Regulador de tensão através de pulso PWM

Ola senhores,

Primeiramente gostaria de me apresentar, meu nome é Diogo, e há muito tempo venho acompanhando diversos tópicos aqui do forum, muitos deles já foram bastante esclarecedores para diversos problemas que já encontrei, porém, nunca me cadastrei nem nenhuma interação com o pessoal.

Agora me deparei com um problema que não encontrei nada similar por aqui, e achei que poderia criar uma conta para postar meu problema e contar com a ajuda do pessoal, que pelo que pude acompanhar é sempre muito prestativo.

Primeiro vou descrever minha necessidade e anexar o esquema do circuito que cheguei até o momento.

Minha necessidade é controlar a tensão fornecida por uma fonte para um Speed control de aeromodelo. Esse controle deve ser feito através de um pulso PWM gerado por um microcontrolador PIC12F629.

O pwm já está sendo gerado corretamente.

Minha ideia inicial partil do seguinte, amplificar a amplitude desse sinal PWM do microcontrolador (que é de 5v) para a amplitude máxima fornecida pela fonte, no caso 12v através de um pequeno transistor, no caso um BC548B NPN.

Depois de amplificar o sinal PWM passa-lo por um filtro low-pass para obter uma tensão analógica equivalente ao sinal, e, com essa tensão análogica acionar um transistor que entregue mais corrente em sua base, e utilizar esse transistor maior, que no caso é um TIP31C, como um seguidor de tensão, obtendo assim no emissor do mesmo a tensão equivalente ao sinal PWM informado.

Meus conhecimentos em eletrônica são bastante limitados, e, após muitas tentativas e erro acabei chegando nessa abordagem acima descrita e, por incrivel que pareca, tudo parece funcionar, ou seja, através da minha entrada com o PWM, estou conseguindo obter a tensão desejada na saida do transistor TIP31c.

O problema é que quando adiciona a carga entre o emissor do mesmo e o 0V, a tensão cai em torno de 70%, não sendo portanto suficiente para acionar o speed control de aeromodelo para o qual estou tentando ajustar a tensão de entrada.

Estou anexando o esquema, e junto ao esquema procurei descrever o máximo possivel o processo pelo qual o sinal é submetido.

Gostaria de poder contar com a ajuda dos experts de plantão para obter um norte de como corrigir esse probleminha e não ter mais essa queda de tensão no emissor do transistor maior.

O que os experts de plantão tem a me dizer?

Grato desde já...

Ola senhores,

Primeiramente gostaria de me apresentar, meu nome é Diogo, e há muito tempo venho acompanhando diversos tópicos aqui do forum, muitos deles já foram bastante esclarecedores para diversos problemas que já encontrei, porém, nunca me cadastrei nem nenhuma interação com o pessoal.

Agora me deparei com um problema que não encontrei nada similar por aqui, e achei que poderia criar uma conta para postar meu problema e contar com a ajuda do pessoal, que pelo que pude acompanhar é sempre muito prestativo.

Primeiro vou descrever minha necessidade e anexar o esquema do circuito que cheguei até o momento.

Minha necessidade é controlar a tensão fornecida por uma fonte para um Speed control de aeromodelo. Esse controle deve ser feito através de um pulso PWM gerado por um microcontrolador PIC12F629.

O pwm já está sendo gerado corretamente.

Minha ideia inicial partil do seguinte, amplificar a amplitude desse sinal PWM do microcontrolador (que é de 5v) para a amplitude máxima fornecida pela fonte, no caso 12v através de um pequeno transistor, no caso um BC548B NPN.

Depois de amplificar o sinal PWM passa-lo por um filtro low-pass para obter uma tensão analógica equivalente ao sinal, e, com essa tensão análogica acionar um transistor que entregue mais corrente em sua base, e utilizar esse transistor maior, que no caso é um TIP31C, como um seguidor de tensão, obtendo assim no emissor do mesmo a tensão equivalente ao sinal PWM informado.

Meus conhecimentos em eletrônica são bastante limitados, e, após muitas tentativas e erro acabei chegando nessa abordagem acima descrita e, por incrivel que pareca, tudo parece funcionar, ou seja, através da minha entrada com o PWM, estou conseguindo obter a tensão desejada na saida do transistor TIP31c.

