domingo, 3 de Fevereiro de 2013

Desulfatação de baterias Chumbo-ácido

Este circuito simples é projectado para prolongar a vida útil das baterias chumbo-ácidas, dissolvendo os cristais de sulfato de chumbo que se formam nas suas placas. É alimentado pela própria bateria (ou por um carregador) e fornece à bateria uma série de impulsos de alta voltagem.
A bateria chumbo-ácido (também conhecido como Acumulador de Chumbo) foi inventada pelo francês Gaston Planté em 1859. É uma associação de pilhas (chamadas de elementos, na linguagem da indústria de baterias) ligadas em série. A tensão eléctrica de cada pilha é de aproximadamente 2 volts. São usadas para armazenar energia.
A bateria de chumbo-ácido é constituída por dois eléctrodos; um de chumbo esponjoso e o outro de dióxido de chumbo em pó, ambos mergulhados numa solução de ácido sulfúrico com densidade aproximada de 1,28g/mL dentro de uma malha de liga chumbo-antimónio. Esta liga é mais resistente à corrosão que o chumbo puro.
Quando o circuito externo é fechado, ligando electricamente os terminais, a bateria entra em funcionamento (descarga), ocorrendo a semi-reação de oxidação no chumbo e a de redução no dióxido de chumbo
No acumulador, o chumbo é o ânodo enquanto o dióxido de chumbo é o cátodo.
 
O efeito chumbo-sulfato
Embora as baterias sejam indispensáveis, elas tem os seus defeitos. Provavelmente a sua principal desvantagem é que têm uma vida de trabalho relativamente curta, tipicamente não mais do que cerca de três ou quatro anos.
Cada vez que a energia é extraída de uma bateria de chumbo-ácido, o chumbo e os iões do sulfato do electrólito combinam-se e são depositados nas placas sob a forma de cristais de sulfato de chumbo. Então quando a bateria é recarregada, estes cristais dissolvem-se outra vez no electrólito de ácido sulfúrico.
Mais precisamente, a maioria deles redissolve-se - mas não todos. Mesmo se a bateria não está totalmente descarregada e é sempre recarregada imediatamente depois de ter sido descarregada, uma pequena proporção do sulfato de chumbo permanece nas placas. Estes tornam-se em cristais de sulfato de chumbo "duros" que são muito menos solúveis e menos condutores do que antes.
Na prática, a formação destes cristais de sulfato de chumbo “duros” reduz gradualmente a capacidade de armazenamento de energia da bateria. Isto acontece tanto por mascarar as áreas activas das placas, como também através da redução da concentração de iões de chumbo e sulfato no electrólito.
 
Este efeito de "sulfatação" é conhecido há muitos anos. Também é sabido que o efeito ocorre muito mais rapidamente se a bateria for descarregada totalmente, for deixada num estado descarregado por algumas horas, ou frequentemente subcarregada. Na verdade, as baterias maltratadas de qualquer destas formas tendem a ter uma vida útil muito curta.
Durante muito tempo, a sulfatação foi considerado como irreversível e as baterias que tinham perdido muita capacidade devido a este efeito foram simplesmente descartadas. Isto não era apenas um desperdício, mas também foi um problema ambiental, pois tanto o chumbo como o ácido sulfúrico são materiais altamente tóxicos.
 
Em meados do século passado, porém, as pessoas nas zonas rurais descobriram que poderiam "ressuscitar" baterias sulfatadas aplicando-lhe impulsos de alta tensão dos seus controladores de cerca eléctrica. Eles não entendiam exactamente porque este método funcionava, mas continuaram a usá-lo porque ele resultou.
 
Posteriormente, em 1976, o escritório de patentes dos Estados Unidos concedeu uma patente para William H. Clark de Salt Lake City, Utah, para um método de carregamento de baterias de chumbo-ácido por meio de pulsos de alta corrente. Este foi reivindicado como sendo mais eficaz para dissolver os cristais de sulfato de chumbo e, portanto, prolongar a vida da bateria. Desde então apareceram nas revistas electrónicas, uma série de projectos para rejuvenescedores de baterias tipo pulso ou "zappers", incluindo um publicado na SILICON CHIP em fevereiro de 2003.
 
Como funciona
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O princípio básico usado neste tipo de “dessulfatadores “ é bastante simples: eles absorvem uma pequena quantidade de energia da própria bateria ou dum carregador ligado a ela, armazenam esta energia num condensador e voltam a devolve-la de volta à bateria como um impulso de alta tensão estreito (narrow). Por outras palavras, um curto impulso de corrente é forçado através da bateria na direcção de "carregar". São estes pequenos impulsos de corrente que são requeridos para dissolver os cristais de sulfato (desde que você seja paciente).
 
