Desenvolvimento de uma carga eletrônica com Arduino nano compatível LGT8F328P
Projeto desenvolvido por Danuzio Alves Amaral
O que é uma carga eletrônica?
Esse é um instrumento de bancada muito útil para teste de fontes e baterias. De forma bem simples, a carga eletrônica vai consumir potência da fonte de teste para que o usuário saiba a eficiência, corrente máxima, queda de tensão e aquecimento, por exemplo.
Como funciona uma carga eletrônica?
O principal componente do nosso projeto, é o MOSFET em conjunto com resistores de potência. O funcionamento é bem simples: pela lei de ohm, sabemos que uma tensão sobre um resistor, irá produzir uma corrente por ele. Isso porque o resistor é mais elementar conversor de tensão-corrente. Logo, analisando o circuito da figura 1, observe que, para um resistor de 5Ω e uma tensão de 5V, temos uma corrente de 1A, assim também como, para uma tensão de 10V, teremos uma corrente de 2A.
Seguindo esse pensamento, para que possamos drenar potência de uma fonte de teste, basta pra isso controlar a tensão sobre o resistor. Para melhorar nosso circuito, vamos utilizar um Mosfet para fazer esse controle. Nosso circuito agora está melhor, como visto na figura 2. Temos também um amplificador operacional. Vamos entender como vai funcionar nosso circuito: o potenciômetro ADJ estará conectado na fonte de nossa carga, de 12V, com isso, podemos ajustar um valor entre 0 e bem próximo de 12V no terminal central do nosso potenciômetro.
O nosso operacional, tem a propriedade de tentar deixar suas duas entradas com a diferença de potência mais próximo de 0, em outras palavras, deixá-las iguais, como por exemplo, se for ajustado 5V no potenciômetro, conectado na entrada positiva do nosso operacional (entrada não-inversora), ele irá fazer o possível para que haja 5V também na sua entrada negativa (entrada inversora). Logo, teremos 5V no nosso resistor, que com isso, teremos 1A (5V/5Ω = 1A). E como nosso operacional vai fazer esse ajuste? Através do gate no nosso Mosfet. O operacional irá ajustar sua saída, controlando a tensão no gate para que tenha os exatos 5V entra o source e o resistor. Logo, já podemos ajustar o nosso potenciômetro, que por sua vez, irá fazer o ajuste do gate do nosso Mosfet através do nosso operacional, e assim, ajuste a corrente que é drenada da nossa fonte de teste (14V).
Cálculos para nosso circuito.
Os primeiros parâmetros que precisamos calcular é a potência dissipada no Mosfet e nos resistores. Vamos utilizar o modelo 20N60CFD. Com o datasheet em mãos, precisamos de três dados: quantos graus a temperatura do nosso Mosfet irá aumentar por cada watt, tensões para gate e a resistência entre dreno e source em condução. Além, é claro, da corrente e tensão que podemos trabalhar, como visto no datasheet, estamos bem tranquilos quanto a isso.
Nosso Mosfet poderá trabalhar até 20A e 650V, embora esses valores são em um mundo ideal, na prática, use sempre valores abaixo disso. Nossa carga irá trabalhar com 3.2A e até 14V. Na figura 3 temos todos esses dados encontrados no datasheet do 20N60CFD que vamos precisar.
Sabendo que potência é igual a resistência multiplicada pela corrente ao quadrado. A resistência do nosso Mosfet em condução (RDon) é 0.22Ω e a corrente que temos é de 3.2 Ampères, logo: P=0.22 X 3.2^2 = 2.25W. No datasheet temos 2 dados muitos importantes: “thermal resistance junction-to-ambient” que é a transferência de calor do Mosfet para o ambiente, e a “thermal resistance junction-to-case” que é a transferência de calor do Mosfet para uma case (Dissipador de calor), que é o nosso caso.
Para melhorar nosso projeto, além do dissipador, vamos usar ventilação forçada. Agora podemos fazer o seguinte cálculo: Como temos 0.4 °C / W, isso nos diz que para cada watt teremos 1 grau adicionador ao nosso Mosfet, lembrando que esse valor será adicionador ao valor ambiente. Como calculamos 2.25W, basta multiplicarmos isso por 0.4 e obtermos um valor de 0.9 °C. Para uma temperatura ambiente de 35 °C, teremos em torno de 36°C. Caso não fossemos utilizar dissipador, teríamos que multiplicar por 62, que a transferência para o ambiente, obteríamos 140 °C, o que é uma temperatura elevada para trabalhar.