O problema é que quando adiciona a carga entre o emissor do mesmo e o 0V, a tensão cai em torno de 70%, não sendo portanto suficiente para acionar o speed control de aeromodelo para o qual estou tentando ajustar a tensão de entrada.

Estou anexando o esquema, e junto ao esquema procurei descrever o máximo possivel o processo pelo qual o sinal é submetido.

Gostaria de poder contar com a ajuda dos experts de plantão para obter um norte de como corrigir esse probleminha e não ter mais essa queda de tensão no emissor do transistor maior.

O que os experts de plantão tem a me dizer?

Grato desde já...

Não complique... Você está fazendo dois trabalhos para realizar apenas um.

Você está com um controlador PWM para converter em regulador linear.

Por que não usa diretamente o Regulador PWM?

Os pulsos PWM também podem ser diretamente convertidos por um filtro low-pass para obter uma tensão analógica equivalente ao sinal.

Veja o exemplo dos amplificadores classe D de áudio, apesar dos mosfets de saída funcionarem apenas com pulsos PWM, a saída é sempre ondas sonoras senoidais. Os pulsos PWM foram convertidos em variações lineares de tensão.

Para você ter uma tensão precisa, a sua fonte precisa de realimentação, que o microcontrolador monitore a tensão de saída para fazer correções.

A polarização do transistor de potência pode estar ruim, mas não vale mais comentar já que não é o ideal reguladores lineares.

Olha o que você deve fazer:

http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps_e/abwandl_e.png

Observe o diodo, o indutor e o capacitor. Eles formam o filtro low-pass para obter uma tensão analógica equivalente ao sinal.

No seu projeto você pode usar somente o o microcontrolador gerando o PWM e mandando o sinal para a base do transistor por um resistor de 1K e o microcontrolador monitorado a saída depois do filtro para corrigir a tensão e mante-la sempre estabilizada. A configuração do transistor tem que ser emissor comum.

Aqui você pode simular os filtros:

http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps_e/abw_smps_e.html

Nesta simulação os componentes do filtro são considerados regulando o positivo. Vovê pode coloca-los regulando o negativo se for necessário. Só é inverter a polaridade. Veja qual a melhor configuração.

Eu calculei aqui usando freqüência de 1Khz e o indutor ideal deu L = 3.96mH.

Arredondando fica em 4 mH que é um indutor de lâmpada eletrônica econômica de 15 watts.

Lembrando que quanto maior for a freqüência do PWM, menor será o indutor necessário.

Com este tipo de fonte você ganha no dissipador, pois em muitos casos nem é necessário.

Sugiro usar mosfets. O aquecimento será bem menor. Poderá usar um daqueles de placa mãe de PC que são bem pequenos e nem vai precisar de dissipador para correntes de até uns 5A.

Ola, obrigado pela resposta...

Nao tenho necessidade de uma regulagem fina da tensão, so preciso de mais ou menos tensão, portanto a parte do monitoramento pelo microcontrolador creio que podemos pular...

O problema que vejo de mandar o pwm direto pro low pass e que o pwm gerado pelo controlador e de 5v e a saida final tem que ser de zero a 12v, por isto utilizei o primeiro transistor pra aumentar a amplitude do pwm.

O pwm que estou utilizando tem frequenciq de mais ou menos uns 7khz.

Sera que mandar o pwm depois de ter a amplitude aumentada direto pro low pass vai ser capaz de fornecer corrente de ate 3 amperes?

Vou dar uma olhada mais detalhada nas suas informações assim que der...

Ola, obrigado pela resposta...

Nao tenho necessidade de uma regulagem fina da tensão, so preciso de mais ou menos tensão, portanto a parte do monitoramento pelo microcontrolador creio que podemos pular...

O problema que vejo de mandar o pwm direto pro low pass e que o pwm gerado pelo controlador e de 5v e a saida final tem que ser de zero a 12v, por isto utilizei o primeiro transistor pra aumentar a amplitude do pwm.

O pwm que estou utilizando tem frequenciq de mais ou menos uns 7khz.

Sera que mandar o pwm depois de ter a amplitude aumentada direto pro low pass vai ser capaz de fornecer corrente de ate 3 amperes?

