O LM2596 é muito utilizado em pequenos projetos eletrônicos para reduzir uma tensão contínua e obter na saída um valor menor e regulado.
Esses módulos são encontrados facilmente e normalmente possuem um pequeno potenciômetro instalado diretamente sobre a placa.
Ele funciona muito bem para realizar o ajuste.
Mas existe um problema quando queremos colocar o módulo dentro de uma:
caixa ou painel.
Como ajustar a tensão sem precisar abrir o equipamento e colocar uma chave de fenda naquele pequeno potenciômetro?
Uma solução é substituir o ajuste existente por um:
potenciômetro externo.
Foi justamente essa adaptação que fiz neste projeto. O objetivo é tornar o controle da tensão muito mais acessível e permitir que o LM2596 seja utilizado, por exemplo, na construção de uma pequena fonte de alimentação variável.
O que é o módulo LM2596?
O LM2596 é um regulador chaveado utilizado em conversores do tipo:
Step Down
ou:
Buck Converter.
Sua função básica é:
receber uma tensão contínua maior e fornecer uma tensão contínua menor.
Podemos imaginar:
tensão DC de entrada
↓
LM2596
↓
tensão DC menor na saída.
Por exemplo, dependendo do módulo e das condições de funcionamento, podemos utilizar uma tensão de entrada maior e ajustar uma tensão inferior na saída.
O importante é compreender que ele é um:
redutor de tensão.
O que significa Step Down?
A expressão inglesa step down significa justamente:
reduzir.
Portanto:
Step Down → reduz tensão
Já um conversor que realiza o processo contrário é normalmente chamado de:
Step Up ou Boost → eleva tensão.
Existe ainda outra família capaz de trabalhar com situações nas quais a tensão precisa ser elevada ou reduzida:
Buck-Boost.
Neste artigo estamos interessados no primeiro caso:
entrada maior → saída menor.
Veja a adaptação do LM2596 no vídeo
No vídeo abaixo mostro a adaptação da placa Step Down LM2596 para funcionar com um potenciômetro externo.
A modificação é interessante principalmente quando queremos instalar o circuito em uma caixa e deixar o controle de tensão disponível externamente.
Agora vamos entender melhor o que estamos modificando e por que isso funciona.
Para que serve o potenciômetro da placa?
Nas versões ajustáveis do módulo LM2596 encontramos normalmente um pequeno:
trimpot.
Ele é um tipo de potenciômetro destinado principalmente a ajustes.
Ao girá-lo, modificamos uma resistência utilizada pelo circuito de realimentação do regulador.
O LM2596 utiliza essa informação para controlar sua:
tensão de saída.
Assim, ao girarmos o trimpot:
alteramos a realimentação
↓
o regulador responde
↓
a tensão de saída é modificada.
É dessa maneira que conseguimos ajustar o módulo.
Então o potenciômetro não está simplesmente “segurando” a tensão
Esse conceito é importante.
Pode parecer que o potenciômetro esteja funcionando como uma resistência em série que simplesmente reduz a tensão.
Não é isso.
Ele participa do circuito de:
feedback — realimentação.
O regulador monitora uma parcela da tensão de saída e compara essa informação com sua referência interna.
A partir disso, controla seu funcionamento para manter a saída no valor definido.
O que é realimentação?
Podemos pensar em um sistema simplificado:
definimos uma tensão
↓
o circuito mede a saída
↓
compara com uma referência
↓
corrige seu funcionamento
↓
mede novamente.
Esse processo acontece continuamente.
É justamente isso que permite ao regulador tentar manter a tensão de saída relativamente estável mesmo quando ocorrem alterações na entrada ou na carga, dentro dos limites de operação do circuito.
Por que colocar um potenciômetro externo?
O pequeno trimpot instalado na placa é excelente quando queremos:
ajustar uma vez e deixar naquela tensão.
Mas imagine que estamos construindo uma fonte de bancada.
Queremos frequentemente fazer:
3 V
↓
5 V
↓
7 V
↓
9 V
↓
12 V.
Ter que abrir a caixa e utilizar uma chave de fenda toda vez seria pouco prático.
Com um potenciômetro instalado no painel, podemos simplesmente:
girar um botão.