A Fig.1 mostra o esquema básico. Como se mostra, o circuito é constituído por dois indutores pequenos, um condensador electrolítico de 330µF, um diodo de recuperação rápida (D3) e um comutador electrónico de alta velocidade. O interruptor é actualmente o MOSFET de potência de canal-N (Q2), mas é mostrado na Fig.1 como um interruptor porque é assim que ele é usado. Durante a primeira fase de funcionamento do circuito (A), a corrente flui da bateria (ou de um carregador) e carrega o condensador electrolítico de 330µF via indutor L2 de 1mH. Esta fase dura cerca de carregamento 901µs, que é bastante longo comparado com a próxima fase.
 
Em seguida, durante a segunda fase da operação (B), o interruptor está fechado. Isto liga o indutor L1 de 220µH à terra (negativo da bateria), o que resulta num fluxo súbito de corrente a partir do condensador para L1. Como resultado, a energia armazenada no condensador é transferida para o campo magnético do indutor. Esta fase dura apenas cerca de 45µs, ou seja, apenas o tempo suficiente para a transferência de energia ocorrer. No fim da segunda fase, o interruptor é aberto novamente (C). Esta interrupção brusca da corrente no indutor causa uma inversão imediata da tensão através do indutor e assim aparece um impulso de alta tensão sobre o indutor com a polaridade mostrada.
 
Como resultado, um impulso de corrente de descarga do condensador de 330µF, flui para baixo através de L1, para cima através do diodo D3 e, em seguida, para a saída através da bateria. Esta é a terceira fase da operação do circuito. Essa sequência de eventos é repetida indefinidamente sempre que o "zapper" esteja ligado a uma bateria de 12V (ou uma combinação de bateria e carregador).
 
Logo que o impulso de energia de descarga de L1 tenha terminado, o condensador de 330µF começa a carregar novamente via L2. Então o resto da terceira fase torna-se a primeira fase do próximo ciclo de carga-transferência-descarga e assim sucessivamente.
 
NE555:
Normalmente, um 555 não pode produzir um ciclo de trabalho inferior a cerca de 55%. Isso ocorre porque o condensador temporizador C carrega através das Resistências R1 e R2, mas descarga através de R2.
Se queremos um ciclo de trabalho inferior a 55%, temos de modificar o circuito básico do 555 com um diodo para ignorar R2 durante a carga de C.
 
Circuito sem restrição de ciclo de trabalho:
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A saída está ON por t1 segundos, em seguida OFF por t2 segundos.

t1 = 0,693 x R1 x C
t2 = 0,693 x R2 x C
(R1 e R2 são, em Ohms; C é em Farads)
 
 
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Circuito
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Circuito modificado:
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Lista de Material:
R1: 5kΩ D1 : 1N4148 C: 13nF L1: 220µH
R2: 100kΩ D2 : 1N4148 Cf: 100nF L2: 1mH
R3: 100Ω D3: Zener 12.4 V C3: 330µF L3: 1mH
R4: 15kΩ D4: BY228 C4: 220µF L4: 1mH
Q1: 2N3906 Q2: IRF540
Colocar em uso
 
Usar o “Zapper” é fácil - basta liga-lo aos terminais da bateria que se quer rejuvenescer.
Há apenas uma condição: se a bateria está descarregada de modo que já não pode fornecer a corrente necessária para operar o “zapper”, é necessário ligar um carregador à bateria para pelo menos poder iniciar o processo de rejuvenescimento (ver Fig.5. seguinte).
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Se bateria está muito mau estado, isto muito sulfatada, tem que manter o carregador ligado por um bom tempo.
Depois disso, é simplesmente uma questão de deixá-lo funcionar até que os cristais de sulfato sejam dissolvidos dentro da bateria. Isso pode levar algum tempo - de alguns dias a algumas semanas - por isso é preciso ser paciente.

Se ligar um carregador à bateria para alimentar o “zapper”, deve usar um indutor de núcleo de ar de 1mH (o mesmo que L2) em série com um dos fios do carregador - ver Fig.5.
Há duas razões para isso:
(1) para proteger o circuito de saída do carregador de possíveis danos; e
(2) para evitar que a impedância de saída relativamente baixa do carregador absorva os impulsos, reduzindo assim a sua eficácia.
 
Nem sempre funciona
 
Uma advertência final: nem todas as baterias de chumbo-ácido têm a capacidade de serem dessulfatadas usando este “zapper” (ou provavelmente, nenhuma outra coisa as poderá recuperar). Em algumas baterias, os cristais de sulfato de chumbo, resistem teimosamente ao efeito pulsante e a bateria pode, por vezes, até mesmo desenvolver um curto-circuito entre as placas.

Se a corrente de carga da bateria aumenta subitamente para um nível muito elevado remover a alimentação e marcar a bateria como uma que não pode ser salva.
 
Por outras palavras, não há garantias de que o “zapper” possa ressuscitar todas as baterias muito sulfatadas – e não pode. Mas, por outro lado, é fácil e barato de construir. Portanto, não há muito a perder em tentar.
 
Fotos:
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SILICON CHIP Julho de 2009

Versão revista do dessulfatador de baterias de Chumbo-ácido (“Zapper”) agora para trabalhar com baterias de 6V, 12V e 24V.

Aviso:
Nem todas as baterias podem ser rejuvenescidas por “zapping”. Elas podem estar demasiado sulfatada ou podem ter a ligação a uma célula em circuito aberto. Nem pode o “zapper” restaurar uma bateria que está desgastada, ou seja, uma em que o material activo nas placas foi severamente degradado.
Dependendo da bateria, é também possível que o eventual efeito de rejuvenescimento possa ser apenas temporário.

 

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Alguns Detalhes do Circuito

A resistência de 150Ω em serie com a gate de Q2 tem por objectivo suprimir qualquer tendência se oscilação deste durante a transição de comutação.

O comutador S1 insere a resistência de 470Ω 5w em serie com a resistência de 100Ω quando a unidade é usada com baterias de 24V, para limitar a dissipação em ZD1 e ZD2.

Os diodos zener ZD3 e ZD4 formam um circuito de protecção de alta tensão para Q2 que tem uma tensão nominal máxima de 100V. Estes diodos zener limitam a tensão máxima do impulso para cerca de 70V.

Monitorização do nível de Impulso

D5 é um diodo ultra-rápido que faz parte de um circuito rectificador simples de meia onda com a resistência de 1MΩ e o condensador de 470nF. Estes fornecem uma tensão DC proporcional à máxima amplitude do impulso entre os terminais "Meter", que permitem a monitorização do nível do impulso com um multímetro digital (alta impedância).
O LED1 indica quando desulfatador de baterias (“Zapper”) está gerando impulsos e também dá uma ideia aproximada de sua amplitude.


Uma vez que os impulsos são bastante estreitos, o diodo D4 é usada para carregar o condensador de 22nF à sua plena tensão (menos a tensão da bateria através do condensador de 470µF) e o diodo emissor de luz é capaz de absorver uma corrente constante a partir do condensador através da resistência 6.8kΩ. Isso permite por o LED1 a brilhar bastante, sem retirar muita energia dos impulsos de “zapping”.

O Fusível F1 tem como principalmente objectivo proteger os indutores L1 L2 contra danos, no caso de Q2 entrar em curto-circuito ou seja comutado continuamente devido a uma falha no IC1 e nos seus componentes associados.

O comutador S2 é para permitir a ligação segura da unidade à bateria e o comutador S3 é para permitir a ligação segura de um carregador de baterias à bateria em qualquer momento.

O indutor L3 age como um bloqueador para os impulsos de “zapping” impedindo o carregador de absorvê-los e, eventualmente, ser danificado, enquanto que os condensadores de 10nF através de S2 e S3 são supressores faísca.

A resistência de 15Ω 5W entre L3 e S3 está lá para limitar a corrente que se pode tirar do carregador no caso da bateria desenvolver um curto-circuito durante o “zapping”.

 

 

Trabalhar com Baterias de Chumbo-ácido seladas

Estas baterias são conhecidos como baterias de chumbo-ácido seladas, VRLA (valve regulated lead-acid), ou de célula-gel. As Baterias VRLA, utilizam uma suspensão de gel no interior de um recipiente selado (As tampas circulares sobre cada célula não devem nunca ser abertas). Como consequência, eles não vazam, e podem ser posicionado em qualquer posição. Com múltiplas células de 2V, estão normalmente disponíveis em unidades de 6V ou 12V.

Teste

O estado de uma bateria de chumbo-ácido pode ser, em parte, determinado através do teste à sua tensão. Este teste só é preciso que a bateria foi desligada por várias horas, de preferência de 24 ou 48. Vai precisar de um multímetro digital:

 
 
Tensão da bateria de 6V

Tensão da bateria de 12V

Percentagem de carga

Comentários

6,37 V

12,73 V

100%

Bom

6,31

12,62

90%

Bom

6,25

12,50

80%

Deve ser carregada em breve.

6,19

12,37

70%

Deve ser carregada em breve.

6,12

12,24

60%

Deve ser carregada em breve.

6,05

12,10

50%

Deve ser carregada em breve.

5,98

11,96

40%

Deve ser carregada o mais rápido possível!

5,91

11,81

30%

Deve ser carregada o mais rápido possível!

5,83

11,66

20%

Deve ser carregada o mais rápido possível!

5,75

11,51

10%

A bateria está danificada

<5,75 <11,51 <10%

A bateria está danificada


 
 

O melhor método de teste para determinar a saúde de uma bateria é fazer um teste de descarga. Ligar uma carga conhecida à bateria e monitorizar a tensão.

Abaixo está um gráfico de descarga comum.

Geralmente, os ensaios de descarga são melhor realizados a 0,1C (1/10 da Capacidade amp/hora da bateria.) Pelo gráfico, a tensão permanece relativamente constante durante um período de tempo e em seguida começa a cair rapidamente.

 

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Referencias:

http://www.elektor.com.pt/revistas/2010/julho-047-agosto/dessulfatador-para-baterias-de-automovel.1445740.lynkx

http://individual.utoronto.ca/janzen/electronics/tutorials/battery/sla_working_with.html

domingo, 29 de Janeiro de 2012

Amplificadores de Potência de Áudio

Amplificadores de Potência de Áudio (Classe B e AB)

O amplificador classe B
Para melhorar a eficiência de energia total do amplificador de classe A através da redução da energia desperdiçada na forma de calor, é possível projectar o circuito amplificador de potência com dois transístores no seu andar de saída produzindo o que é comummente denominado como configuração amplificador tipo "push-pull ". Os amplificadores Push-pull usam dois transístores "complementares", sendo um deles tipo NPN e o outro sendo tipo PNP com ambos os transístores a receber o mesmo sinal de entrada em conjunto e de igual magnitude, mas de fase oposta um do outro. Isso resulta que um transístor só amplifica metade do ciclo da onda de entrada ou 180º desse ciclo, enquanto o outro transístor amplifica a outra metade restante do ciclo de onda de entrada. As "duas metades" do ciclo resultantes são colocadas de volta juntas no terminal de saída.

Circuito Amplificador Classe B Push-pull (com Transformador):

amp24

Curvas Características de saída da classe B:

amp46

Circuito Amplificador Classe B Push-pull (sem Transformador):

amp25

O amplificador classe AB:

amp47

O circuito amplificador classe AB é um compromisso entre as configurações classe A e classe B. Esta muito pequena tensão de polarização diodo faz com que ambos os transístores conduzam ligeiramente mesmo quando não há sinal de entrada presente. Uma forma de onda do sinal de entrada fará com que os transístores operem normalmente na sua região activa, eliminando assim qualquer distorção de crossover presente nos amplificadores de classe B pura. Quando não há sinal de entrada, irá fluir uma pequena corrente de colector, mas é muito menor do que para a configuração de classe A. Isto significa então que o transístor estará "ON" por mais de meio ciclo da onda, mas muito menos do que um ciclo completo dando um ângulo de condução entre 180 a 360º ou 50 a 100% do sinal de entrada, dependendo da quantidade de polarização adicional utilizada.

 

Limitador VI em amplificadores de potência (VI limiter):

Tem como função limitar a corrente nos transístores de saída, mantendo a condução dentro da curva SOA (Safe Operating Area), específica para cada tipo de transístor e fornecida junto ao datasheet do componente. Segue abaixo uma figura com as curvas SOA de dois transístores muito utilizados em amplificadores de potência para áudio.
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Num amplificador bem projectado, o circuito limitador VI deve entrar em acção somente em sobrecargas ou curto-circuitos, mantendo Ice em níveis seguros, porém não evita que os transístores dissipem energia, ou seja, aqueçam. Então, para que os transístores de saída não "queimem" por excesso de temperatura é utilizado também um circuito adicional desligando a saída ou diminuindo o nível de sinal na entrada, ou um circuito de protecção térmica, etc.

clip_image011
Figure 1 - Basic VI Limiter Circuit

Exemplo de Cálculo do limitador VI:

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Ilim= 0,6*(R1+2*R2) / (RE*R2 - N*RL*R1)


Onde:·
Ilim é a corrente máxima por transístor, para operarem dentro da SOA·
R1 no exemplo é de 390R
R2 no exemplo é de 12k
N é o numero de pares da saída
RE é a resistência de emissor, no exemplo é de 0,47R
RL é a carga, 8 ohms, 4 ohms, 2 ohms...


Notas:

A relação de R2 para R1 deve ser de pelo menos 30X, ou seja, R1 de 390 e R2 de 12K. Mantendo-se esta relação a eficiência do circuito é grande.·
A substituição dos diodos que vão nas bases dos transístores por leds trás algumas vantagens: Linearidade na limitação de corrente. O led acende somente na limitação de corrente, agindo como um led de clip.

Esquemas de Amplificadores:

super amplificador da silicon chip

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PWP8000

Esquema modificado da PWP8000 2AB
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Amplificador de 660 ~ 700 Watts:

Schematic_Power_Amplifier_660w_Listado

Circuito da fonte de alimentação para o circuito do Amplificador de 700 Watts

 

clip_image021

 

Leach Amp Clone 6 transistor version:

Leach_ver_7.4.6_Sch_img_0

Leach amp with 6 output transistors - Schematics (PDF)

Leach amp parts list for 6 transistor version (PDF)

 

smps de 700 watts para amplificador leach:

50_KHZ700_WATTSMM 

Ver:

-/+ 50 v SMPS: bottom layer.pdf  

-/+ 50 v SMPS: components.pdf  

both side

 

Amplificador 800W:

amplificadorrselectronijb4

 

 

Audio Power Amplifier Module - the NCC200:

power-amplifier-circuit-ncc200-Z

 

 

 

Referencias:

Class B Amplifier - Transistor Amplifier Tutorial

Basic BJT Amplifier Configurations

Limitador VI (VI limiter) em amplificadores de potência:

http://www.schematicsforfree.com/archive/file/A...%20Protection.pdf
http://www.schematicsforfree.com/archive/file/A...%20Protection.pdf
http://www.schematicsforfree.com/archive/file/A...0Amp%20Design.pdf
http://www.schematicsforfree.com/archive/file/A...M%20Amplifier.pdf
http://www.schematicsforfree.com/archive/file/A...%20Amplifiers.pdf

Testing Amplifiers To Their Limits

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segunda-feira, 20 de Dezembro de 2010

Controladores de Motores Brushless (BLDC Motor Controllers)

Implementação de Controladores de Motores DC sem escovas

Como o controlador deve dirigir a rotação do rotor, o controlador necessita de alguns meios de determinar a orientação / posição do rotor (em relação às bobinas do estator.) Alguns modelos usam sensores de efeito Hall (Hall effect sensors) ou um codificador rotativo (rotary encoder) para medir directamente a posição do rotor. Outros medem a força contra-electromotriz (back EMF) nas bobinas não alimentadas para inferir a posição do rotor, eliminando a necessidade de sensores de efeito Hall em separado e, portanto, são frequentemente chamados de controladores ‘sensorless’. Como um motor de corrente alternada, a tensão nas bobinas não alimentadas é sinusoidal, mas sobre uma comutação completa a saída parece trapezoidal por causa da saída DC do controlador. O controlador contém 3 ‘drivers’ bidireccionais para fornecer a alta corrente DC, que são controlados por um circuito lógico.

Os controladores mais simples empregam comparadores para determinar quando a fase de saída deve ser avançada, enquanto os controladores mais avançados utilizam um microcontrolador para controlar a aceleração, controlar a velocidade e afinar a eficiência.

Os controladores que sentem a posição do rotor com base na força contra-electromotriz têm desafios extras no início do movimento, porque nenhum back-EMF é produzido quando o rotor está parado. Isso geralmente é feito por rotação inicial de fase arbitrária, e, em seguida, saltando para a fase correcta se for determinado que era errada. Isso pode originar que o motor funcione brevemente para trás, aumentando ainda mais complexidade da sequência de inicialização. Outros controladores ‘sensorless’ são capazes de medir a saturação do enrolamento causada pela posição dos ímãs para inferir a posição do rotor.

A unidade de controlo é muitas vezes referida como um ESC, o que significa Electronic Speed Controller.

Exemplos de Controladores de Motores ‘Brushless’

1. Brushless Ctrl (or Electronic Speed Controller, ESC):

O Mikrokopter é alimentado por motores brushless.

( Um manual para construir e usar o BL-Ctrl pode ser encontrado em en/BL-Ctrl_Manual... )

As vantagens de tais motores são:

  • Alta eficiência e desempenho
  • Menor risco de interferência, como não há brushess ou artes
  • Numerosas fontes de motores com potência diferente e rpm por Volt.

No entanto, para utilizar estes motores com a corrente contínua das baterias, esta tem de ser convertida para corrente alternada trifásico, com potência de saída controlada para que a velocidade dos motores possa ser controlada com precisão.

Existem inúmeros controladores de velocidade brushless disponíveis no mercado. No entanto são poucos os disponíveis que possam satisfazer os requisitos especiais:

Precisamos de controladores de motores sem escovas, que possam aceitar um novo valor de aceleração muito rapidamente ( <0,5 ms) e aplicá-lo. Além disso, o controlador tem que ter um interface de barramento I2C.

Por esta razão, desenvolvemos um controlador de velocidade a preços razoáveis para motores sem escovas.

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O manual para a construção, o diagrama, o software e a partslist estão todos disponíveis para downloads [http://www.mikrokopter.de/ucwiki/en/Downloads] …

Detalhes Técnicos

  • Tamanho 20 * 43mm
  • BL-Ctrl Versão 1.2: 10-12A potência de saída contínua de aproximadamente 160W
  • BL-Ctrl Versão 1.2: Corrente de pico: 20A -> Potencia de pico de saída de 375W (Max. vários segundos)
  • BL-Ctrl Versão 2.0: Corrente de pico: 40A -> Potencia de pico de saída de 650W (Max vários segundos)
  • Controlador: Atmel ATmega8 ou ATmega168 (apenas BL-Ctrl_2.0)
  • Medição da energia e limitação de corrente do lado da corrente contínua do ESC
  • Dois LEDs (verde: Ok e vermelho: Erro)
  • Medição de tensão da Bateria e de reconhecimento de tensão baixa
  • O software é escrito em C e a fonte está disponível para download
  • Diversos interfaces de entrada possíveis, para aceleração (I2C PWM, série)
  • Um receptor pode ser alimentado a partir do barramento de 5V do ESC (max. 50mA) (Nota: você não pode alimentar o controlador de voo ou os servos a partir destes ESCs).

Interfaces Possíveis:

Interface serie assíncrono (tanto para o controle do acelerador ou depuração)

I2C (para controle de aceleração de alta velocidade)

Princípio de operação: sinal PWM (sinal de saída padrão de um receptor RC)

Configurável pelo barramento I2C usando Koptertool -> o Koptertool pode permanecer conectado à Navi ou o FC (apenas BL-Ctrl_2.0)

Jumper para os endereços 1-4 e 1-8 (somente BL-Ctrl 2.0)

O controlo de motores brushless é trifásico em grupos de pulsos PWM.

MOSFETs

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O andar de saída de potência consiste de um MOSFET Canal-N e de um MOSFET Canal-P para cada uma das três fases.

O MOSFET Canal-P exige um transístor para ser capaz de mudar o potencial de porta num pino de saída do controlador.

O reconhecimento da posição do rotor

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Esta parte simples do circuito, permite medir a posição do rotor no motor brushless. Este cálculo (a média) é efectuado a partir das tensões de cada uma das fases do motor numa estrela virtual. O controlador compara as tensões filtradas das fases com a tensão média e usa isso para calcular a posição (timepoint) para comutação, que é o momento no tempo em que andar FET é comutada para a próxima fase.

Medição da energia

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Existe um ‘shunt’ no PCB, que consiste numa pista mais larga de cobre, que é um pouco alongada, semelhante ao traçado neste desenho. A queda de tensão nesta derivação permite ao controlador calcular a potência utilizada, e reduzir a energia se amperagem é excessiva.

O software não corta a energia de repente, mas diminui-a gradualmente. Isto garante que a aeronave não cai de repente do céu, se o ESC está perto da sua potência máxima.

Microcontrolador

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É usado como microcontrolador o Atmel Atmega8.

Ele tem algumas características importantes exigidas para o uso em controladores de velocidade como:

comparadores analógicos com multiplexers. Além disso, possui interfaces serie e um interface I2C integrado no chip.

Software update

Deve ser usada a ligação lateral do MKUSB.

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Files: Downloads: BL-Ctrl

Ligações:

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Esquema:

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BL_CTRL_V1.0/V1.1

 

2. I can probably get some 18 mosfet controllers!!:

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3. Instant Start 18 fet Infineon Boards are here...:

Esquema com 6 FET:

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Referencias:

Como Funcionam os Motores DC Brushless (BLDC Motors)

Brushless DC electric motor

BrushlessCtrl

BL-Ctrl_Manual

Microchip AN857 – Brushless DC Motor Control Made Easy

Atmel AVR444 – Sensorless control of 3-phase brushless DC motors

Atmel AVR443 – Sensor-based control of three phase brushless DC motor

Atmel AVR194 – Brushless DC motor Control using ATmega32M1

I can probably get some 18 mosfet controllers!!

Instant Start 18 fet Infineon Boards are here...

sexta-feira, 13 de Agosto de 2010

Como Funcionam os Motores DC Brushless (BLDC Motors)

Este motor pode ser caracterizado como um tipo moderno de motor DC. As letras BLDC significam Brush-Less Direct Current. Assim, estes motores não têm escovas. Se você não sabe o que são escovas, então deve ler primeiro o artigo sobre How Brushed DC motors are made and how they operate (Como são feitos os Motores DC com escovas e como operam). É melhor começar a aprendizagem a partir dos motores mais simples.

Como são feitos os motores DC Brushless (BDLC)?

O motor brushless, ao contrário do motor DC com escovas, tem ímãs permanentes colados no rotor. Tem geralmente 4 ímãs em torno do perímetro. O estator do motor é composto pelos electroímanes, geralmente 4 deles, colocados em cruz formando um ângulo de 90º entre eles. A maior vantagem dos motores brushless é que, devido ao facto de que o rotor conter somente os ímanes permanentes, não precisa de alimentação. E assim não é necessária nenhuma ligação para o rotor!

Esta característica dá vantagens sobre os motores de corrente contínua com escovas, dentre as quais se podem destacar a confiabilidade mais elevada, o ruído reduzido, a vida útil mais longa (devido a ausência de desgaste da escova), a eliminação da ionização do comutador, e a redução total de interferência electromagnética (EMI).

Além disso, os motores brushless são mais eficientes em termos de consumo de energia.

Um motor brushless tem ainda outra grande diferença dos motores escovados.

A desvantagem principal do motor sem escovas é necessitarem de um circuito integrado mais caro, chamado de controlador electrónico de velocidade para oferecer o mesmo tipo de controlo variável que os motores com escovas.

Ao comparar as técnicas de construção e manufactura entre os motores BLDC e os com escovas, muitos projectos de BLDC requerem trabalho manual, no caso da fixação das bobinas do estator. Por outro lado, os motores com escovas usam enrolamentos que podem ser bobinados automaticamente e são portanto mais económicos.

Para saber a todo o momento onde está o rotor existem várias maneiras. Às vezes eles usam codificadores rotativos (rotary encoders) juntamente com seus controladores e sabem exactamente o ângulo em que o rotor está.

Outros usam pares de sensores Hall, enquanto a maioria deles usam apenas um sensor Hall.

O sensor Hall é colocado numa posição adequada. Ele pode sentir se à sua frente está o pólo Norte ou o pólo sul. O sensor Hall transmitirá então este sinal para o controlador do motor. O controlador, então, liga ou desliga as bobinas apropriadas que se revelem necessárias para fornecer o torque.

Quando a confiança é necessária este motor é o mais adequado. O vídeo a seguir demonstra exactamente como é feito um motor brushless típico (e um tipo muito popular):

 

Como funcionam os motores brushless?

O truque de funcionamento em motores BLDC é o sensor Hall que está ligado ao estator. Ele enfrenta os ímãs perpendicularmente e pode distinguir se o pólo Norte ou do Sul está na frente. A imagem seguinte mostra este senhor Hall. A foto é tirada de um ventilador do PC (sim, os fãs de PC têm BLDCs!):

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Se quiser aprender como operaram as ventoinhas (fans) do PC, siga este link. Para entender melhor o funcionamento do sensor Hall, em relação à posição do rotor, Segue uma animação com apenas dois pólos magnéticos e 2 bobines. Os pólos magnéticos são os dois pólos Sul:

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O sensor Hall é o pequeno componente sob o electroíman direito. Quando ele sente o pólo sul, mantém a bobina desligada. Quando o sensor detecta que não há nenhum campo magnético (ou pode ser também o pólo sul), então ele liga as bobinas. As bobinas têm ambas a mesma polaridade magnética, que é do Norte. Então elas puxam o pólo oposto e é então criado torque.