Vou dar uma olhada mais detalhada nas suas informações assim que der...

Veja se funciona desta maneira:

http://forum.clubedohardware.com.br/attachment.php?attachmentid=91252&d=1357134069

Só vai faltar adicionar o filtro low pass.

O transistor TIP30 C vai funcionar fora da zona linear, operando como chave liga e desliga.

Quando totalmente saturado, haverá uma queda de tensão de aproximadamente 0,7V do coletor para o emissor (O mosfet não tem isso), devido a isto o transistor dissipará no máximo 1,4 Watts pois 0,7V vezes 2A = 1,4 watts.

Essa montagem não vai precisar de dissipador e também será muito eficiente energeticamente, economizando bateria.

Já se fosse regulador linear, 2A vezes 6V = 12 watts, iria precisar de um grande dissipador além de puxar muito energia da bateria.

Eu simulei aqui conforme a freqüência que você informou e o indutor adequado calculado pelo software foi de 565.2uH.

Comercialmente vendido achei o Sontag de 560uH ou 680uH (Em diversas lojas da internet).

A pequena diferença no valor não influenciará negativamente. Basta ver a sua capacidade de corrente para ver se atende.

Também pode fazer em casa enrolando fio esmaltado em núcleo de ferrete destes pequenos de bobina de rádio, desde que tenha como medir o valor.

O diodo do filtro tem que ser Schottky por dois motivos:

Por sua tensão de junção ser menor, o que dá menos perdas em calor.

Devido ele responder em alta velocidade (diodo rápido).

quando ao capacitor de saída, quanto maior melhor. Mas neste caso que a freqüência de chaveamento do transistor de potência é alta (7Khz), acredito que 1000uF seja mais que o suficiente.

Segue novo esquema:

http://forum.clubedohardware.com.br/attachment.php?attachmentid=91254&stc=1&d=1357138430

Cara, estive Analizando o circuito e é bem provável que necessite sim do monitoramento do microcontrolador para que a tensão fique estável (Sem variar com as variações de consumo da carga).

Ocorre que a tensão de saída em cima do capacitor de saída só se mantem analógica e equivalente ao sinal PWM, devido ao indutor que durante o pulso do tip30 ele vai carregando, atrasando a corrente de carga do capacitor de saída. Então a tensão do capacitor de saída sobe em rampa sinuosa.

Quando o microcontrolador faz o tip30 conduzir, o tempo que o capacitor levou para carregar de 0V a 12V é o tempo que o indutor levou para carregar completamente.

Então quando esta rampa de carga atinge 6V em cima do capacitor de saída, o microcontrolador corta o pulso do Tip30, controlando a largura dos pulsos, fazendo o controle do PWM).

Durante o tempo que o pulso é zero, o indutor descarrega a energia que foi armazenada de forma magnética, convertendo-a em tensão e ajudando a manter a tensão do capacitor de saída.

Eu imagino que se não tiver o monitoramento a tensão não fique estável, mas faça os testes e nos informe sobre o resultado e se as variações são aceitáveis.

Ola Albert, gratissímo pelas informações...

Infelizmente ainda não tenho conhecimento para ENTENDER de fato boa parte do que você explicou, porém, vou seguir sua linha e procurar esses componentes que me faltam e tentar ver o que acontece....

So não entendi se você mencionou o transistor TIP30C por sugestão ou se entendeu errado no meu esquema, pois no meu esquema original é o TIP31C...

Mesmo tendo abordagens melhores para o meu problema, gostaria de poder entender o porque de haver a queda de tensão no ponto do emissor to transistor TIP31C, como esse é um dos primeiros circuitos que monto totalmente a partir dos meus conhecimentos, identificar o que causa essa queda creio que me agregará bastante. Acredito que aprendemos muito nos erros...

Lendo tudo novamente creio que entendi a maior parte do que foi dito...

Vendo seu esquema proposto, concluo que meu raciocinio para primeiramente aumentar a amplitude do pwm e depois obter a tensão/corrente através do emissor do transistor de potência estavam correto...

O que vejo que diferencia meu esquema do seu é que no meu o PWM amplificado estava sendo transformado em tensão analogica pelo filtro low pass antes de entrar na base do transistor de potencia.

