Os motores brushless se tornaram extremamente comuns no aeromodelismo, nautimodelismo e automodelismo, mas isso não significa que os tradicionais motores escovados tenham perdido sua utilidade.
Eles continuam aparecendo em muitos projetos, principalmente quando queremos uma solução:
simples;
barata;
robusta;
fácil de encontrar;
adequada para aplicações de baixa ou média complexidade.
Em um dos meus projetos, por exemplo, utilizei o conhecido motor 550, alimentado com 12 V. No conjunto que montei, ele apresentava consumo próximo de 4 A sob carga. É um motor encontrado inclusive em ferramentas como parafusadeiras, normalmente associado a sistemas de redução.
Mas existe uma questão importante:
como controlar a velocidade desse motor através do rádio controle?
Para isso precisamos de um ESC — Electronic Speed Controller.
E o interessante é que podemos construir uma solução caseira aproveitando a eletrônica existente dentro de um velho servo.
O que é um ESC?
ESC significa Electronic Speed Controller, ou controlador eletrônico de velocidade.
Sua função é controlar eletronicamente a potência entregue ao motor de acordo com o comando recebido pelo receptor do rádio controle.
Podemos representar o sistema assim:
Transmissor
↓
Receptor
↓
ESC
↓
Motor
Quando movimentamos o stick do acelerador, o receptor envia o comando ao ESC.
O ESC interpreta esse comando e controla a energia fornecida ao motor.
ESC para motor escovado e brushless são diferentes
Esse ponto é fundamental.
Um motor escovado normalmente possui:
dois fios.
Já um motor brushless normalmente possui:
três fios.
Consequentemente, os controladores também são diferentes. No artigo original, essa é justamente uma das maneiras mais simples de perceber visualmente a diferença entre os dois tipos de ESC.
Portanto, o circuito apresentado aqui é destinado ao princípio de controle de um:
motor DC escovado.
Por que um motor escovado possui apenas dois fios?
No motor escovado, a comutação necessária para manter o rotor girando é realizada mecanicamente pelas escovas e pelo comutador existentes dentro do próprio motor.
Assim, externamente precisamos basicamente fornecer energia aos dois terminais.
Em sua forma mais simples:
positivo → motor → negativo.
Se controlarmos a energia entregue ao motor, conseguimos controlar sua velocidade.
O problema é interpretar o comando do rádio
Se quiséssemos construir todo o circuito eletrônico do ESC do zero, precisaríamos primeiro interpretar o sinal produzido pelo receptor.
O circuito teria que descobrir:
em que posição está o stick?
Depois precisaria transformar essa informação em controle de potência para o motor.
É perfeitamente possível fazer isso eletronicamente.
Mas existe uma solução muito mais simples para quem está começando.
Podemos aproveitar a eletrônica de um servo
Foi justamente essa a ideia do projeto que construí.
Dentro de um servo RC já existe uma pequena placa eletrônica capaz de interpretar o sinal recebido do receptor.
Pense no funcionamento normal do servo:
Rádio
↓
Receptor
↓
Sinal RC
↓
Eletrônica do servo
↓
Motor do servo
↓
Movimento.
A placa já sabe interpretar aquilo que fazemos no stick.
Então podemos aproveitar essa eletrônica em nosso projeto.
Um servo velho pode virar a base do nosso ESC
Em vez de desenvolver do zero toda a etapa responsável por interpretar o sinal do receptor, aproveitamos uma placa que já faz isso.
Retiramos a pequena eletrônica do servo e utilizamos seu comportamento para controlar um estágio de potência externo.
Essa é a grande sacada da montagem.
A parte mais complicada já está praticamente pronta.
O circuito fica muito simples
No projeto original, além da eletrônica retirada do servo, utilizei basicamente mais dois componentes:
um resistor;
um transistor de potência.
O transistor é o componente que passa a controlar a corrente destinada ao motor.
Assim podemos imaginar:
Receptor
↓
Placa eletrônica do servo
↓
Resistor
↓
Transistor de potência
↓
Motor escovado
Por que não ligar o motor diretamente na placa do servo?
Porque o pequeno motor existente originalmente dentro do servo exige uma corrente muito diferente daquela necessária para movimentar um motor de propulsão.
Imagine tentar controlar um motor 550 diretamente com a pequena eletrônica destinada ao motor interno do servo.
Não é uma boa ideia.
Precisamos de um componente capaz de trabalhar com uma corrente muito maior.
É aí que entra o transistor de potência.
O transistor funciona como o elemento de controle de potência
Podemos pensar no transistor como um dispositivo eletrônico capaz de utilizar um pequeno sinal de controle para comandar uma corrente maior.
A eletrônica do servo fornece o comando.
O transistor controla a energia destinada ao motor.
Portanto:
eletrônica do servo = interpretação do comando
e:
transistor = controle da corrente do motor.
Essa divisão torna o projeto relativamente simples.
O resistor também faz parte do circuito
O resistor utilizado no projeto participa da interface entre a eletrônica do servo e o transistor.
Sua função depende da configuração exata utilizada, mas o ponto importante é que não devemos simplesmente conectar terminais aleatoriamente.
Precisamos respeitar o circuito apresentado na montagem.
Mesmo um projeto com poucos componentes precisa ser montado corretamente.
O que acontece quando movimentamos o stick?
Imagine o motor inicialmente parado.
Movimentamos o stick.
O receptor modifica o sinal enviado ao circuito.
A eletrônica retirada do servo interpreta essa mudança.
O transistor passa então a permitir a circulação de corrente pelo motor.
Quanto maior o comando dentro da faixa implementada pelo circuito, maior o acionamento do motor. Esse é o princípio descrito na montagem original.
O transistor trabalha com corrente elevada
Existe uma diferença enorme entre controlar um LED e controlar um motor.
Um motor como o 550 utilizado no meu projeto pode exigir vários amperes.
Além disso, a corrente de partida pode ser significativamente maior que a corrente observada depois que o motor já está girando.
Isso significa que o transistor precisa ser corretamente dimensionado.
Não escolha o transistor apenas pela corrente máxima escrita no datasheet
Esse é um cuidado muito importante.
Em um comentário no artigo original, surgiu justamente a pergunta sobre quantos amperes o ESC caseiro poderia suportar.
Na época respondi que o componente utilizado possuía especificação de corrente de dreno de 35 A, mas também deixei claro que nunca havia utilizado o circuito perto desse limite e, portanto, não poderia garantir operação nessa condição. Minha recomendação foi fazer testes de bancada e utilizar um bom dissipador.
Esse cuidado continua válido.
Um componente ter “35 A” escrito em sua especificação não significa automaticamente que nossa montagem completa funcionará continuamente com 35 A.
A dissipação térmica é fundamental
Quando o transistor controla uma corrente significativa, existe dissipação de potência.
Parte da energia elétrica acaba transformada em calor.
O resultado é simples:
o transistor esquenta.
No projeto original, esse aquecimento já era uma preocupação importante e por isso utilizei um dissipador de calor.
O que é um dissipador de calor?
É uma peça, normalmente metálica e geralmente feita de alumínio, destinada a facilitar a transferência de calor do componente para o ambiente.
Podemos pensar:
Transistor
↓
calor
↓
dissipador
↓
ar.
Quanto melhor conseguirmos retirar o calor do componente, melhores serão suas condições de funcionamento dentro dos limites do projeto.
Pasta térmica também pode ajudar
Entre o componente eletrônico e o dissipador podem existir pequenas irregularidades superficiais.
A pasta térmica é utilizada para melhorar o contato térmico entre as superfícies.
No artigo original também destaquei sua utilização junto ao dissipador.
Ela não substitui o dissipador.
Ela ajuda na transferência de calor entre o componente e ele.
O motor também gera interferências elétricas
Motores escovados possuem uma característica importante:
as próprias escovas e o comutador produzem ruído elétrico durante o funcionamento.
Isso pode interferir em outros equipamentos do modelo.
Por isso, dependendo da montagem, pode ser interessante utilizar técnicas de supressão de ruído adequadas ao motor e à aplicação.
Essa preocupação se torna ainda mais importante quando temos receptor e eletrônica sensível próximos do motor.
Os fios de potência precisam ser dimensionados
Se o motor consome vários amperes, essa corrente também passa pelos:
fios;
conectores;
soldas;
trilhas ou ligações do circuito.
Não adianta utilizar um transistor capaz de suportar corrente elevada e fazer o restante da montagem com fios inadequados.
Todo o caminho da corrente precisa ser considerado.
Os conectores também podem aquecer
Um conector ruim apresenta resistência.
Quando circula corrente elevada, essa resistência produz dissipação de potência.
Resultado:
aquecimento.
Depois dos primeiros testes, verifique cuidadosamente:
conectores;
fios;
soldas;
transistor;
motor.
A temperatura pode revelar rapidamente um ponto problemático da montagem.
Faça primeiro o teste sem carga
Depois de terminar o circuito, não coloque imediatamente o barco na água.
Primeiro teste na bancada.
Faça o motor girar sem carga mecânica significativa.
Observe:
se responde ao stick;
se parte corretamente;
se varia a velocidade;
se existe comportamento inesperado;
se algum componente começa a aquecer rapidamente.
Somente depois avance.
Depois faça testes progressivos
Uma boa sequência é aumentar gradualmente a exigência.
Primeiro:
motor sem carga.
Depois:
pequenos períodos de funcionamento.
Depois:
carga real ou próxima da aplicação.
E durante todo o processo acompanhe a temperatura dos componentes.
Isso é especialmente importante em um ESC experimental.
A corrente do motor muda com a carga
Esse ponto precisa ser entendido.
Um motor não consome sempre a mesma corrente.
Imagine um motor girando livremente sobre a bancada.
Agora coloque esse mesmo motor movimentando uma hélice dentro da água.
A carga mecânica aumentou muito.
Consequentemente, a corrente também pode aumentar significativamente.
Portanto, medir apenas o motor girando livremente não é suficiente para determinar o consumo real da aplicação.
No meu projeto utilizei um motor 550
O motor citado no projeto original trabalhava com 12 V e apresentava consumo próximo de 4 A sob a condição de carga que utilizei.
Essa informação não deve ser utilizada como uma especificação universal para todos os motores 550.
Existem diferentes motores dessa família, diferentes enrolamentos e diferentes aplicações.
Além disso, a carga mecânica modifica o consumo.
O correto é medir o seu próprio conjunto.
Utilize um multímetro ou instrumento apropriado
A medição de corrente permite verificar o que realmente está acontecendo.
Podemos ter:
Bateria → instrumento de medição → ESC → motor.
Assim conseguimos observar a corrente exigida pelo conjunto.
Mas atenção:
o instrumento precisa suportar a corrente medida e ser conectado corretamente.
Nunca coloque um multímetro configurado para medir corrente diretamente em paralelo com uma bateria.
Um wattímetro é muito útil no modelismo
Para aplicações de potência em corrente contínua, um wattímetro apropriado pode facilitar bastante os testes.
Ele pode permitir observar grandezas como:
tensão;
corrente;
potência.
Isso ajuda a verificar se o conjunto está operando dentro daquilo que planejamos.
O ESC caseiro pode ser utilizado em barcos RC
Foi justamente onde utilizei essa solução.
Montei o circuito e coloquei em dois dos meus barcos, onde funcionou bem.
Motores escovados continuam sendo interessantes para muitos nautimodelos, principalmente quando não buscamos necessariamente altas rotações ou a relação peso/potência de um sistema brushless.
E o circuito realmente funcionou?
Sim.
No relato original, contei que utilizei esse ESC caseiro nos dois barcos sem problemas durante o funcionamento normal.
Mas também aconteceu uma história que mostra uma limitação importante desse tipo de montagem.
Meu barco virou
Eu estava navegando em um espelho d’água quando apareceu uma rajada de vento muito forte.
O local favorecia ventos canalizados.
O barco acabou virando.
E aconteceu aquilo que eletrônica e água normalmente fazem quando se encontram da maneira errada:
o ESC caseiro queimou.
Fora esse episódio, o circuito funcionou bem nos meus barcos.
Água e eletrônica não combinam
No nautimodelismo, não basta pensar apenas no funcionamento elétrico.
Precisamos pensar também em proteção física.
Dentro do barco podemos ter:
receptor;
ESC;
servo;
bateria;
conectores;
outros circuitos.
Se o barco virar ou houver uma infiltração significativa, todos esses componentes podem ser atingidos.
Proteja o circuito dentro do casco
Uma possibilidade é posicionar a eletrônica em uma região menos sujeita à entrada de água.
Também podemos pensar em:
compartimentos;
caixas apropriadas;
proteções contra respingos;
organização da fiação.
Mas qualquer proteção precisa considerar também a dissipação de calor.
Não feche um transistor quente em uma caixa sem ventilação
Aqui aparece um conflito interessante.
Queremos proteger contra água.
Mas também precisamos retirar calor.
Se colocarmos o transistor e o dissipador dentro de uma caixa completamente fechada, podemos prejudicar a refrigeração.
Por isso, a instalação precisa equilibrar:
proteção contra água
e
dissipação térmica.
ESC caseiro e ESC comercial não são necessariamente equivalentes
Construir o próprio ESC é uma experiência excelente para aprender eletrônica.
Mas um ESC comercial pode incorporar recursos adicionais, dependendo do modelo:
proteções;
reversão;
freio;
BEC;
limites programáveis;
proteção térmica;
proteção contra subtensão;
outros recursos.
Nosso circuito caseiro precisa ser avaliado pelo que efetivamente implementamos.
Este projeto é especialmente interessante pelo aprendizado
Podemos simplesmente comprar um ESC.
Ligamos:
bateria;
motor;
receptor.
E funciona.
Mas construindo um controlador começamos a perguntar:
Como o receptor envia o comando?
Como a eletrônica do servo interpreta esse comando?
Como um transistor controla uma corrente maior?
Por que ele esquenta?
Para que serve um dissipador?
Por que precisamos medir a corrente?
É aí que o projeto se torna muito mais interessante.
A eletrônica do servo resolve uma parte complicada
Essa talvez seja a principal ideia da montagem.
O servo já contém um circuito desenvolvido para interpretar comandos provenientes do receptor RC.
Em vez de recriar essa parte, nós a reutilizamos.
Assim conseguimos concentrar o projeto no estágio de potência.
No artigo original, foi justamente essa estratégia que permitiu reduzir a montagem basicamente à placa do servo e mais dois componentes externos: resistor e transistor.
É também uma ótima maneira de reaproveitar um servo
Às vezes temos um servo que apresentou problema mecânico.
Quebrou:
engrenagem;
eixo;
carcaça.
Mas a eletrônica continua funcionando.
Em vez de jogar tudo fora, podemos aproveitar a placa em experiências.
Isso é muito comum para quem gosta de eletrônica aplicada ao modelismo:
uma peça quebrada pode virar matéria-prima para outro projeto.
Podemos pensar no ESC em blocos
Uma maneira interessante de compreender a montagem é separá-la em funções.
Bloco 1 — comando
O transmissor envia aquilo que fazemos no stick.
Bloco 2 — recepção
O receptor recebe o comando e disponibiliza o sinal no canal correspondente.
Bloco 3 — interpretação
A placa retirada do servo interpreta o sinal.
Bloco 4 — potência
O transistor controla a corrente destinada ao motor.
Bloco 5 — carga
O motor transforma energia elétrica em movimento.
Assim:
Transmissor → Receptor → Placa do servo → Transistor → Motor
Quando enxergamos o circuito dessa maneira, fica muito mais fácil compreender aquilo que cada parte está fazendo.
O projeto também ajuda a entender o próprio servo
Depois de desmontar um servo, percebemos que ele não é simplesmente:
um motor com três fios.
Dentro dele existem:
motor;
engrenagens;
sensor de posição;
placa eletrônica.
A eletrônica recebe o comando do rádio e compara com a posição real do mecanismo.
No nosso projeto, estamos aproveitando justamente parte dessa capacidade de controle.
Tenha cuidado ao desmontar o servo
Antes de desmontar um servo funcional, considere utilizar uma unidade velha ou com problema mecânico.
Abra a carcaça cuidadosamente.
Observe a posição dos fios.
Fotografe antes de dessoldar qualquer coisa.
Identifique:
alimentação;
GND;
sinal;
ligações do motor;
ligações do sistema de realimentação.
Não comece cortando fios sem saber o que cada um faz.
Teste a placa antes de montar o ESC
Depois de retirar a eletrônica, vale confirmar se ela ainda responde ao receptor.
Faça os testes com cuidado e sem o motor de potência conectado inicialmente.
Isso ajuda a separar problemas.
Se a placa não responde, resolva essa etapa antes de acrescentar o transistor e o motor.
Monte tudo primeiro na bancada
Uma sequência interessante é:
- Separe um servo cuja eletrônica esteja funcionando.
- Abra o servo e identifique sua placa.
- Estude as conexões antes de remover componentes.
- Prepare o transistor e o resistor utilizados no circuito.
- Monte o estágio de potência.
- Instale um dissipador adequado no transistor.
- Confira cuidadosamente todas as ligações.
- Conecte o circuito ao receptor.
- Faça o primeiro teste com baixa exigência.
- Verifique a resposta ao stick.
- Meça a corrente do motor.
- Observe o aquecimento.
- Aumente a carga gradualmente.
- Somente depois instale o conjunto definitivamente no modelo.
Não pule a etapa de medição
Um circuito aparentemente funcionando não significa que tudo esteja corretamente dimensionado.
O motor gira.
Ótimo.
Mas:
quanto está consumindo?
quanto o transistor está dissipando?
qual é a temperatura depois de alguns minutos?
os fios estão aquecendo?
os conectores estão aquecendo?
Essas perguntas são tão importantes quanto simplesmente verificar se o motor gira.
Faça experiências controladas
No comentário deixado no artigo, quando fui perguntado sobre a possibilidade de utilizar correntes maiores, minha recomendação foi justamente realizar experiências na bancada.
Essa é a maneira correta de evoluir um circuito caseiro.
Não comece testando no limite.
Aumente gradualmente a carga.
Meça.
Observe.
Compare com as especificações.
Um dissipador maior pode ser necessário
Quanto maior a potência dissipada pelo transistor, maior tende a ser a necessidade de retirar calor.
Por isso, um pequeno dissipador que funciona perfeitamente em uma aplicação de poucos amperes pode não ser suficiente em outra aplicação.
Além do dissipador, a ventilação e a temperatura ambiente também influenciam.
A montagem mecânica também importa
Não deixe o transistor pesado ou o dissipador sustentado apenas pelos terminais do componente.
Vibrações podem provocar falhas.
Prenda adequadamente:
placa;
dissipador;
fios;
conectores.
Em um barco RC, o conjunto estará sujeito a vibração e movimento durante toda a navegação.
Isolamento elétrico merece atenção
Dependendo do componente utilizado, a parte metálica associada ao transistor pode possuir conexão elétrica com um de seus terminais.
Isso significa que simplesmente parafusá-lo em qualquer peça metálica pode criar uma conexão indesejada.
Portanto, verifique sempre o datasheet do componente e a forma correta de instalação no dissipador.
Um fusível pode ser interessante durante os testes
Em montagens experimentais, algum tipo de proteção adequadamente dimensionada pode ajudar a limitar consequências de falhas.
Um erro de ligação em um circuito conectado a uma bateria capaz de fornecer corrente elevada pode provocar rapidamente:
aquecimento;
danos aos fios;
danos aos componentes.
Quanto maior a potência, menos espaço existe para improvisações.
Observe a polaridade antes de conectar a bateria
Esse cuidado parece básico, mas é essencial.
Marque claramente:
positivo
e
negativo.
Utilize conectores que reduzam a possibilidade de inversão.
Antes da primeira energização, confira novamente o circuito.
Alguns segundos de verificação podem evitar destruir componentes.
Por que construir se podemos comprar um ESC pronto?
Porque construir ensina coisas que simplesmente comprar não ensina.
Quando o circuito funciona pela primeira vez e o motor começa a responder ao stick, conseguimos enxergar toda a cadeia:
meu dedo movimenta o stick
↓
o transmissor envia o comando
↓
o receptor produz um sinal
↓
a eletrônica interpreta
↓
o transistor controla potência
↓
o motor gira.
Isso transforma conceitos de eletrônica em algo visível.
E depois podemos evoluir o projeto
Depois de compreender essa montagem simples, começam a surgir novas perguntas.
Como fazer:
reversão do motor?
proteção contra sobrecorrente?
controle com MOSFET?
controle através de microcontrolador?
PWM?
frenagem?
monitoramento de corrente?
É exatamente assim que um projeto simples abre caminho para projetos muito mais avançados.
Veja no vídeo como montei meu ESC
No vídeo da página mostro a ideia utilizada para construir o controlador aproveitando a eletrônica existente dentro de um servo.
A proposta foi justamente evitar um circuito complexo para interpretar o sinal do receptor e utilizar uma solução que já possuía essa função pronta.
Com a placa do servo, um resistor, um transistor e o devido cuidado com a dissipação térmica, consegui construir um controlador simples que utilizei em dois dos meus barcos.
E talvez essa seja a parte mais interessante do projeto:
não é apenas um ESC barato.
É uma maneira muito prática de entender como o rádio controle pode comandar eletronicamente um motor de potência.
Quer aprender elétrica e eletrônica aplicadas ao rádio controle?
Construir um ESC caseiro reúne vários conceitos importantes da eletrônica:
resistores;
transistores;
corrente;
tensão;
potência;
dissipação térmica;
motores elétricos;
receptor RC;
controle de velocidade.
Em vez de simplesmente comprar um módulo e conectar os fios, você começa a compreender por que o circuito funciona, como os componentes trabalham e como a eletrônica permite transformar um comando do rádio em movimento no seu modelo.
espetacular..Falta uma coisa..Eu tenho uns esc de 20 amperes comprados de fábrica..O meu avião de 130 cm de envergadura tem um mor com escovas..Acontece que o esc aquece muito..Quantos amperes esse esc caseiro aguenta? é possivel aumentar a capacidade em amperes ? obrigado
Pela especificação do componente, a corrente de dreno suportada por ele é de 35A. Eu nunca cheguei nem perto disso. Por isso não posso dar certeza. Mas você vai precisar de um bom dissipador de calor também. Aconselho fazer experiências na bancada.