana e europeia, ou ainda inventada pelos hobbystas. De qualquer modo, a prática tornará as notações e símbolos fáceis de serem interpretados. Os esquemas apresentam as localizações do componentes através de letras e números. Por exemplo: diodos com a letra D, capacitores com a letra C, resistores com a letra R e assim por diante. Esta nomenclatura auxilia a leitura do texto que descreve o circuito. Note também que quando há pontos de solda ou ligação dos fios e componentes, estes são destacados dos fios que são sobrepostos. Abaixo temos o circuito proposto. Você consegue identificar os blocos numerados de 1 a 4?!

17 2-17 São eles: transformador retificador filtro regulador O bloco regulador é composto pelo circuito integrado (IC - integrated circuit) LM317. Este componente é um regulador ajustável de três terminais e a sua saída varia de 1,25V até 37V, capaz de suportar correntes de até 1,5A. Contamos ainda com proteções térmica e curto circuito. Lista de material T1 transformador com entrada 110/220V, saída 15+15V ou 16+16V (center tap), 1A D1 e D2 diodos 1N4007 (qualquer um da série 1N400x serve para este circuito se a rede doméstica for de 110V ou se você só vai usar em 110V) C1 capacitor eletrolítico1000 microfarads, 25V IC1 LM317 (sufixo T, encapsulamento TO-220) R1 - resistor 220 ohms (vermelho, vermelho e preto) R2 potenciômetro 2200 ohms (2K2) diversos ponte de terminais, pasta térmica, fios, parafuso e porca (3mm), dissipador para o LM317 (veja com o vendedor o mais adequado), pedaço de lixa d'água número 600 ou maior, chave de alavanca H-H (DTDP - Double Pole Double Throw), chave deslizante H-H (DTDP), knob e caixa para acomodar o controlador.

18 Montagem Como o circuito possui poucos componentes, é recomendável para os iniciantes a montagem em uma ponte de terminais. Você encontra de vários tamanhos e pode ser fixada em madeira ou em caixa plástica por exemplo. Se você não possui muita prática na soldagem de componentes, a ponte de terminais também pode ser de grande ajuda. Vá treinando soldando pedaços de fio. Placas de circuito impresso (PCB Printed Circuit Board) dão uma aparência profissional mas sua confecção dá um certo trabalho. No próximo módulo veremos PCBs padrão e como usá-las. Se você tem uma maquete, pode ficar interessante a fixação do conjunto por debaixo do tablado deixando apenas o controle (potenciômetro) e chave de direção em um painel. Também pode deixá-lo dentro de uma construção e como no exemplo anterior, deixar o comando no painel. Ainda se preferir pode acomodá-lo em caixas próprias para fontes. As possibilidades são várias e você certamente encontrará a mais adequada para o seu layout. Lembre-se que o transformador é um componente pesado e deve ficar bem fixado na estrutura. Para o nosso circuito, eu optei por fixá-lo em um pedaço de madeira para facilitar o acompanhamento da montagem. Ao usar a ponte de terminais, optei também por deixar os componentes afastados para uma melhor visualização. Para orientação da colocação dos componentes, o primeiro terminal da esquerda será o de número 1. transformador e ponte de terminais fixados na madeira

19 2-19 O transformador usado nesta montagem não possui fios prontos para ligação tanto no secundário como no primário, apenas terminais. Isto pode variar muito de fabricante para fabricante. O importante ao comprar este componente é perguntar ao vendedor (caso não esteja impresso) a identificação dos terminais. Para efeito de testes, eu optei por ligar o primário apenas com a configuração para 110V. primário do transformador configurado para 110V

20 2-20 Comece soldando 3 pedaços de fio (10cm cada) no secundário do transformador. use fios de diferentes cores para uma melhor identificação

21 2-21 Depois solde na ponte de terminais. Começando da esquerda vamos usar os terminais 1, 5 e 8. A ordem do fio vermelho tanto faz. Note que optei por soldar os fios na parte inferior da ponte. Soldaremos os componentes na parte superior da ponte de terminais. Com a lixa d agua, seca, lixe levemente todos os terminais (leads) dos componentes (diodos, capacitor, resistor, potenciômetro e circuito integrado). Isto vai facilitar a soldagem, pois retiramos resíduos e outras impurezas.

22 2-22 Solde os diodos nos terminais 1, 3 e 5. Especial atenção quanto a posição destes componentes. Lembra-se quando falamos sobre os diodos?! São componentes polarizados. O fabricante identifica o terminal negativo (catodo) por um anel. Note que os catodos ficam frente a frente e disputam o mesmo terminal da ponte, o de número 3. Com o alicate de corte, corte os terminais excedentes destes componentes.