Ja na sua proposta, voce esta pegando o pwm amplificado e mandando diretamente para a base do transistor de potencia e aplicando o low pass (so que numa versão mais bem elaborado, com diodo e indutor) na saida do emissor.

Procede?

Ola Albert, gratissímo pelas informações...

Infelizmente ainda não tenho conhecimento para ENTENDER de fato boa parte do que você explicou, porém, vou seguir sua linha e procurar esses componentes que me faltam e tentar ver o que acontece....

So não entendi se você mencionou o transistor TIP30C por sugestão ou se entendeu errado no meu esquema, pois no meu esquema original é o TIP31C...

Mesmo tendo abordagens melhores para o meu problema, gostaria de poder entender o porque de haver a queda de tensão no ponto do emissor to transistor TIP31C, como esse é um dos primeiros circuitos que monto totalmente a partir dos meus conhecimentos, identificar o que causa essa queda creio que me agregará bastante. Acredito que aprendemos muito nos erros...

Lendo tudo novamente creio que entendi a maior parte do que foi dito...

Vendo seu esquema proposto, concluo que meu raciocinio para primeiramente aumentar a amplitude do pwm e depois obter a tensão/corrente através do emissor do transistor de potência estavam correto...

O que vejo que diferencia meu esquema do seu é que no meu o PWM amplificado estava sendo transformado em tensão analogica pelo filtro low pass antes de entrar na base do transistor de potencia.

Ja na sua proposta, voce esta pegando o pwm amplificado e mandando diretamente para a base do transistor de potencia e aplicando o low pass (so que numa versão mais bem elaborado, com diodo e indutor) na saida do emissor.

Procede?

Procede sim!

O transistor sugerido é mesmo o tip30 C pois desta forma o BC548 B pode mandar pulsos de PWM aterrando a base do tip30 C, onde a corrente de base fica limitada apenas pelo resistor de 1K (Observe o sentido da corrente na base dele).

Isso melhorou a polarização do transistor de potência final já que ele vai ser acionado sempre com o máximo de corrente na base, limitada pelo resistor de 1K. Observe que a base deste transistor é positiva e que o transistor polariza quando põe sua base em 0V (com limitação de corrente por resistor é claro).

Quanto as quedas de tensão do transistor tip30 C (e muitos outros modelos bipolares), é referente as sua tensão de junção.

Um transistor é como dois diodos, um diodo da base para o coletor e um diodo da base para o emissor. Os diodos de silício só costumam conduzir polarizado diretamente só depois da tensão ter ultrapassado 0,7.

O transistor quando está saturado e conduzindo, internamente funciona como se ele estivesse conduzindo através de um diodo, e só vai conduzir quando a tensão ultrapassar 0,7V.

Os antigos diodos e transistores de germânio possuíam tensão de junção de apenas 0,2V mas eram muito sensíveis a temperatura e não suportavam potências muito altas.

Esta queda de 0,7V do transistor TIP30 C está descrita em seu datasheet, veja:

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/stmicroelectronics/6928.pdf

Vá na página 2/4 que vai está lá escrito:

Collector-Emitter

Saturation Voltage.........................0,7V

Portanto se você multiplicar 2A que é a corrente de saída máxima, pela tensão de queda durante a saturação, que é 0,7V, dará potência dissipada em calor de 1,4 watts. Acredito que esta potência dissipada não seja necessário dissipador de calor no transistor tip30 C

Qual a tensão da fonte, esc e motor?

Jpsek, o esc e motor trabalham com tensoes entre 6 e 16v.

Bom pessoal, no primeiro post eu descrevi a funcionalidade desejada do circuito mas nao descrevi o problema real.

O problema original e que os esc que eu estou trabalhando nao possuem uma resolucao muito boa no pwm que e enviado a eles para controle da velocidade do motor, e eu precisava de um ajuste mais fino da rotacao dos motores brushless que estou trabalhando.

Sendo asim, pensei que se eu utilizasse um controle duplo, atraves do pwm do proprio esc em conjunto com uma variacao de tensão da alimentacao do mesmo eu conseguiria tal aumento de resolucao, e pelo visto eu estava certo. Ao menos parcialmente certo.

