Uma mini drill é uma ferramenta extremamente útil para quem trabalha com eletrônica, modelismo e pequenos projetos de bancada.
Ela pode ser utilizada para furar placas, fazer pequenos acabamentos, trabalhar com madeira balsa, plástico e outros materiais leves. Justamente por ser pequena e fácil de manusear, funciona muito bem em trabalhos delicados.
Mas existe uma limitação quando alimentamos o motor diretamente:
nem sempre queremos que a mini drill trabalhe na rotação máxima.
Dependendo do material, da broca ou do tipo de trabalho, uma velocidade menor pode proporcionar muito mais controle.
Foi justamente para resolver esse problema que utilizei uma pequena placa controladora PWM, permitindo regular facilmente a velocidade do motor da mini drill.
Por que controlar a velocidade da mini drill?
Imagine que você precise fazer um pequeno furo em uma peça delicada de plástico.
Talvez não seja interessante começar imediatamente com o motor em rotação máxima.
Em outros trabalhos podemos querer utilizar a ferramenta para:
furar;
lixar;
polir;
desbastar;
fazer pequenos acabamentos.
Cada situação pode funcionar melhor com uma velocidade diferente.
Ter um controle permite ajustar a ferramenta ao trabalho, em vez de trabalhar sempre com uma única rotação.
A minha mini drill funciona com 12 V
No projeto original utilizei uma mini drill alimentada com 12 volts.
Se ligarmos diretamente uma fonte adequada de 12 V ao motor, ele tende a trabalhar próximo da condição correspondente àquela alimentação e carga.
Podemos imaginar uma ligação simples:
fonte 12 V → mini drill
Funciona.
O problema é que não temos um controle prático da velocidade.
Foi aí que entrou a placa PWM.
Poderíamos simplesmente diminuir a tensão?
Se um pequeno motor DC de 12 V for alimentado com uma tensão menor, como 9 V, normalmente teremos uma redução de sua rotação em determinada condição de carga.
Poderíamos então imaginar uma fonte ajustável e modificar sua tensão.
Mas existe outra maneira muito interessante de controlar motores DC:
PWM — Pulse Width Modulation, ou Modulação por Largura de Pulso.
O que é PWM?
O PWM controla a potência média entregue à carga através de pulsos elétricos.
Em vez de simplesmente reduzir continuamente a tensão aplicada ao motor, o controlador liga e desliga eletronicamente a alimentação em alta velocidade.
Temos uma sequência semelhante a:
LIGADO → DESLIGADO → LIGADO → DESLIGADO…
Isso acontece tão rapidamente que não utilizamos a ferramenta como se o motor estivesse sendo manualmente ligado e desligado.
O que modificamos é a proporção do tempo durante a qual a alimentação permanece ligada.
O que é o duty cycle?
Essa proporção é chamada de duty cycle, ou ciclo de trabalho.
Imagine um período completo do sinal PWM.
Se a saída permanecer ligada durante metade desse período e desligada durante a outra metade, teremos aproximadamente:
50% de duty cycle.
Se permanecer ligada durante uma parcela maior:
80%
Se permanecer ligada durante uma parcela pequena:
20%
Assim, modificando o duty cycle, controlamos a energia média entregue ao motor.
Um exemplo simples
Imagine uma alimentação de 12 V.
Com o PWM em uma condição de potência elevada, o motor recebe pulsos de 12 V durante grande parte do tempo.
Reduzimos o controle.
Agora os pulsos continuam chegando ao motor, mas a parcela de tempo em que a alimentação permanece ligada diminui.
Reduzimos ainda mais.
O período ligado fica ainda menor.
É importante perceber uma diferença:
o PWM não funciona simplesmente como uma resistência colocada em série para “queimar” a tensão excedente.
Existe um chaveamento eletrônico.
Por que PWM é tão utilizado para motores DC?
Uma das vantagens é a eficiência.
Imagine controlar um motor colocando uma resistência de potência em série.
