Luiza Milezzi Artigo Cientifico Luiza-Fonte Controladora De Tenção

8/17/2019 Luiza Milezzi Artigo Cientifico Luiza-Fonte Controladora De Tenção

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FONTE CONTROLADA DE TENSÃO E CORRENTE USB

Luiza Milezzi Garcia1

RESUMO

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um protótipo de uma fonte controlada de

tensão e de corrente a qual é inteiramente alimentada através de uma entrada USB. Este

projeto tem como objetivo minimizar limitações de mobilidade e praticidade apresentadas

pela maioria das fontes convencionais.

Palavras-chave: Fonte de tensão e corrente; Fonte DC; Fonte Controlada; USB;

ABSTRACT

This study shows the development of a controlled power source prototype which is entirely

fed by an USB port. This project’s main goal is to minimise the mobility and practicality

limitations found on the majority of conventional power sources.

Keywords: Power source; DC source; Controlled source; USB;

1 INTRODUÇÃO

Muitos estudantes de engenharia elétrica ou eletrônica quando necessitam executar a

parte prática de um projeto, muitas vezes se veem limitados à estrutura da universidade onde

estudam por não ser prático e extremamente custoso possuir os equipamentos.Visando

reduzir essa limitação, este estudo aborda o planejamento e execução de um protótipo de uma

fonte controlada de tensão e corrente USB.

Pelo fato do objeto de estudo ser bastante presente na elaboração de projetos na

maioria das áreas de especialização dentro desses cursos, a obtenção de uma fonte controlada

pessoal seria um fator significativo na redução dessa limitação.

Além disso, apesar da restrição imposta pela potência máxima provida pela entradaUSB, o que também limita os possíveis valores de tensão e corrente fornecidos pela fonte, o

produto apresenta grande potencial comercial por ser de baixo custo.

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

A ideia geral de construção da fonte está de acordo com o diagrama de blocos a

seguir, o qual é composto por 4 blocos principais. São eles: o controlador de tensão, o

controlador de corrente, o LDO e o microcontrolador.

! Graduanda do curso de Engenharia Eletrônica na Universidade Federal de Santa Catarina


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A interface do sistema de controle é constituida por um teclado 4x4, na qual o usuário

insere os valores de tensão e corrente desejados, e um display LCD, que apresenta esses

mesmos valores que foram inseridos pelo usuário. Essa informação será transferida aos

demais blocos através do microcontrolador.

Fonte: Autoria própria.

Figura 1 – Diagrama de blocos.

2.1 CONTROLADOR DE TENSÃO

O controlador de tensão é composto por um regulador chaveado ( switch regulator ) e

um potenciômetro digital. O regulador chaveado receberá um valor de tensão costante da

entrada USB e o potenciômetro digital receberá o sinal que define o valor da resistência

correspondente ao valor de tensão desejado atráves de um protocolo de comunicação

estabelecido com o microcontrolador. O potenciômetro digital interpreta essa informação e

emite um sinal que passa a ser então o sinal de controle do regulador chaveado que, ao

recebê-lo, fornece a tensão desejada ao bloco controlador de corrente.

2.2 CONTROLADOR DE CORRENTE

O bloco controlador de corrente é composto por um amplificador diferencial e um

comparador como mostra a figura a seguir.

LCD


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Figura 2 – Controlador de Corrente

A ideia do controlador de corrente parte do pressuposto que o valor da queda de

tensão no resistor R1 será transferido à saída do amplificador operacional U2 e que, em

seguida, será comparado à V3, que é a tensão correspondente ao valor de corrente desejado.

Se o valor conferir, o amplificador operacional U3 tem saída nula e como o valor R1 é de 1",

o valor numérico de tensão em V3 vai corresponder exatamente ao valor de numérico decorrente através desse resistor. Se o valor definido em V3 for menor que o valor na queda de

tensão de R1, o amplificador operacional U3 tem um valor positivo na saída, fazendo com

que o transistor Q1 passe a conduzir, o que implica que a corrente através de R1 reduza até o

valor desejado e, assim, a saída do amplificador operacional U3 volta a ser nula e o transistor

Q1 se comporta como uma chave aberta novamente.