É uma pequena modificação que muda bastante a forma de utilizar o módulo.
O potenciômetro externo precisa ter o valor correto
Aqui existe um cuidado importante.
Não devemos simplesmente retirar o componente existente e instalar:
qualquer potenciômetro que encontrarmos.
O potenciômetro faz parte da rede de realimentação do circuito.
Seu valor influencia a faixa de ajuste.
Por isso é importante identificar o valor do componente existente e compreender como ele está conectado antes de realizar a substituição.
Também existem diferentes versões de módulos LM2596 no mercado, portanto a placa que você possui pode não ser exatamente igual a outra encontrada na internet.
Um potenciômetro possui três terminais
Um potenciômetro convencional possui:
três terminais.
Os dois terminais externos correspondem às extremidades da pista resistiva.
O terminal central está conectado ao:
cursor.
Quando giramos o eixo, o cursor se movimenta sobre a pista.
Assim conseguimos variar a resistência entre:
terminal central ↔ uma extremidade
e:
terminal central ↔ outra extremidade.
É justamente essa propriedade que permite utilizar o potenciômetro como elemento de ajuste.
Antes de retirar o trimpot, observe suas conexões
Esse é um passo que evita muitos problemas.
Antes de dessoldar qualquer coisa:
observe a placa;
identifique os terminais;
fotografe a montagem;
meça o componente, se necessário.
Precisamos reproduzir externamente a função elétrica que o componente desempenhava na placa.
Não basta pensar:
“três pernas aqui, três pernas ali”.
Precisamos manter as:
conexões elétricas correspondentes.
Cuidado com o sentido de rotação
Depois da adaptação pode acontecer algo curioso.
Você gira o botão para a direita esperando:
aumentar a tensão
mas ela:
diminui.
Isso pode acontecer dependendo de como os terminais do potenciômetro foram conectados.
Em muitos casos podemos corrigir o sentido trocando adequadamente as conexões das extremidades, desde que a configuração elétrica do circuito seja preservada.
Para uma fonte de bancada, normalmente é mais intuitivo configurar:
horário → aumenta
anti-horário → diminui.
Sempre meça a saída antes de conectar a carga
Depois de modificar o circuito, existe uma regra simples que pode evitar prejuízo:
não conecte imediatamente seu equipamento à saída.
Primeiro ligue o módulo sem a carga sensível e utilize um:
multímetro.
Meça a tensão.
Gire lentamente o potenciômetro.
Observe:
a tensão aumenta?
diminui?
qual é a faixa obtida?
Somente depois de verificar o comportamento da saída devemos pensar em conectar o circuito que será alimentado.
Um erro de ajuste pode destruir o circuito conectado
Imagine que você deseja alimentar um circuito de:
5 V.
Mas o módulo ficou ajustado para:
12 V.
Dependendo do circuito, conectá-lo diretamente pode causar danos.
Portanto, ao utilizar uma fonte ajustável, crie o hábito:
ajustar → medir → conferir → conectar.
Esse pequeno procedimento é especialmente importante quando não existe uma limitação adicional de sobretensão na carga.
Por que utilizar um conversor chaveado?
Poderíamos perguntar:
por que não utilizar simplesmente um regulador linear?
A grande vantagem dos conversores chaveados é sua capacidade de realizar a conversão com:
boa eficiência.
Imagine que queremos reduzir:
12 V para 5 V
alimentando uma carga relativamente significativa.
Em um regulador linear, a diferença de tensão pode resultar em uma quantidade considerável de potência dissipada na forma de:
calor.
Um conversor buck realiza a redução de outra maneira.
O LM2596 trabalha com chaveamento
Em vez de simplesmente dissipar continuamente a diferença de tensão como calor, o circuito utiliza:
chaveamento em alta frequência.
Entre os elementos importantes encontramos:
chave eletrônica;
indutor;
diodo, nas implementações clássicas;
capacitores;
circuito de controle.
O conjunto transfere energia da entrada para a saída em ciclos rápidos.
O indutor é uma peça fundamental
Se você observar muitos módulos LM2596, provavelmente verá um componente relativamente grande na placa:
o indutor.
Quando uma corrente circula por um indutor, energia pode ser armazenada em seu:
campo magnético.