Parte da energia seria dissipada nessa resistência em forma de calor.
Um controlador PWM utiliza dispositivos eletrônicos operando principalmente por chaveamento.
Isso pode produzir um controle muito mais eficiente, embora naturalmente o circuito real também possua perdas.
É por isso que encontramos PWM em uma quantidade enorme de aplicações envolvendo motores.
O potenciômetro controla a velocidade
As pequenas placas PWM vendidas para motores DC normalmente possuem um potenciômetro.
É aquele componente com um eixo que podemos girar.
Giramos para um lado:
reduzimos a velocidade.
Giramos para o outro:
aumentamos a velocidade.
Internamente, o circuito modifica o duty cycle do PWM.
Para o usuário, entretanto, a operação é extremamente simples.
É quase como o controle de volume de um equipamento de áudio.
A ligação também é simples
No projeto original destaquei justamente a simplicidade da instalação da placa.
Em uma configuração típica temos:
fonte → controlador PWM → motor da mini drill
A placa recebe a alimentação e fornece uma saída controlada para o motor.
Dependendo do modelo do controlador, podemos encontrar terminais identificados como entrada e saída.
É importante seguir exatamente a identificação existente na placa utilizada.
Não confunda entrada com saída
Esse é um cuidado básico, mas importante.
A placa possui uma região destinada à alimentação e outra destinada ao motor.
Não devemos presumir a ligação apenas olhando para o formato dos conectores.
Verifique as marcações da própria placa e sua documentação.
Também confira a polaridade.
Em corrente contínua normalmente teremos:
positivo (+)
e
negativo (-).
Inverter ligações pode danificar determinados controladores.
Confira a tensão suportada pelo controlador
Não basta saber que a mini drill trabalha em 12 V.
A placa PWM também precisa ser compatível com essa tensão.
Existem controladores para diferentes faixas de alimentação.
Antes de comprar ou instalar, verifique:
tensão mínima;
tensão máxima;
corrente suportada;
tipo de motor compatível.
Não escolha o controlador apenas porque fisicamente parece adequado.
A corrente é tão importante quanto a tensão
Imagine que o controlador seja especificado para determinada corrente máxima.
O motor pode consumir pouca corrente quando está girando sem carga, mas exigir muito mais quando precisa realizar esforço.
Por isso, a corrente nominal observada durante funcionamento leve não conta toda a história.
Um motor DC pode apresentar correntes significativamente maiores durante:
partida;
carga elevada;
travamento do eixo.
O controlador precisa suportar adequadamente as condições da aplicação.
O motor consome mais quando é exigido
Essa característica pode ser percebida facilmente em uma mini drill.
Ligue a ferramenta sem encostar em nada.
O motor gira praticamente livre.
Agora coloque a broca em contato com o material.
O motor passa a precisar produzir torque para realizar o trabalho.
A corrente pode aumentar.
Se pressionarmos excessivamente a ferramenta, exigimos ainda mais do motor.
Isso significa que fonte e controlador precisam ser dimensionados considerando a utilização real da mini drill.
Não escolha a placa apenas pela corrente “sem carga”
Suponha que você meça o motor girando livremente e encontre uma corrente relativamente pequena.
Então compra um controlador cuja capacidade está apenas um pouco acima desse valor.
Durante a utilização, a broca encontra resistência.
A corrente sobe.
O controlador aquece.
Dependendo da situação, pode ser danificado.
É melhor utilizar um controlador com margem adequada em relação à corrente exigida pela aplicação.
A fonte também precisa fornecer corrente suficiente
Temos três elementos principais:
fonte → PWM → motor
Todos precisam ser compatíveis.
Uma excelente placa PWM não resolve o problema de uma fonte incapaz de alimentar o motor.
Se o motor exigir uma corrente que a fonte não consegue fornecer adequadamente, podemos ter:
queda de tensão;
perda de torque;
funcionamento instável;
aquecimento;
desligamento da fonte, dependendo de suas proteções.
Por isso, precisamos analisar o conjunto.
Posso usar bateria?
Sim, desde que a bateria seja adequada às características elétricas do conjunto.
Inclusive, uma mini drill alimentada por bateria pode ser bastante interessante para trabalhos de modelismo porque deixa de depender de uma tomada próxima.
Mas precisamos observar:
tensão;
corrente;
autonomia;
conectores;
proteção;
tipo de bateria.
A placa PWM continuará funcionando como o elemento colocado entre a alimentação e o motor.
O PWM também controla o torque?
Aqui precisamos tomar cuidado com uma simplificação comum.
Ao reduzir a velocidade por PWM, não devemos imaginar que teremos exatamente o mesmo comportamento mecânico do motor em qualquer rotação.
O torque disponível, corrente, carga e características do próprio motor continuam relacionados.
Em velocidades muito baixas, dependendo da ferramenta e do trabalho, o motor pode não conseguir executar adequadamente a tarefa.
PWM melhora muito o controle, mas não transforma uma pequena mini drill em uma ferramenta de alto torque.
Mini drill não é a mesma coisa que uma ferramenta rotativa potente
No artigo original eu já fazia essa observação.
A mini drill é muito interessante para trabalhos pequenos e delicados, mas não possui alto torque. Para trabalhos mais pesados, uma ferramenta mais robusta pode ser mais adequada.
Essa distinção é importante.
O controlador PWM permite aproveitar melhor a ferramenta que temos.
Ele não altera as limitações mecânicas fundamentais do motor.
Onde o controle de velocidade ajuda?
Imagine trabalhar com plástico.
Uma rotação muito elevada pode produzir aquecimento na região de contato.
Dependendo do plástico, isso pode dificultar o acabamento.
Em outra situação, talvez você queira apenas fazer um pequeno ajuste em uma peça e prefira uma velocidade reduzida para ter mais controle.
Já para determinado furo, uma rotação maior pode ser adequada.
Com o PWM podemos experimentar e encontrar a condição que funciona melhor para cada trabalho.
Muito útil para modelismo
No modelismo trabalhamos frequentemente com peças pequenas e materiais delicados.
Madeira balsa.
Compensado fino.
Plásticos.
Pequenas chapas.
Peças impressas em 3D.
Fibra, dependendo do projeto.
Uma ferramenta pequena com velocidade regulável pode ser muito mais confortável para esse tipo de trabalho do que uma ferramenta operando sempre em rotação máxima.
Também é interessante para eletrônica
Quem monta placas manualmente pode utilizar uma mini drill para fazer pequenos furos em placas de circuito impresso.
Novamente, poder controlar a velocidade pode ser conveniente.
Mas aqui existe um ponto importante:
a broca utilizada precisa ser adequada ao material e ao diâmetro desejado.
O controle eletrônico não compensa uma broca inadequada ou sem corte.
O controlador PWM pode ser colocado em uma caixa
Se a ideia é utilizar o sistema permanentemente na bancada, vale pensar em um acabamento melhor.
Podemos instalar a placa dentro de uma pequena caixa.
Deixar apenas:
o botão do potenciômetro;
entrada de alimentação;
saída para a mini drill;
eventualmente uma chave liga/desliga.
Isso protege a eletrônica e produz um equipamento muito mais agradável de utilizar.
Podemos colocar conectores
Em vez de manter fios permanentemente soldados entre todos os elementos, podemos utilizar conectores adequados.
Assim:
fonte → conector → controlador
e
controlador → conector → mini drill
Isso facilita desmontagem, manutenção e transporte.
Naturalmente, os conectores precisam suportar a corrente utilizada.
Um interruptor geral também pode ser útil
O potenciômetro controla a velocidade, mas dependendo da placa pode ser interessante possuir uma chave independente para desligar completamente o sistema.
Assim conseguimos manter um ajuste de velocidade e apenas ligar ou desligar a ferramenta quando necessário.
Alguns controladores já incorporam essa função ao próprio potenciômetro.
Outros não.
Depende do modelo.
Podemos adicionar um indicador de funcionamento
Uma pequena evolução do projeto seria acrescentar um LED indicando que o controlador está energizado.
Isso ajuda a perceber rapidamente se o circuito continua ligado.
Parece um detalhe, mas equipamentos de bancada ficam muito mais agradáveis quando fornecem informações visuais claras sobre seu estado.
E um voltímetro digital?
Também é possível acrescentar um pequeno mostrador digital, dependendo daquilo que desejamos acompanhar.
Mas aqui precisamos entender exatamente o que estamos medindo.
Como a saída do controlador é PWM, um instrumento simples pode apresentar uma leitura que precisa ser interpretada corretamente.
O sinal não é necessariamente uma tensão DC contínua equivalente àquela que encontraríamos simplesmente reduzindo uma fonte linear.
Portanto, colocar um mostrador sem entender sua leitura pode gerar mais confusão do que informação.
Um multímetro ajuda na montagem
Antes de conectar a mini drill, podemos verificar a alimentação.
A fonte realmente está fornecendo aproximadamente a tensão esperada?
A polaridade está correta?
Existe curto entre os terminais?
Depois de revisar a montagem, conectamos o controlador.
O multímetro transforma aquilo que seria uma tentativa em um procedimento mais controlado.
Faça o primeiro teste sem carga mecânica
Depois da instalação, comece com a mini drill sem realizar nenhum trabalho.
Deixe o controle em uma posição baixa.
Ligue.
Aumente gradualmente.
Observe se a rotação responde ao potenciômetro.
Depois desligue e verifique se existe algum aquecimento anormal.
Somente então comece a testar a ferramenta sob carga.
Observe a temperatura do controlador
Durante os primeiros trabalhos, vale tocar com cuidado na região externa da caixa ou verificar de forma segura se o controlador está aquecendo excessivamente.
Algum aquecimento pode ocorrer dependendo do projeto.
Mas uma temperatura muito elevada merece investigação.
Pode indicar:
controlador subdimensionado;
corrente excessiva;
motor com problema;
carga mecânica elevada;
má dissipação térmica.
Não resolva simplesmente aumentando a ventilação sem tentar descobrir a causa.
O motor também precisa ser observado
A mini drill já possui suas próprias limitações.
Se utilizarmos a ferramenta continuamente sob carga elevada, o motor pode aquecer.
Isso independe de termos instalado PWM.
Na realidade, a possibilidade de controlar a velocidade pode até nos levar a tentar executar trabalhos para os quais aquela pequena ferramenta não foi projetada.
Se o motor começa a perder muita rotação ou aquecer excessivamente, reduza a carga e verifique o conjunto.
PWM pode produzir um pequeno ruído no motor
Dependendo da frequência utilizada pelo controlador, podemos perceber um som proveniente do motor.
Isso acontece porque o PWM produz pulsos e determinadas frequências podem gerar vibrações perceptíveis.
Nem sempre isso indica defeito.
A frequência de chaveamento é uma das características do controlador.
Placas diferentes podem apresentar comportamentos diferentes.
A mesma placa pode controlar outros motores
Esse é um ponto importante do artigo original: a placa PWM não precisa ficar limitada à mini drill.
Ela pode ser utilizada em outros projetos envolvendo motores DC compatíveis com suas especificações.
Por exemplo, dependendo da placa e do motor:
pequenos ventiladores DC;
bombas DC;
motores de experiências;
mecanismos;
projetos de bancada;
alguns projetos de modelismo.
O princípio permanece o mesmo.
Mas atenção: não serve automaticamente para motor brushless
Quando falamos aqui de uma pequena placa PWM para mini drill, estamos tratando de motor DC escovado.