2.3 LDO

O bloco LDO ( Low Drop-out ) (Fig. 3) consiste do circuito integrado LT3080 que tem

o intuito de reduzir o ripple produzido pelo regulador chaveado ao definir a tensão desejada.

Contudo, como há sempre uma pequena queda de tensão associada, a inserção desse bloco

faz com que a tensão definida posteriormente no regulador chaveado seja sempre

ligeiramente maior do que o valor requisitado.

Apesar da baixa eficiência do regulador linear, esse bloco ainda é adotado com

configuração de LDO por obter uma saída bastante estável e pelo fato de apresentar uma

queda de tensão muito baixa na atual aplicação, o que minimiza os efeitos da ineficiência do

dispositivo.


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Figura 3 – LDO

De acordo com a figura 3, a tensão no terminal OUT de saída do LT3080 é regulada

pela tensão definida na porta SET. Os resistores de 1k " são utilizados com o objetivo de

diminuir a corrente de saída do buffer (seguidor de tensão).

A tensão da porta inversora (V-) do buffer está conectada diretamente à porta SET

com o objetivo de evitar a queda de tensão que ocorre nos resistores R6 e R7, que, devido a

corrente de fuga de SET (10mA), é de aproximadamente 20mV na tensão de saída do

operacional.

O LDO LT3080 necessita de uma corrente mínima de saída de 0,5mA para garantir

seu funcionamento. Para garantir o cumprimento dessa condição, será utilizado um LM334

como fonte de corrente na saída do LT3080.

2.4 MICROCONTROLADOR

Como microcontrolador foi utilizado o Arduino UNO o qual gera duas ondas PWM

( Pulse Width Modulation), uma com o intuito de controlar a corrente máxima do power

supply e a outra para controlar a tensão de saída do LDO. O sinal PWM passará por um filtro passa-baixa (Fig. 6) com o objetivo de fornecer a média do sinal, fazendo com que a tensão


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seja controlada pelo duty cicle. Para isso, um sinal PWM de 10kHz e um filtro de segunda

ordem com frequência de corte de 80Hz serão utilizados.

Como a tensão máxima do nível lógico alto do microcontrolador é de 3,3V, o ganho

do filtro foi ajustado para uma tensão máxima de 20V na saída.


Figura 6 – Filtro passa baixa de segunda ordem

Um conversor Analógico Digital do microcontrolador também será utilizado para

analisar a saída do LDO e ajustar o valor do potenciômetro digital (protocolo I2C) e do sinal

PWM que controla o LDO, até a saída conferir com os valores escolhidos pelo usuário.

3 EXECUÇÃO DO PROTÓTIPO

Esta etapa do projeto foca em construir e testar o circuito de controle de tensão e

corrente e acoplá-los à interface com o usuário. Para isso, foi realizada a execução dos blocos

constituintes e seus respectivos testes. Em seguida, os resultados dos testes foram

comparados com as simulações realizadas anteriormente com o intuito de garantir o seu

funcionamento correto.

3.1 FILTRO

O circuito utilizado para filtrar a componente DC da PWM ( Pulse Width Modulation)

foi montado, de acordo com a Figura 7, e testado. Para isso, foi utilizado o LM358, o qual

possui dois amplificadores operacionais e a frequência de corte foi definida como 15Hz. Foi

selecionado um filtro passa-baixa cascata de segunda ordem onde os operacionais funcionam

como buffers, obtendo uma queda de -40dB por década após a frequência de corte.


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Figura 7: Filtro Passa-baixa segunda ordem.

3.2 REGULADOR DE TENSÃO LINEAR

O regulador linear de tensão (LDO) apresanta a configuração interna como mostra a

Figura 8.