Na prática, utilizei 4 resistores de 10W cada, na qual temos dois de 4.7Ω e dois de 2.2Ω, que resultaria em um resistor de 40W e 0.9Ω, porém na prática, obtemos em torno de 1.5Ω devido as variações. Agora precisamos da potência dissipada no nosso resistor. Para isso, para os 5 volts sobre os resistores, teremos 3.3 Ampères, para obtermos os 3.2 Ampères, deixaremos a tensão em 4.8 volts, logo a potência no resistor será: P = R x I^2 .
Como temos um resistor de 1.5Ω, P= 1.5 x 3.2^2 = 15.4W, já que nosso resistor tem uma potência total de 40W (soma das potências dos 4 resistores, cada um tem 10W) nossa potência está dentro do permitido. Pronto, agora com os valores de acordo, já temos nosso Mosfet e nossos resistores, agora entenderemos todo o sistema de controle com nosso Arduino (LGT8F328P).
Leituras e interface HM.
Até agora temos todos os parâmetros para montar uma carga eletrônica, porém, vamos deixar nosso projeto ainda melhor. A primeira coisa que vamos fazer, e ler a tensão da fonte de teste para que, caso esteja acima de 14V, a entrada na nossa carga não irá funcionar, pois esse é o limite. Para isso vamos fazer o uso de um divisor resistivo com um resistor de 6.8KΩ e 3.2KΩ, como visto na figura 4, na qual, para entrada de 14V, teremos em torno de 4.5V na entrada analógica do nosso Arduino compatível.
Se por acaso a entrada for alta o suficiente para deixar a saída do divisor resistivo maior que 5.5V, isso já seria um problema para a entrada analógica, podendo danificá-la. Para contornar isso, adicionamos um Zener de 5.1V, para manter esse ponto com uma tensão adequada. Para tensões abaixo de 5.1V, nosso zener não tem função. Já se houver valores acima disso, o Zener irá proteger nossa entrada analógica. Na figura 5 temos um exemplo na qual, uma entrada de 24V iria prover uma tensão de 7.7V, que danificaria nosso Arduino, já com o Zener, estamos protegidos disso. No circuito final, para dar mais segurança, temos um Operacional na configuração buffer, e então, para o nosso conversor ADC.
Para ser possível habilitar nossa entrada e iniciar o consumo, vamos adicionar um botão para isso, além de um relé. Logo, se a entrada analógica que está fazendo a leitura da entrada através do divisor resistivo, for acima de 960 (Conversão da leitura de analógica em Bits, na qual 5V = 1023), não é possível habilitar a entrada e será exibido no display a mensagem de “Tensão acima de 14V”, para isso, usamos o famoso display 16×2.
Nos resistores, como temos um valor abaixo de 5V, podemos fazer a leitura para sabermos a corrente que está sendo consumida. Na qual para 4.8V (Cerca de 980 bits) temos 3.2 ampères, basta fazer a conversão e exibir no display. Note que além disso, temos dois Leds simples que indicam se a entrada está habilitada (consumindo potência) ou desligada e também fizemos um uso de um fotoacoplador para proteger nosso controlador, pois um relé é uma carga indutiva, além disso, temos nosso diodo de roda livre.
Por fim, para que nosso Mosfet fique bem saturado, a tensão VGS (th) que é a tensão no gate para a condução, é típica de 4V, como visto na figura 3. Para garantir a saturação, vamos trabalhar com valores em torno de 9V ou superior. Além disso, podemos perceber que temos ventilação forçada, quem geralmente, trabalha com 12V, para isso, no circuito final como temos uma única fonte de 5V, utilizamos um conversor DC-DC boost para conseguir nossos 12V.
Para deixar ainda melhor nosso projeto, foi impressa um caixa em 3D para nosso projeto, projetamos uma caixa bem vazada para melhor circulação de ar. Na figura 6 temos o desenho 3D e na figura 7 temos um circuito final. Seguindo nosso projeto, na figura 8 temos todo o nosso código. Observe que utilizando o simulador Proteus, não temos o conversor DC-DC, pois infelizmente não achei esse módulo. Porém, também é uma opção usar 12V de alimentação e usar um 7805 para ter os 5V regulados para o Arduino.
Veja na figura abaixo o resultado final, projeto já montado na case feita em impressora 3D.
Conclusão
Esse artigo é apenas um resumo do nosso projeto, ao final deixarei os links dos vídeos com todos os passos e cálculos desse projeto. Temos o total de 5 vídeos onde falo cada detalhe e todas as melhorias que fizemos. A baixo na figura 8, temos algumas fotos do projeto já finalizado. Se gostou, dá uma força e se inscreve no nosso canal. Forte abraço.
Vídeo 1: https://www.youtube.com/watch?v=9DYgnYsFFSw&t
Vídeo 2: https://www.youtube.com/watch?v=v8hDFm59eFE
Vídeo 3: https://www.youtube.com/watch?v=Q3ofsPIqV-8&t
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