Um motor brushless utilizado em aeromodelismo, por exemplo, exige um controlador eletrônico apropriado, normalmente chamado de ESC brushless.
Não devemos ligar um motor brushless trifásico diretamente em uma pequena placa PWM projetada para motor DC de dois fios.
São sistemas diferentes.
Motor escovado possui dois fios
Em um motor DC escovado convencional normalmente encontramos dois terminais de alimentação.
O controlador regula a energia entregue entre esses dois fios.
Já muitos motores brushless utilizados no modelismo possuem três fios de potência e dependem de uma comutação eletrônica apropriada.
Essa diferença é fundamental quando escolhemos o controlador.
É possível construir o próprio circuito PWM
No artigo original mencionei justamente que poderíamos construir um circuito simples para realizar essa função ou utilizar uma pequena placa pronta.
Construir o circuito é uma ótima experiência para quem quer estudar eletrônica.
Podemos aprender sobre:
osciladores;
duty cycle;
transistores;
MOSFETs;
diodos;
motores;
chaveamento;
potência.
Já a placa pronta é interessante quando nosso objetivo principal é simplesmente controlar a ferramenta.
A placa pronta também pode ensinar eletrônica
Comprar um módulo não significa que precisamos utilizá-lo como uma “caixa preta”.
Podemos observar a placa.
Identificar seus terminais.
Procurar os componentes.
Descobrir qual dispositivo realiza o chaveamento.
Verificar como o potenciômetro está ligado.
Pesquisar o circuito integrado utilizado.
Medir o sinal.
Assim, uma pequena placa de baixo custo pode se transformar em um excelente objeto de estudo.
Uma melhoria simples que muda bastante a ferramenta
Esse é o aspecto que mais gosto desse projeto.
Não precisamos modificar profundamente a mini drill.
Não precisamos substituir seu motor.
Não precisamos construir uma ferramenta nova.
Simplesmente acrescentamos um pequeno módulo entre a alimentação e o motor:
fonte → PWM → mini drill
E passamos de uma ferramenta praticamente limitada a uma condição de funcionamento para outra em que conseguimos ajustar a velocidade conforme o trabalho.
Veja como fiz a ligação da placa PWM
No vídeo original deste artigo mostro em mais detalhes a placa PWM utilizada e sua ligação à mini drill, demonstrando como o pequeno controlador pode ser utilizado para ajustar a velocidade do motor.
Vale a pena colocar PWM em uma mini drill?
Para mim, sim.
Principalmente se você utiliza a ferramenta em eletrônica ou modelismo.
A modificação é relativamente simples e acrescenta uma função muito útil: poder escolher a velocidade adequada ao trabalho que está sendo realizado.
Além disso, o projeto serve para compreender um conceito eletrônico extremamente importante.
PWM não aparece apenas em mini drills.
Encontramos modulação por largura de pulso no controle de motores, LEDs, fontes chaveadas, microcontroladores e em uma enorme quantidade de sistemas eletrônicos.
Portanto, uma pequena modificação na ferramenta também pode se transformar em uma excelente experiência de aprendizado.
Quer entender melhor PWM, motores e controle de potência?
Ligar uma pequena placa pronta é fácil. O passo seguinte é entender o que está acontecendo eletricamente dentro do sistema.
Por que o PWM controla a velocidade? Como escolher a tensão correta? Por que precisamos observar a corrente do motor? Como dimensionar fios e conectores? Qual é a diferença entre motor escovado e brushless? Por que alguns controladores aquecem?
Quando entendemos esses conceitos, deixamos de simplesmente conectar módulos e passamos a ter autonomia para adaptar, testar e desenvolver nossos próprios projetos.
Essa é justamente a proposta do Método 7H RC: ensinar elétrica e eletrônica aplicadas ao rádio controle e ao modelismo de maneira prática.
Se você quer entender motores, baterias, controladores, PWM, ESCs, conectores e outros componentes utilizados nos seus projetos, conheça o Método 7H RC.