Se colocar uma sonda no sensor Hall e observar o sinal, então vai descobrir que, durante uma rotação completa do rotor, o sensor Hall está duas vezes HIGH e duas vezes LOW. A forma de onda num osciloscópio seria como esta:

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Outra grande vantagem para os motores brushless. Esse sinal que é usado para controlar as bobinas, pode ser usado para medir a velocidade do motor! Também pode ser usado para ver se o motor está funcionando ou não! Actualmente, este sinal é exactamente aquele que sai do terceiro fio das ventoinhas (fans) do PC que têm 3 (ou 4 fios)! Estas ventoinhas não têm qualquer circuito extra para medir a velocidade do motor. Elas usam o sinal do sensor Hall. Cada revolução irá gerar dois pulsos. Com um circuito de medição de frequência simples, qualquer pessoa pode medir com precisão a velocidade de rotação do motor rpm.

Um motor brushless real tem 4 bobinas

Na vida real, os motores BLDC têm geralmente 4 bobinas e 4 ímanes. Além disso, o sensor Hall é capaz não só de ver se um campo magnético está em frente dele, mas também é capaz de distinguir se este é o pólo Norte ou o pólo Sul. Este é como se parece um motor BLDC real:

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Ao redor do perímetro do rotor, há 4 ímanes num padrão N-S-N-S. Há também quatro bobinas. Os enrolamentos das bobinas não são todos da mesma direcção. Duas bobinas vizinhas nunca podem ter a mesma polaridade magnética. As bobinas são ligadas em pares, cada uma com a sua bobine oposta, ou de outro modo, dois pares de bobinas vizinhas como mostrado no desenho acima.

O ciclo de operação mais simples é, de acordo com o pólo que está na frente do sensor Hall, o controlador irá ligar ou desligar o par bobinas adequado. A animação a seguir demonstra o ciclo de operação:

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E quando o sensor Hall está entre os dois pólos?

O que vai acontecer se o rotor está parado numa posição onde o sensor Hall está exactamente entre dois pólos diferentes? Olhe para o exemplo do desenho a seguir:

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Pode acontecer... Agora, o sensor Hall não pode perceber exactamente qual é pólo que está na frente dele. Bem, este não é realmente um grande problema... Suponha que o sensor detecta o pólo errado e dá energia às bobinas erradas. O que vai acontecer? Por uma fracção de um milissegundo o motor vai tentar rodar no sentido errado. Mas alguns graus de rotação irão trazer o pólo correcto para a frente do sensor Hall e vai imediatamente mudar as bobinas. Assim, o motor irá girar no sentido correcto.

Mas e se o motor controla uma carga crítica e esta rotação para trás, mesmo que seja só 5º não deve ocorrer? Há uma solução para isso, mas requer a utilização de outro sensor Hall. O segundo sensor será colocado, com 45 º de diferença do primeiro:

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Agora, mesmo se o primeiro sensor Hall não pode ter uma leitura correcta, o segundo sensor Hall pode distinguir claramente o pólo magnético. O controlador vai aceitar como “leitura correcta” a leitura que vem do sensor com sinal mais intenso.

Motores DC Brushless Sem Sensor (Sensorless BLDCs)

Uma outra variante de motores brushless. Usando um sensor Hall irá resultar num aumento do preço global do motor. Além disso, há situações em que um sensor não pode ser usado, como por exemplo, bombas submersíveis, ou em aplicações onde os fios devem ser mantidos ao mínimo.

Em tais aplicações, pode ser usado o motor BLDC sem sensor. O funcionamento deste motor baseia-se no efeito BEMF (Back Electro-Magnetic Force). O efeito BEMF (força contra-eletromotriz) é induzido pelo movimento de um íman permanente na frente da bobina do estator.

Há dois problemas que devem ser resolvidos para o bom funcionamento do motor. O primeiro de todos, a direcção de rotação. Como nenhum sensor é utilizado, o controlador não pode saber onde o rotor está parado a qualquer momento. Assim, a direcção da rotação em que o motor vai começar é, pelo menos para os primeiros graus, uma questão de sorte. O outro problema é a detecção de zero. O controlador não saber quando mudar a polaridade das bobinas, como não há sensor para detectar quando o pólo do ímã permanente atravessa um ponto específico.

Há chips controladores especialmente desenhados para resolver estes problemas. Os chips vão utilizar as características do BEMF e a tensão gerada na bobina pelo efeito BEMF. Por exemplo, a corrente produzida na bobina devido ao efeito BEMF mudará a sua polaridade, se a rotação do íman permanente é mudada. Além disso, a amplitude da onda produzida é proporcional à velocidade dos rotores e a fase da forma de onda depende da posição do ímã permanente em relação à bobina.

Referencias:

How Brushless Motors Work (BLDC Motors)

Motor de corrente contínua sem escovas

Como funciona um motor elétrico sem escovas

Motor C.C. sem escovas

 
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