Fonte: http://www.linear.com/

Figura 8: Regulador Linear Básico.

O LDO é constituido de um amplificador operacional onde o terminal positivo é

conectado a uma tensão de referência. No caso dos reguláveis, normalmente é utilizada uma

tensão de bandgap por possuir uma tensão de referência relativamente baixa

(aproximadamente 1,25V) e ser muito estável com a temperatura. Além disso, ele também

possui um elemento de passagem para não forçar a corrente de saída do operacional. A sua

tensão de saída é ajustada de acordo com os divisores resistivos R1 e R2 que estão em

função da tensão de referência que é compartilhada nos terminais do amplificador

operacional.

A equação da tensão de saída é dada por:


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Sendo assim, a tensão mínima obtida na saída é a tensão de referência. Contudo,

inicialmente o requisito do projeto seria de uma fonte regulável a partir de 0V e um regulador

de tensão usual não satisfaz essa condição. Por esse motivo, um LT3080 (Figura 9) foi

escolhido como modelo.

Fonte: http://www.linear.com/

Figura 9: Circuito LT3080.

Ele possui a vantagem de ser um circuito realimentado muito estável e a tensão de

referência poder ser projetada pelo usuário. Assim, seria possível regular a saída aplicando

uma PWM com um microcontrolador.

Logo, foi projetado e construido um regulador de tensão com a mesma configuração

do LT3080 (Figura 10). Para isso, foram utilizados o amplificador operacional LM358 e doistransistores NPN BC457 como elemento de passagem na configuração de Darlington a qual

faz com que o do elemento de passagem seja aproximadamente , assim o circuito exige

menos da corrente de saída do amplificador operacional.


Figura 10: Regulador Linear Projetado.


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3.3 TECLADO

O Arduino UNO possui 13 portas digitais e o projeto necessita de 8 pinos digitais para

o controle do teclado 4x4, 5 pinos digitais para o display LCD Nokia 5110, 2 pinos digitais

para o controle do PWM e 3 pinos digitais para o controle do potenciômetro digital.

Esse problema foi solucionado com o uso de um pino analógico para o teclado 4x4

em vez dos 8 pinos digitais. A biblioteca chamada OneWireKeyPad foi adicionada ao

software e o circuito necessário para essa função é o seguinte:

Fonte: http://playground.arduino.cc/

Figura 11: Circuito do teclado 4x4.

A biblioteca inclui funções que calculam o valor de tensão relacionado à cada tecla

pressionada pelo usuário, levando em conta os divisores resistivos conectados

horizontalmente e verticalmente. Os valores são lidos pelo pino analógico e transformados

em carácteres.

3.4 SOFTWARE DE CONTROLE DA PWN

Para o ajuste do PWM é importante ressaltar que a amplitude de saída após o filtro passa-

baixa é proporcional ao duty cycle da PWM gerada, uma vez que a saída DC do filtro é uma

média da tensão, logo:


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Onde a tensão é a tensão máxima de saída da porta digital e é a tensão de saída DC do filtro.

O arduino possui uma função chamada analogWrite(), onde seu argumento informa o

valor do duty cycle gerado, sendo o valor máximo 255. Na imagem a seguir (Fig.12)

apresenta-se a onda gerada de acordo com o valor de analogWrite():

Fonte: http://playground.arduino.cc/

Figura 12: Duty Cycle – analogWrite().

Portanto, a equação pode ser reescrita em função de analogWrite() como:

Consequentemente:

Logo, a última equação é utilizada para ajustar tanto (controle de tensão) quanto (controle

de corrente).

3.5 AMPLIFICADOR DIFERENCIAL


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O amplificador diferencial, responsável pelo controle da corrente, é constituído por

U2 de acordo com a Figura 13.


Figura 13: Amplificador diferencial.

Esse circuito é utilizado com o objetivo de dispor a diferença de potencial dos

terminais do resistor R1 na saída de U2 (como o resistor de é utilizado, essa diferença de


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potencial é igual ao valor numérico da corrente que passa por R1) para posteriormente ser

comparada com a tensão relativa ao controle da corrente.

Entretanto, anteriormente foi levado em consideração a divisão por 10 do PWM, para

assim ter um alcance de 0 – 0,5V de controle de corrente. Isso se mostrou desnecessário se

mudar a resistência de para . Essa mudança faz com que a tensão no terminal de saída de U1

seja equivalente a corrente que passa por R1 multiplicada por 10. Sendo assim, para uma

corrente de 500mA, tem-se uma tensão de 5V na saída do amplificador operacional, essa

tensão será comparada à tensão da PWM do arduino que também possui um valor máximo de

5V, logo, o ajuste para corrente máxima de 500mA é feito corretamente.

3.6 CIRCUITO FINAL

A versão final do circuito completo após as todas as etapas de projeto concluídas estáde acordo com a Figura 14 a seguir.


Figura 14: Circuito atual.

4 RESULTADOS

Todo o circuito foi montado em uma protoboard e uma fonte de tensão de 5V com

limite de 1A foi utilizada para simular a entrada USB do computador.


Figura 15: Circuito montado.


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Figura 16: Circuito montado com periféricos.

Para testar e demonstrar o funcionamento, uma tensão de saída de 2V e corrente

máxima de foi escolhida no software e consequentemente as respectivas ondas PWM foram

geradas no Arduino. Na imagem a seguir é possível observar a PWM gerada pelo Arduino e a

tensão de saída após a filtragem.


Figura 17: PWM e Vset.


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A tabela a seguir mostra os valores obtidos para a PWM e da tensão após a filtragem:

Tabela 1 - PWM (2V) Tabela 2 - Valor DC após filtro

Portanto, observando a média na saída (2,03V) conferimos que o valor filtrado é

coerente com escolhido. Em seguida, analisa-se a saída do regulador de tensão em relação a

entrada (fonte DC):


Figura 18: Saída do regulador de tensão e da fonte DC.

As tabelas 3 e 4 a seguir mostram os valores respectivos de entrada e saída no circuito:

Tabela 3 - Vin Tabela 4 - Vout


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Logo, a tensão de saída se mostra coerente com a tensão de saída escolhida por software.

5 CONCLUSÃO

Analisando os resultados obtidos é possível notar que a maior limitação do protótipo

se deve pelo valor máximo de potência fornecido pela entrada USB ser de 2,5W, portanto,

não sendo possível fornecer os valores máximos de tensão e corrente simultaneamente, para

isso, seriam necessários 12W de potência. Contudo, essa restrição poderia também ser

minimizada contando com o uso de uma entrada USB extra no protótipo, o que dobraria seu

potencial.

Além disso, dentre a faixa de valores possíveis, o erro obtido foi de aproximadamente

1% no valor de ambas tensão e da corrente, o que possibilita o uso da fonte pra qualquer

projeto que não exija alta precisão.

Por fim, o resultado geral da análise apresenta uma resposta satisfatória pois, mesmo

contando com as limitações da entrada USB, ainda é possível suprir a necessidade de umestudante ou entusiasta da área de engenharia elétrica e eletrônica por ser de baixo custo,

móvel e de significativa precisão.

6 REFERÊNCIAS

JONES, David. The µSupply is a compact Arduino compatible battery poweredlaboratory power supply, 2012. Disponível em: Acesso: 29/10/2015.

KEEPING, Steven. Voltage and Current Mode Control for PWM SignalGeneration in DC to DC Switching Regulators, 2014. Disponível em: Acesso: 28/10/2015.

SMITH, Fraser. LT3080 - Adjustable 1.1A Single Resistor Low DropoutRegulator. Disponível em: Acesso: 20/09/2015.

AKRON, Moe. A beginner’s guide to switching regulators. Disponível em:

Acesso: 29/09/2015.

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