23 2-23 Agora é a vez do capacitor eletrolítico. Também é um componente polarizado. Normalmente o fabricante identifica o terminal negativo. Uma outra forma de verificação, sendo válido apenas quando o componente é novo, é que o terminal positivo é mais longo que o negativo. Observe a imagem abaixo. Aproveitamos o terminal negativo e dobramos com o alicate chato para depois soldá-lo no terminal 9. Após a dobra, posicione o componente e solde-o nos terminais 7, 8 e 9.

24 2-24 Após a soldagem corte os terminais excedentes. Veja na figura abaixo o aspecto final deste componente. Em qualquer momento da montagem, se houver dúvidas, recorra ao diagrama ou esquema do circuito para verificar o posicionamento correto dos componentes.

25 2-25 Agora é a vez do regulador. Dobre os terminais como mostrado na imagem abaixo. Faça com cuidado. Passe um pouco de pasta términa no verso deste componente. Isto vai facilitar a transferência térmica para o dissipador.

26 2-26 Fixe, com um parafuso e porca, o circuito integrado ao dissipador. Vamos usar os terminais 11, 12 e 13. Dobre os terminais do resistor, orientando-se pela imagem abaixo. Solde o circuito integrado e o resistor. Note que eles disputam os terminais 11 e 12.

27 2-27 Vamos ao potenciômetro. Com a sobra de algum terminal ou um pedaço de fio sem capa, coloque em curto os dois primeiros terminais do potenciômetro. Oriente-se pela imagem abaixo. Se você já souber onde vai instalar o circuito, é aconselhável já nesta etapa da montagem cortar a haste do potenciômetro para um tamanho adequado. Para o acabamento com um knob, 1cm de haste é o suficiente. Use uma serra fina para esta tarefa.

28 2-28 Solde três pedaços de fio de 10cm cada. Oriente-se pela imagem abaixo. Agora vamos soldar estes três fios nos terminais 9, 11 e 15. Oriente-se pelos círculos coloridos.

29 2-29 Nesta última etapa da montagem vamos soldar alguns pedaços de fio que farão as conexões finais do circuito. Faça com muita atenção. Interligue os terminais 3, 7 e 13 (retângulos amarelos) Interligue os terminais 12 e 16 (retângulos verdes) Mais uma vez, se houver dúvidas recorra ao diagrama ou esquema do circuito. Pronto! A saída (a ligação para os trilhos) do nosso controlador está nos terminais 15 (negativo) e 16 (positivo). o projeto finalizado

30 Verificação e Testes Antes de ligar o controlador na rede elétrica: compare o que foi montado com o esquema corte os terminais excedentes dos componentes e fios, se ainda existirem verifique se não há restos de solda pelos componentes e entre terminais da ponte verifique a posição dos diodos e capacitor verifique os fios do potenciômetro ( terminais 9, 11 e 15) verifique os fios de interligação dos terminais da ponte (terminais 3, 7 e 13 e 12 e 16) Com o multímetro iremos verificar as tensões na saída do controlador (terminais 15 e 16). gire o potenciômetro todo para a esquerda selecione ou posicione o seletor na área de corrente contínua (DC) para medições acima de 20V prenda, ou segure, a ponta de prova positiva no terminal 16 e a ponta de prova negativa no terminal 15 ligue o controlador na rede elétrica gire o potenciômetro lentamente para direita e verifique os valores apresentados no multímetro

31 2-31 Os valores lidos deverão estar entre 1,25V e 12V aproximadamente. exemplo tensões mínima e máxima As diferenças ocorrem da precisão dos valores dos componentes utilizados e do instrumento de medição. Na folha de dados (datasheet) do fabricante encontramos duas informações pertinentes ao nosso projeto. 1) a tensão mínima é de 1,25V e a máxima é dada pela seguinte fórmula Tensão saída máxima = 1,25. ( 1 + R2 / R1 ) 2) a inclusão de um capacitor cerâmico de 0.1 microfarads, aqui indicado como C2, caso a distância do bloco de filtragem (bloco 3) for superior a 15 centímetros. Obs. O capacitor cerâmico não é polarizado, ou seja, não há um lado correto para ligálo.

32 Conclusão Este é um projeto simples mas funcional, com poucos componentes. O regulador utilizado possui proteções contra curto e aquecimento, o que torna seguro a operação da locomotiva. Lembrando que a proposta foi a de criar um controlador para pequenos layouts e que muitas melhorias podem ser agregadas. Nos módulos seguintes vamos ver como podemos acrescentar novos recursos. Por ora, a inclusão de uma chave para reverter a polaridade nos trilhos (sentido da locomotiva) é algo bem simples. Se quiser tornar o controlador bi-volt (110V/220V), a implementação também será simples. Porém, compre um transformador que suporte estas duas tensões de entrada e veja com o vendedor a forma de ligar os fios primários. O que é mostrado aqui serve para o tipo de transformador usado neste circuito. A figura abaixo mostra como ligar estas chaves. chaves H-H alavanca e deslizante

33 2-33 Para saber mais Folha de dados (especificações técnicas) de vários fabricantes de componentes eletrônicos: Informações gerais sobre chaves: