Em muitos projetos de eletrônica e modelismo precisamos controlar a velocidade de um motor de corrente contínua, mas nem sempre queremos fazer isso utilizando rádio controle, receptor e ESC.
Às vezes precisamos apenas de algo muito mais simples:
girar um botão e escolher manualmente a velocidade do motor.
Podemos construir nosso próprio circuito para fazer isso. Com poucos componentes é possível montar um controlador.
Mas existe uma alternativa ainda mais simples: utilizar uma pequena placa controladora PWM pronta, barata e fácil de encontrar.
Foi justamente essa solução que testei para controlar motores escovados de corrente contínua. A placa utilizada trabalha com alimentação entre 3 V e 35 V, suporta até 5 A e potência indicada de até 90 W.
Quando é interessante controlar manualmente a velocidade de um motor?
No rádio controle normalmente queremos que a velocidade responda ao transmissor.
Nesse caso utilizamos um ESC.
Mas existem várias aplicações em que o motor ficará próximo de nós e queremos simplesmente determinar uma velocidade de funcionamento.
Por exemplo:
ventiladores;
pequenas bombas;
mecanismos;
experiências de bancada;
ferramentas caseiras;
projetos de modelismo;
motores reaproveitados de outros equipamentos.
Nessas situações, utilizar todo um sistema de rádio controle seria completamente desnecessário.
Um pequeno controlador manual pode resolver o problema.
O que muitas pessoas chamam de reostato?
Quando pensamos em controlar manualmente a corrente de uma carga, é comum aparecer o termo reostato.
Um reostato tradicional é essencialmente uma resistência variável capaz de controlar a corrente.
Mas existe um problema quando pensamos em motores de potência:
controlar a velocidade simplesmente dissipando energia em uma resistência pode ser bastante ineficiente.
Parte da energia acaba transformada em calor.
A pequena placa que utilizei trabalha de uma maneira diferente.
Ela controla o motor através de PWM — Pulse Width Modulation, ou modulação por largura de pulso.
O que é PWM?
A ideia do PWM é muito interessante.
Em vez de simplesmente colocar uma grande resistência em série com o motor, o circuito liga e desliga a alimentação rapidamente.
O motor recebe uma sequência de pulsos elétricos.
Podemos imaginar:
LIGA → DESLIGA → LIGA → DESLIGA → LIGA…
Isso acontece rapidamente.
O que alteramos é o tempo em que a saída permanece ligada dentro de cada ciclo.
Entendendo o duty cycle
O chamado duty cycle, ou ciclo de trabalho, representa a proporção de tempo em que o sinal permanece ativo.
Imagine um ciclo.
Se a alimentação permanece ligada durante pouco tempo:
LIGADO 20% | DESLIGADO 80%
temos um duty cycle de aproximadamente 20%.
Se aumentamos:
LIGADO 50% | DESLIGADO 50%
temos aproximadamente 50%.
E se chegamos próximo de:
LIGADO 100% | DESLIGADO 0%
o motor recebe praticamente alimentação contínua.
Assim conseguimos variar a potência média entregue ao motor.
O potenciômetro da placa controla a velocidade
A pequena placa possui um potenciômetro com botão.
Ao girá-lo, alteramos o controle PWM.
Na prática, para quem está utilizando o circuito, tudo fica extremamente simples:
gire para um lado → diminui a velocidade
gire para o outro → aumenta a velocidade.
Não precisamos gerar PWM externamente nem programar microcontrolador.
O circuito da própria placa faz isso.
A placa que utilizei trabalha entre 3 V e 35 V
Esse é um intervalo bastante interessante para pequenos projetos em corrente contínua.
Segundo as especificações da placa utilizada no projeto, sua tensão de funcionamento é de 3 V até 35 V.
Isso não significa, entretanto, que podemos ligar qualquer motor nessa faixa em qualquer tensão.
A placa pode aceitar determinada tensão.
O motor possui sua própria tensão de trabalho.
São duas especificações diferentes.
A tensão deve ser compatível com o motor
Imagine um motor projetado para 6 V.
O controlador aceitar 35 V não significa que podemos alimentar o conjunto com 35 V e esperar que o motor fique protegido.
O controlador não deve ser confundido com uma fonte regulada que automaticamente limita a tensão máxima adequada ao motor.
Portanto, precisamos verificar:
tensão da fonte;
tensão adequada ao motor;
limites do controlador.
Todos precisam ser compatíveis.
A placa suporta corrente máxima de 5 A
Outra especificação importante do modelo utilizado é a corrente máxima indicada de 5 A.
Esse valor precisa ser observado com bastante atenção.
Um motor pode consumir pouca corrente quando está girando livremente e exigir muito mais quando recebe carga mecânica.
Isso significa que não basta dizer:
“Meu motor é de 12 V, então esta placa serve.”
Precisamos conhecer também a corrente.
A corrente do motor depende da carga
Faça uma experiência.
Coloque um pequeno motor DC para girar livremente.
Ele consome determinada corrente.
Agora coloque esse motor para movimentar:
uma hélice;
uma roda;
uma bomba;
uma correia;
uma carga mecânica.
A corrente aumenta.
Quanto maior a resistência mecânica enfrentada pelo motor, maior pode ser a corrente exigida.
O pior caso pode ocorrer quando o motor trava
Essa condição merece atenção especial.
Quando o eixo está girando normalmente, existe uma força contraeletromotriz que ajuda a limitar a corrente.
Quando o motor fica bloqueado, essa condição muda.
A corrente pode subir bastante.
Por isso, ao escolher um controlador, não devemos considerar apenas uma medição feita com o motor girando sem carga.
Como descobrir o consumo do motor?
Podemos medir.
Um multímetro adequado ou outro instrumento de medição de corrente pode ser colocado corretamente no circuito para observar o consumo.
Podemos fazer medições em diferentes condições:
motor sem carga;
motor trabalhando normalmente;
momentos de maior esforço.
Assim temos uma ideia muito melhor daquilo que o controlador precisará suportar.
A placa também possui limite de potência
A pequena placa utilizada no projeto é indicada para até 90 W.
A potência elétrica pode ser relacionada à tensão e à corrente.
Por exemplo, se tivermos 12 V e 4 A:
P = 12 × 4 = 48 W
Nesse exemplo, estamos falando de 48 W de potência elétrica.
Mas não devemos olhar apenas para o limite de potência e ignorar o limite de corrente.
Se a placa possui limite de 5 A, esse limite continua existindo.
Não basta fazer 35 V × 5 A
Talvez você tenha percebido uma coisa interessante.
Se multiplicarmos:
35 V × 5 A = 175 W.
Mas a placa é anunciada como 90 W.
Isso mostra exatamente por que precisamos respeitar todas as especificações simultaneamente.
Não podemos simplesmente assumir que todos os valores máximos podem ocorrer ao mesmo tempo.
Em eletrônica, máximos individuais nem sempre representam uma condição simultaneamente permitida.
A ligação é muito simples
Uma das vantagens dessa placa é justamente não precisar montar um circuito do zero.
Ela já possui terminais para conexão.
Na própria parte inferior existem indicações das conexões de alimentação e do motor.
Basicamente teremos:
Fonte DC
↓
Controlador PWM
↓
Motor escovado DC
A fonte alimenta a placa.
A placa controla a energia enviada ao motor.
Não é necessário soldar os fios
Outra característica interessante da placa que utilizei é o sistema de terminais com parafusos.
Os fios podem ser presos utilizando uma pequena chave Phillips, sem necessidade de soldagem.
Isso facilita bastante para quem está começando.
Descascamos corretamente a ponta do fio.
Inserimos no terminal.
Apertamos o parafuso.
E fazemos a conexão.
Mesmo sem solda, faça uma boa conexão
Não deixe cobre excessivamente exposto.
Também não coloque apenas alguns filamentos do fio dentro do terminal.
O fio precisa estar firmemente preso.
Depois de apertar, puxe-o levemente para verificar se realmente ficou fixado.
Uma conexão frouxa pode produzir:
mau contato;
queda de tensão;
aquecimento;
funcionamento intermitente.
Observe cuidadosamente a polaridade
Antes de energizar a placa, identifique:
positivo da alimentação;
negativo da alimentação;
terminais destinados ao motor.
Não confie apenas na posição física dos conectores.
Leia as marcações existentes na própria placa.
No modelo utilizado no projeto, essas informações aparecem indicadas no circuito.
O motor escovado normalmente possui dois fios
Essa é uma característica que ajuda a identificar o tipo de aplicação.
Um motor DC escovado normalmente possui dois terminais de alimentação.
Aplicamos tensão e ele gira.
Invertimos a polaridade e ele gira no sentido contrário.
Isso torna seu controle relativamente simples.
Esta placa é para motores escovados
Esse ponto é fundamental.
O controlador mostrado no projeto é destinado ao controle de velocidade de motores escovados de corrente contínua.
Não devemos confundir esse motor com um brushless, ou motor sem escovas.
O funcionamento é diferente.
Consequentemente, o circuito necessário para controlá-lo também é diferente.
Por que não podemos usar essa placa em um motor brushless?
Um motor brushless convencional utilizado no modelismo normalmente possui três fios de potência.
Ele precisa que as fases sejam acionadas eletronicamente em uma sequência apropriada.
Quem faz esse trabalho é o ESC brushless.
Não basta simplesmente fornecer um PWM através de dois terminais como fazemos com um motor DC escovado.
Por isso:
motor brushed → controlador apropriado para brushed
motor brushless → ESC/controlador apropriado para brushless.
O controle PWM é melhor do que simplesmente colocar uma resistência?
Para controle de potência de motores DC, PWM costuma ser uma solução muito mais interessante do que simplesmente desperdiçar potência em uma grande resistência variável.
No controle resistivo, parte significativa da energia pode virar calor na própria resistência.
Com PWM, utilizamos chaveamento eletrônico.
Isso permite um controle de potência mais eficiente.
É justamente o princípio empregado pela pequena placa apresentada no projeto.
Isso significa que a placa não esquenta?
Não.
Nenhum componente eletrônico real é perfeitamente eficiente.
Existem perdas.
Quando a corrente aumenta, componentes da placa podem aquecer.
Por isso, devemos respeitar suas especificações e observar o comportamento durante os testes.
Se alguma coisa estiver aquecendo excessivamente, interrompa o funcionamento e investigue.
Comece sempre com o potenciômetro na posição mínima
Antes de ligar a alimentação pela primeira vez, coloque o controle de velocidade no mínimo.
Depois energize o circuito.
Agora aumente lentamente.
Isso evita que o motor entre imediatamente em alta rotação.
É uma prática especialmente importante quando estamos testando uma montagem nova.
Faça o primeiro teste sem carga mecânica
Se possível, teste inicialmente o motor livre.
Observe:
o motor começa a girar?
a velocidade varia suavemente?
existe algum ruído estranho?
a placa aquece rapidamente?
os fios aquecem?
Depois podemos testar na aplicação real.
A velocidade pode não variar perfeitamente de zero até o máximo
Um motor real possui:
atrito;
carga;
inércia;
características elétricas próprias.
Em duty cycles muito baixos, talvez ele não consiga partir.
Podemos girar um pouco o potenciômetro e o motor permanecer parado.
Aumentamos mais.
De repente ele começa a girar.
Isso não significa necessariamente que o controlador esteja com defeito.
Pode simplesmente não existir torque suficiente para vencer o atrito naquela condição.
O motor pode produzir um pequeno ruído
Dependendo da frequência PWM utilizada pelo controlador, podemos perceber algum som produzido pelo motor.
Isso acontece porque o acionamento pulsado pode provocar vibrações dentro da faixa audível.
A intensidade depende do:
motor;
controlador;
frequência PWM;
carga mecânica.
