Circuito com ATMEGA328p standalone - Economia de Energia e Regulador de Tensão

joseasj · 25 de janeiro de 2017

Olá pessoal,

Sou leigo no assunto e tenho muito o que aprender, gostaria muito da ajuda de vocês.

Fiz um pequeno circuito utilizando um arduino pro mini de 5v, um leitor rfid-RC522 de 3.3v e um micro servo de 5v, tudo alimentado por uma bateria de 9v.
Liguei a bateria direto no arduino, o servo na saída 5v do arduino e para alimentar o leitor, utilizei uma placa DC-DC step-down ajustável que comprei no ML.

O circuito funciona ok, agora eu gostaria de otimizá-lo com o objetivo de economizar mais energia, no caso, utilizaria o ATMEGA328p rodando no clock interno a 8MHz no lugar do arduino mini e dois reguladores de tensão, um para 5v e outro para 3.3v (mais os componentes necessários, resistores e capacitores).

- Este circuito que estou idealizando seria mais econômico mesmo? Existe mais algum recurso que possa utilizar para economizar mais energia?

- Qual regulador de tensão utilizaria? Nas minhas pesquisas, achei referencia ao LM78XX, LM1117 e LM317, qual dos 3 é melhor para o meu caso, ou existe alguma outra alternativa?

Agradeço muito a ajuda dos senhores.

lithium_ion · 25 de janeiro de 2017

Os reguladores lineares como esses que você citou tem sua eficiência de acordo com a queda de tensão nele, já que a corrente é a mesma (na entrada e saída). A única maneira de aumentar mesmo a eficiência, e por sua vez diminuir o consumo de energia seria com os reguladores chaveados, já que tem a eficiência na ordem de 80-90% (LM2596 por exemplo, acredito que o módulo buck que você comprou já venha com ele).

40 minutos atrás, joseasj disse:

LM78XX, LM1117 e LM317

alexandre.mbm · 25 de janeiro de 2017

@lithium_ion , nenhum dos três inicialmente citados é opção, então?

@joseasj , talvez você queira participar aqui:

joseasj · 25 de janeiro de 2017

4 horas atrás, lithium_ion disse:

Os reguladores lineares como esses que você citou tem sua eficiência de acordo com a queda de tensão nele, já que a corrente é a mesma (na entrada e saída). A única maneira de aumentar mesmo a eficiência, e por sua vez diminuir o consumo de energia seria com os reguladores chaveados, já que tem a eficiência na ordem de 80-90% (LM2596 por exemplo, acredito que o módulo buck que você comprou já venha com ele).

Isso, o módulo que utilizei, usa o LM2596.

Eu gostaria de fazer meu próprio "módulo buck" para estudo, pesquisando o LM2596, vi q ele tem versões com saída fixas em 3.3, 5 e 12v. Li o datasheet dele e parece bem simples de montar (só parece simples :/ ).

Então, só p/ confirmar, no meu caso montando o circuito para saída de 3.3v quanto para saía de 5v, eu utilizaria os seguintes componentes:

Cin 680/35
Cout 330/35
D1 1N5820

L1 33uH

Estes componentes incluindo o LM2596 são fáceis de achar em qualquer loja de eletrônica?

Mais uma vez agradeço a ajuda.

lithium_ion · 25 de janeiro de 2017

Impossível, fiquei 3 meses rodando todas as lojas de vários bairro aqui do Rio de Janeiro atras do LM2596, só consegui na internet. O indutor você terá que fazer, também não é nem um pouco fácil de encontrar. Sinceramente acharia melhor, mais seguro e prático comprar um já pronto, mesmo que perca um pouco da emoção. O preço do frete do CI já paga o módulo pronto, mais o fio e o núcleo para o indutor.....

alexandre.mbm · 25 de janeiro de 2017

Encontrei um diagrama para 3.3 V:

Ref.: TI E2E Community > SIMPLE SWITCHER® - Forum

lithium_ion · 25 de janeiro de 2017

Outro problema desses reguladores chaveados (ou buck) é o ruído eletromagnético que geram, as vezes compensa mais usar o LM7805 mesmo, mas, dependendo da corrente, fonte de energia (no caso de baterias precisa de mais eficiência), e disponibilidade de $$$ (um LM7805 custa 1,50 por aqui), e possibilidade de dissipação (se for um local fechado como caixas mesmo colocando dissipadores eles irão esquentar até entrar em proteção térmica (dependendo da corrente e tensão sobre eles)). No caso de transmissores e receptores de áudio por exemplo recomenda-se o uso de reguladores lineares.

adicionado 1 minuto depois

2 minutos atrás, alexandre.mbm disse:

Encontrei um diagrama para 3.3 V:

Ref.: TI E2E Community > SIMPLE SWITCHER® - Forum

L2 e C2 são para filtragem dos ruídos gerados, nem sempre são necessários, como já disse, depende de quão crítico é a carga.

alexandre.mbm · 25 de janeiro de 2017

6 minutos atrás, lithium_ion disse:

[...] as vezes compensa mais usar o LM7805 mesmo, mas, dependendo [da] possibilidade de dissipação (se for um local fechado como caixas mesmo colocando dissipadores eles irão esquentar até entrar em proteção térmica [...]