Meu esquema inicial considerava a variacao de tensão atraves de um controle pwm gerado por um controlador, consegui de fato regular a tensão de saida, mas por algum motivo que eu ainda nao consegui entender, ao adicionar carga na saida a tensão despencava.

O amigo Albert ajudou bastante, mas como nao tenho nenhum indutor em maos, e como a compra ainda vai demorar alguns dias para chegar, resolvi tentar uma nova abordagem.

Em vez de variar a tensão para a carga(esc) passei a manter a tensão constante em 12v, que e a tensão da bateria e variar apenas a corente.

Do meu esquema original, mudei apenas o fato de que agora a carga vai entre o positivo da bateria e o coletor do tip31c, e aterrei o emissor do mesmo.

Resumindo, o controlador gera o pwm, passa pelo primeiro transistor bc548b para aumentar a corrente, depois passa por um passa baixa rc, com resistencia de 1k e capacitor de 500uF para gerar uma tensão analogica, e do filtro passa baixa RC vai para a base do transistor de potencia tip31c e bingo...

A parte do circuito original que aumenta a amplitude do pwm também foi removida visto que não mais é necessária....

Tudo funcionando....

Eu tenho o circuito que precisas, mas, se já resolveu, melhor.

Agricio

Poxa agricio, posta ai, se for melhor uso ele....

Eu tenho o circuito que precisas, mas, se já resolveu, melhor.

posta ai, que vai me ajudar muito

Esquecí de marcar nas figuras

PWM a 61 HZ

Tenho com várias outras frequências para o mesmo PIC. Pelo que entendí você já tem o software; CERTO?!

http://i157.photobucket.com/albums/t63/Agricio/VoltagemDigitalparaanagico1-1.jpg

http://i157.photobucket.com/albums/t63/Agricio/VoltagemDigitalparaanagico2.jpg

http://i157.photobucket.com/albums/t63/Agricio/VoltagemDigitalparaanagico3.jpg

http://i157.photobucket.com/albums/t63/Agricio/VoltagemDigitalparaanagico4.jpg

http://i157.photobucket.com/albums/t63/Agricio/VoltagemDigitalparaanagico5.jpg

http://i157.photobucket.com/albums/t63/Agricio/VoltagemDigitalparaanagico6.jpg

Quero deixar claro que é IMPOSSÍVEL filtrar 100% qualquer PWM cuja largura de pulso seja alterável. Será preciso fazer um filtro para cada largura que for solicitada. IMAGINA fazer um filtro para cada BIT de 1 BYTE (0 a 255) com todos os seus submultiplos.

É muito diferente de filtrar o PWM cuja largura seja fixa. Isso sim é possível de ser feito com precisão.

O filtro acima funciona muito bem com capacitores de boa qualidade.

Agricio

Esquecí de marcar nas figuras

PWM a 61 HZ

Tenho com várias outras frequências para o mesmo PIC. Pelo que entendí você já tem o software; CERTO?!

http://i157.photobucket.com/albums/t63/Agricio/VoltagemDigitalparaanagico1-1.jpg

http://i157.photobucket.com/albums/t63/Agricio/VoltagemDigitalparaanagico2.jpg

http://i157.photobucket.com/albums/t63/Agricio/VoltagemDigitalparaanagico3.jpg

http://i157.photobucket.com/albums/t63/Agricio/VoltagemDigitalparaanagico4.jpg

http://i157.photobucket.com/albums/t63/Agricio/VoltagemDigitalparaanagico5.jpg

http://i157.photobucket.com/albums/t63/Agricio/VoltagemDigitalparaanagico6.jpg

Quero deixar claro que é IMPOSSÍVEL filtrar 100% qualquer PWM cuja largura de pulso seja alterável. Será preciso fazer um filtro para cada largura que for solicitada. IMAGINA fazer um filtro para cada BIT de 1 BYTE (0 a 255) com todos os seus submultiplos.

É muito diferente de filtrar o PWM cuja largura seja fixa. Isso sim é possível de ser feito com precisão.

O filtro acima funciona muito bem com capacitores de boa qualidade.

Agricio

A corrente de consumo da carga é realmente 2A?