Em algumas aplicações praticamente não percebemos.
Em outras, o ruído fica evidente.
Onde podemos utilizar uma placa como essa?
As possibilidades são enormes.
Ela pode ser utilizada em experiências com:
pequenos ventiladores;
motores de bancada;
bombas DC compatíveis;
mecanismos giratórios;
projetos de modelismo;
motores reaproveitados;
experimentos escolares;
pequenas ferramentas experimentais.
Sempre respeitando tensão, corrente e potência do conjunto.
É excelente para testar motores reaproveitados
Quem gosta de desmontar equipamentos acaba acumulando motores.
Encontramos motores em:
impressoras;
brinquedos;
aparelhos antigos;
mecanismos automotivos;
ferramentas;
equipamentos eletrônicos.
Uma pequena fonte DC e um controlador PWM formam uma bancada muito útil para experimentar esses motores.
Também pode ser usada para encontrar uma velocidade adequada
Imagine que você está construindo um mecanismo e ainda não sabe qual velocidade deseja.
Em vez de calcular tudo inicialmente, podemos fazer um teste.
Ligamos o motor ao controlador.
Giramos o potenciômetro.
Observamos o mecanismo.
Quando encontramos uma faixa interessante, temos uma referência para desenvolver a versão definitiva.
No modelismo existem várias aplicações que não precisam do rádio
Nem todo motor existente em um modelo precisa necessariamente responder ao transmissor.
Imagine um barco RC com algum mecanismo auxiliar funcionando continuamente.
Ou uma pequena bomba.
Ou um motor utilizado em uma bancada para testes de hélices.
Em algumas situações, um ajuste manual é suficiente.
Foi justamente esse tipo de aplicação que motivou o uso dessa pequena placa: controlar a velocidade sem precisar utilizar o sistema de rádio controle.
Podemos usar uma bateria como alimentação?
Desde que a tensão esteja dentro das especificações do controlador e seja adequada ao motor, uma bateria DC pode ser utilizada como fonte.
Mas precisamos lembrar que algumas baterias conseguem fornecer correntes muito elevadas.
Uma bateria LiPo, por exemplo, pode fornecer muito mais corrente do que um pequeno circuito suporta em caso de curto-circuito.
Por isso, montagem, isolamento e proteção são importantes.
Uma fonte de bancada é excelente para os primeiros testes
Se você possui uma fonte com limitação de corrente, ela pode ser muito útil.
Podemos começar com uma corrente limitada.
Observar o comportamento.
Aumentar progressivamente conforme necessário.
Isso oferece muito mais informação do que simplesmente conectar uma bateria potente e descobrir o resultado.
Um fusível pode aumentar a proteção
Dependendo da aplicação, podemos colocar um fusível adequadamente dimensionado no caminho da alimentação.
Ele não transforma uma montagem incorreta em uma montagem segura, mas pode ajudar em determinadas condições de falha.
O dimensionamento precisa considerar a corrente normal da aplicação e a proteção desejada.
Cuidado com o eixo do motor
Um pequeno motor girando parece inofensivo.
Mas qualquer coisa presa ao eixo aumenta o risco.
Hélices, discos, engrenagens e polias podem causar ferimentos.
Faça os primeiros testes mantendo:
mãos;
roupas;
fios;
cabelos;
objetos
afastados das partes giratórias.
Hélices merecem atenção especial
Se estiver testando um motor com hélice, redobre o cuidado.
Uma hélice pode atingir altas rotações.
Não fique alinhado com seu plano de rotação e não aproxime as mãos enquanto o sistema estiver energizado.
Para determinados testes, é melhor retirar a hélice e verificar primeiro apenas o motor.
Podemos inverter o sentido de rotação?
Em um motor escovado simples, normalmente conseguimos inverter o sentido trocando a polaridade aplicada aos seus dois terminais.
Entretanto, faça isso apenas com o circuito desligado e depois de o motor parar completamente, a menos que o sistema tenha sido especificamente projetado para realizar reversão durante a operação.
A pequena placa apresentada aqui tem como objetivo principal controlar a velocidade, não substituir automaticamente um controlador reversível.
Não confunda este controlador com um ESC de rádio controle
Os dois podem utilizar PWM e controlar um motor escovado, mas possuem funções diferentes.
Um ESC RC recebe um comando proveniente do receptor.
Temos:
Transmissor → Receptor → ESC → Motor.
Já nesta pequena placa:
Pessoa gira o potenciômetro → Placa PWM → Motor.
Não existe receptor interpretando o comando do rádio.
É um controle manual.
Para uma bancada, isso pode ser uma vantagem
Nem sempre queremos pegar:
rádio;
receptor;
ESC;
bateria do transmissor
apenas para testar um motor.
Com uma pequena placa PWM podemos deixar uma estação pronta:
fonte → controlador → motor.
Giramos o botão e fazemos o teste.
Simples.
Podemos montar o controlador em uma pequena caixa
Para uma utilização permanente, vale evitar deixar a placa solta sobre a bancada.
Podemos instalar o circuito em uma caixa adequada.
O potenciômetro pode ficar acessível externamente.
Também podemos acrescentar:
interruptor geral;
conectores;
fusível;
indicação de alimentação.
Assim transformamos uma pequena placa barata em um controlador de bancada muito mais organizado.
Podemos adicionar um voltímetro
Outra possibilidade interessante é colocar um pequeno voltímetro digital no conjunto.
Assim conseguimos visualizar a tensão de alimentação disponível.
Mas lembre-se:
em um controlador PWM, interpretar apenas uma leitura de tensão na saída pode não representar intuitivamente aquilo que está acontecendo com os pulsos.
Para entender o sinal em detalhes, o instrumento ideal seria um osciloscópio.
Com um osciloscópio conseguimos enxergar o PWM
Esse é um experimento muito interessante para quem está estudando eletrônica.
Ligamos o osciloscópio adequadamente ao sinal.
Giramos o potenciômetro.
Podemos observar a largura dos pulsos mudando.
Em baixa potência:
pulsos estreitos.
Aumentamos o controle:
pulsos mais largos.
Próximo do máximo:
o tempo ligado ocupa praticamente todo o ciclo.
Aquilo que percebíamos apenas como mudança de velocidade passa a ser visível eletricamente.
Uma pequena placa ensina vários conceitos
Apesar de ser um circuito pronto, podemos utilizá-lo para estudar:
tensão;
corrente;
potência;
motores DC;
PWM;
duty cycle;
carga mecânica;
aquecimento;
controle de velocidade.
É justamente por isso que gosto desse tipo de experiência.
Começamos querendo apenas:
“fazer o motor girar mais devagar.”
E acabamos entrando em vários conceitos importantes de eletrônica.
Veja no vídeo como a placa funciona
No vídeo da página mostro a utilização dessa pequena placa controladora para variar suavemente a velocidade de um motor escovado de corrente contínua.
A placa utilizada é compacta, possui terminais que dispensam soldagem e, no modelo apresentado, trabalha com PWM, tensão indicada entre 3 V e 35 V, corrente máxima indicada de 5 A e potência de até 90 W.
É uma solução bastante prática quando precisamos controlar manualmente a velocidade de um motor e não queremos construir nosso próprio circuito.
Quer aprender elétrica e eletrônica aplicadas ao rádio controle?
Mesmo uma montagem simples como essa envolve conceitos que aparecem constantemente no modelismo:
motores escovados;
tensão;
corrente;
potência;
PWM;
baterias;
fiação;
controle de velocidade.
E quando passamos do controle manual para o rádio controle, esses mesmos conhecimentos ajudam a compreender o funcionamento de ESCs, motores, baterias e sistemas de alimentação.
Assim, você não fica apenas sabendo que determinado módulo deve ser ligado entre a bateria e o motor: passa a compreender o que ele está fazendo, quais são seus limites e por que o motor muda de velocidade quando modificamos a energia que recebe.