Então os reguladores integrados devem operar com ventilação?

joseasj · 25 de janeiro de 2017

11 minutos atrás, lithium_ion disse:

Impossível, fiquei 3 meses rodando todas as lojas de vários bairro aqui do Rio de Janeiro atras do LM2596, só consegui na internet. O indutor você terá que fazer, também não é nem um pouco fácil de encontrar. Sinceramente acharia melhor, mais seguro e prático comprar um já pronto, mesmo que perca um pouco da emoção. O preço do frete do CI já paga o módulo pronto, mais o fio e o núcleo para o indutor.....

Poxa, perde um pouco da graça mesmo, mas obrigado pelas dicas, até pouco tempo atras nem sabia da existência de reguladores chaveados, sua resposta me ajudou a conhecer um pouco mais desse mundo.

12 minutos atrás, alexandre.mbm disse:

Encontrei um diagrama para 3.3 V:

Ref.: TI E2E Community > SIMPLE SWITCHER® - Forum

alexandre.mbm, tinha visto esse esquema na net mas fiquei confuso por que no datasheet do LM2596 nao tem o C2 e o L2

lithium_ion · 25 de janeiro de 2017

1 minuto atrás, alexandre.mbm disse:

Então os reguladores integrados devem operar com ventilação?

Foi o que eu quis dizer com "dependendo da corrente e da tensão sobre eles" em outras palavras, potência dissipada por eles. Dizem que esses reguladores com o encapsulamento TO220 suportam dissipar até 1W sem dissipador, e esses já soldados nas placas na versão SMD usam a própria placa como dissipador.

adicionado 0 minutos depois

2 minutos atrás, joseasj disse:

Poxa, perde um pouco da graça mesmo, mas obrigado pelas dicas, até pouco tempo atras nem sabia da existência de reguladores chaveados, sua resposta me ajudou a conhecer um pouco mais desse mundo.

Fico feliz em poder ajudar!

adicionado 3 minutos depois

20 minutos atrás, lithium_ion disse:

Impossível, fiquei 3 meses rodando todas as lojas de vários bairro aqui do Rio de Janeiro atras do LM2596, só consegui na internet. O indutor você terá que fazer, também não é nem um pouco fácil de encontrar. Sinceramente acharia melhor, mais seguro e prático comprar um já pronto, mesmo que perca um pouco da emoção. O preço do frete do CI já paga o módulo pronto, mais o fio e o núcleo para o indutor.....

Só corrigindo uma informação errada:

Impossível, fiquei 3 meses rodando todas as lojas de vários bairro aqui do Rio de Janeiro atras do LM2596, só consegui na internet. O indutor você terá que fazer, também não é nem um pouco fácil de encontrar. Sinceramente acharia melhor, mais seguro e prático comprar um já pronto, mesmo que perca um pouco da emoção. O preço do frete do CI mais o fio e o núcleo para o indutor já paga o módulo pronto, .....

alexandre.mbm · 25 de janeiro de 2017

3 horas atrás, lithium_ion disse:

Outro problema desses reguladores chaveados (ou buck) é o ruído eletromagnético que geram

@lithium_ion , sei que as proteções estão ausentes, mas para além disso, o que você me diz daquele regulador com zener e transistor?

Eis um diagrama para refrescar a memória:

Tenho feito simulação com diversos valores de carga e está me parecendo ÓTIMO!

lithium_ion · 25 de janeiro de 2017

O problema são os campos elétricos que os reguladores chaveadores criam por causa da variação da corrente nos indutores. Esses campos podem (e quase sempre irão) induzir ruídos nos fios pelo circuito, o que por sua vez pode alterar as medições por sensores e coisas assim. Claro que se você for colocando capacitores de baixa capacitância (100n, 300nF) você consegue que esse efeito não seja tão perceptível. Mas claro, isso depende da corrente que você está usando, se for alta, a variação pelo chaveamento no indutor vai gerar muito mais ruído do que alguns miliamperes. Muitas vezes se você aproximar um ímã perto de algum indutor de fontes (cftv, fonte do notebook, do pc) em funcionamento perceberá que o ímã da uma tremidinha, o que pode te mostrar esse campo.