2A vezes 12V = 24 watts Isso da um dissipador de calor bem grandinho.

Outro detalhe:

6 V da carga vezes 2A = 12 Waats.

Isso significa que quando a carga estiver sendo alimentada com esta tensão, 12 watts se perderão em puro calor, pois serão 2A em 12V gerando 24 watts, e 2A em 6V aproveitando apenas 12 watts dos 24 watts totais. O restante é calor (Regulador linear).

Ainda sou a favor do filtro na saída do transistor, onde ele dará perdas de apenas 1,4 watts para 2A. Nem precisaria de dissipador (Pois o transistor trabalhará chaveando como uma chave ON-FF).

O transistor quando totalmente saturando apresentará queda de 0,7V que vezes 2A = 1,4 watts.

Veja que a eficiência energética é um fator muito importante quando se trata de cargas alimentadas por baterias.

Mas aí você vai dizer: Ha, mas com o filtro na saída vai da no mesmo pois a carga continuará com 2A a 6V = 12 watts sendo que a entrada estará consumindo 2A 12V = 24 wats.

É diferente pois o consumo na entrada do transistor são pulsos de 2A ou até mais, onde a largura varia de acordo com a potência de saída. A potência média do consumo de entrada vai ser igual ou próximo da potência de saída ou seja 12 watts (Neste caso mais 1.4watts que serão perdidos no transistor de potência).

Esta é a técnica utilizada na eletrônica de potência moderna, que fez com que as fontes ficassem minúscula. Veja o exemplo das fontes de notebook. Um fonte bivole automática de entrada, com de 60 a 80 watts, saída de 20V. Se fosse linear teria dentro um transformador de 4 quilos mais uns grandes capacitores de 4700uF mais um grande dissipador, talvez usando um regulador LM338 e serviria de aquecedor pois uma fonte destas com saída de 60W, iria ter de perdas 40%, isso significa que ela teria um consumo de entrada de uns 90 watts.

Ops!!!!

Aquele TIP31 que eu coloquei lá está errado. Cliquei no transistor TIP e não percebí. Vou corrigir. Isso aí não vira motor nenhum não. O correto ali seria o BC547 ou mesmo BC337. É preciso fazer um estágio adicional p/ que o TIP31 seja adicionado na etapa final.

A ideia era apenas fornecer a tensão de 0 a 12V o mais continua possível usando o PWM do PIC12F que o colega está usando nessa frequência muito baixa de 60HZ.

Eu uso esse filtro p/ fazer potenciômetros digitais e outros..

Agricio

Agricio teria como voce colocar os valores dos componentes ai, baixei aqui o arquivo mas mesmo dando zoom nao ta dando pra ver. se quiser postar logo o arquivo do proteus, quebraria uma arvore. rs

abraço

A semana aqui está pesada, serviço que não acaba mais.

Veja se com esse link dá p/ ver melhor.

Caso a imagem não abra, clique com o botão direito do mouse sobre a figura e depois em Exibir imagem

Agricio

Sr. Agrício

Verifiquei e baixei dois arquivos referentes as placas de controle de velocidade motor CC NEOTEC NT80DM5 e NT80DM8, o que nos deu uma ideia geral do controle. Se for possível agora, preciso do esquema da NEOTEC NT80DM1(220VCA) com a PIC16F818 e sua programação da PIC. Tenho vários esquemas também (nobreak's, rádio amadores, TV's, transmissores de FM e outros. Se precisar de algum esquema é só pedir no email: [email protected]

Sr. Agrício

Verifiquei e baixei dois arquivos referentes as placas de controle de velocidade motor CC NEOTEC NT80DM5 e NT80DM8, o que nos deu uma ideia geral do controle. Se for possível agora, preciso do esquema da NEOTEC NT80DM1(220VCA) com a PIC16F818 e sua programação da PIC.

Por que você quer tudo isso? Queimou tudo aí?? Ou você quer montar uma fábrica de esteiras??

Posso te ajudar a realizar o conserto.

Detalhe: Os arquivos que baixastes eu mesmo desenhei e te garanto que as diferenças entre eles e o que você quer são abaixo de mínimas. Basta ter um pouco de conhecimento de eletrônica básica.

Agricio