Outra coisa, alguns indutores são mais "isoladores de campo" que outros, veja no site do instituto Newton C Braga, não achei o link para postar aqui, tinha uma tabela sobre os prós e contras de cada tipo de indutor.

alexandre.mbm · 25 de janeiro de 2017

@lithium_ion , você está me respondendo, ou é ao @joseasj? Isso que mostrei, com um transistor DB 135-16, seria uma regulador chaveador?

adicionado 13 minutos depois

3 horas atrás, joseasj disse:

alexandre.mbm, tinha visto esse esquema na net mas fiquei confuso por que no datasheet do LM2596 nao tem o C2 e o L2

LM2596 SIMPLE SWITCHER® Power Converter 150-kHz 3-A Step-Down Voltage Regulator

Logo na primeira página tem o diagrama para o chip de saída fixa em 5 V:

lithium_ion · 25 de janeiro de 2017

Aos dois, dei mais informações sobre o lado ruim de circuitos chaveadores. PS: Esse que você postou acredito ser linear.

aphawk · 25 de janeiro de 2017

12 horas atrás, joseasj disse:

O circuito funciona ok, agora eu gostaria de otimizá-lo com o objetivo de economizar mais energia, no caso, utilizaria o ATMEGA328p rodando no clock interno a 8MHz no lugar do arduino mini e dois reguladores de tensão, um para 5v e outro para 3.3v (mais os componentes necessários, resistores e capacitores).

Bom ... temos alguns problemas para serem resolvidos ....

Um Arduíno por definição roda a 16 Mhz, por um cristal externo.

Para ele poder rodar de maneira mais econômica, tipo 8 Mhz, precisaria ser usando o famoso clock interno baseado em RC, que não tem a mesma precisão.

E teria vários problemas se uar a linguagem do Arduíno, por exemplo a temporização toda iria funcionar com tempos dobrados, pois todos os comandos esperam funcionar a 16 Mhz.

As interfaçes seriais e I2C também seriam afetadas, pois o Baud Rate é determinado pelo clock de 16 Mhz , embora exista maneiras de voc&e programar diretamente o Atmega328 para ele trabalhar nessa parte de serial e I2C com o clock de 8 Mhz e usar os mesmos comandos da linguagem do Arduíno.

Para economizar energia, existem um monte de coisas a observar.

Por exemplo, precisa mesmo rodar a 8 Mhz ?

Existem muitos casos onde poderia rodar a 1 Mhz ou até menos, e ainda assim ser funcional.

Precisa rodar o programa todo o tempo ? Ou poderia apenas rodar o programa a cada 2 segundos, e ver se precisa fazer alguma coisa ?

Isso tudo permite economizar muita bateria, mas sempre precisará um conhecimento bem mais abrangente do microcontrolador, no caso o Atmega328.

@lithium_ion ,

Hoje em dia qualquer produto que você compre possui uma fonte que funciona por chaveamento.

Não é complicado filtrar o ruído, basta seguir os procedimentos recomendados.

Capacitores eletrolíticos sempre tem de ser de excelente qualidade.

Indutores tem de obedecer o núcleo especificado no cálculo.

A placa PCB tem de ser projetada ajudando a blindar a fonte, com malhas de GND envolvendo a parte chaveada.

No caso do @alexandre.mbm , ele tem dificuldade em achar qualquer tipo de regulador, então vai usar uma fonte analógica mesmo.

Mas temos de admitir : fontes chaveadas são a norma atual, e serão também a norma do futuro. Temos de nos acostumar com elas !

@joseasj ,

C2 e L2 melhoram bastante a filtragem dessa fonte chaveada, diminuindo ainda mais o Ripple.

Dependendo do circuito, pode ser necessário o seu uso. Ou não .....

Paulo

lithium_ion · 30 de janeiro de 2017

@aphawk

De vem em quando eu abro, mais por curiosidade mesmo, alguns receivers, conversores digitais, e até mesmo alguns amplificadores de sinal de antena, e todos com fontes lineares, com os famosos LM78xx. Acreditava ser por causa do ruído, mas refletindo sobre o que você falou, pode ser para facilitar o circuito, diminuir custos. E também pode ser que levaram em conta o ruído, mas acho mais provável e prioritário os problemas de construção.

aphawk · 30 de janeiro de 2017

@lithium_ion ,

Na parte de equipamentos que precisem receber sinais muito fracos, e que custam caro, sempre se usa fontes lineares. Claro que não é o caso desses aparelhos comuns de Wi-Fi, que são baratinhos.

Blindar uma fonte chaveada pode custar bem caro, e são poucos os casos em que a eficiência bem maior de uma fonte chaveada é fator preponderante.

Você está certo, o ruído em uma fonte chaveada é muito maior do que o de uma fonte analógica, e esse é o principal motivo de se achar muitas fontes analógicas em equipamentos com boa sensibilidade a sinais de RF.

Em meu rádio-amador, uso uma fonte chaveada de 12 volts por 25A que pesa uma barbaridade.... um dia abrí ela só por curiosidade, e ví tanta blindagem de bobinas e transformadores ( núcleos toroidais ) que entendí o porque custava tāo mais caro do que uma fonte analógica de igual capacidade.

Paulo

albert_emule · 31 de janeiro de 2017

Uma curiosidade:

https://hackaday.io/project/2145-smps-replacement-for-7805/log/36375-discrete-33v-buck-converter

joseasj · 31 de janeiro de 2017

Pessoal,

lendo este artigo http://www.gammon.com.au/power,

umas das dicas é utilizar MOSFET para "ligar/desligar" periféricos como forma de economia de energia, então surgiu a dúvida. No meu caso, é possível utilizar um MOSFET antes do regulador de tensão que alimenta o módulo RC522?