A energia armazenada idealmente pode ser representada por:
E = ½ × L × I²
onde:
E = energia
L = indutância
I = corrente
O armazenamento e a liberação dessa energia fazem parte do funcionamento do conversor.
E os capacitores?
Os capacitores ajudam, entre outras funções, a reduzir variações na tensão.
No lado da saída, contribuem para que a carga receba uma tensão mais estável apesar do processo de chaveamento.
Temos então uma combinação muito interessante:
chaveamento + indutor + capacitor + realimentação.
Esse conjunto permite realizar a conversão com eficiência muito melhor do que simplesmente desperdiçar toda a diferença de tensão em um elemento resistivo.
Reduzir tensão não significa aumentar corrente automaticamente
Essa é uma confusão comum.
Imagine:
12 V entrando
e:
5 V saindo.
Isso não significa que podemos retirar qualquer corrente da saída.
O módulo possui limites determinados por fatores como:
circuito integrado;
indutor;
diodo;
placa;
temperatura;
condições de entrada e saída.
Além disso, precisamos respeitar a conservação de energia.
Tensão, corrente e potência continuam relacionadas
Em corrente contínua podemos utilizar:
P = V × I.
Imagine uma saída de:
5 V × 2 A = 10 W.
Para entregar esses 10 W, o conversor precisa receber mais de 10 W da fonte, porque existem:
perdas.
Se a eficiência fosse, apenas como exemplo:
90%,
teríamos aproximadamente:
10 / 0,90 = 11,1 W
necessários na entrada.
A energia não aparece gratuitamente porque reduzimos a tensão.
O módulo também aquece
Embora um conversor chaveado possa apresentar boa eficiência, isso não significa:
zero perdas.
Existem perdas no:
circuito integrado;
diodo;
indutor;
capacitores;
trilhas;
chaveamento.
Essas perdas aparecem principalmente na forma de:
calor.
Quanto maior a potência utilizada, mais importante se torna observar a temperatura dos componentes.
Não confunda corrente anunciada com corrente garantida em qualquer situação
É comum encontrarmos anúncios de módulos eletrônicos destacando uma determinada corrente máxima.
Esse número precisa ser interpretado com cuidado.
A capacidade real pode depender de:
tensão de entrada;
tensão de saída;
ventilação;
temperatura;
qualidade dos componentes;
tempo de funcionamento.
Por isso, em projetos mais exigentes, é importante consultar as especificações do componente e avaliar termicamente a montagem.
Podemos transformar o LM2596 em uma pequena fonte variável
Agora fica clara a utilidade da adaptação do vídeo.
Temos:
fonte DC de entrada
↓
LM2596
↓
potenciômetro externo
↓
saída variável.
Se acrescentarmos um:
voltímetro digital,
podemos visualizar a tensão sem precisar manter um multímetro permanentemente conectado.
Teríamos então:
entrada DC
↓
LM2596
↓
controle no painel
↓
voltímetro
↓
bornes de saída.
Já temos a base para uma pequena fonte variável.
E podemos acrescentar um amperímetro
Uma evolução interessante seria mostrar também:
a corrente consumida pela carga.
Assim teríamos no painel:
tensão de saída
e:
corrente de saída.
Isso transforma uma simples placa reguladora em uma ferramenta muito mais útil para a bancada.
Inclusive, esse projeto se conecta diretamente à ideia de uma fonte variável caseira com medição de tensão e corrente.
Step Down não pode produzir uma saída maior que a entrada
Essa limitação precisa ficar clara.
Um conversor:
Buck / Step Down
é utilizado para:
reduzir tensão.
Se temos uma entrada de 12 V, não devemos esperar ajustar esse módulo para produzir:
15 V.
Para elevar tensão precisaríamos de outra topologia, como:
Boost / Step Up.
Portanto, antes de escolher o módulo, precisamos responder:
quero reduzir ou aumentar a tensão?
A entrada precisa ter margem suficiente
Também não podemos esperar que um buck mantenha determinada saída se a tensão de entrada cair demais.
O circuito necessita de condições adequadas para regular.
Se queremos determinada tensão na saída, a entrada precisa permanecer dentro da faixa especificada para aquela operação.
Novamente:
consulte as especificações do componente e do módulo utilizado.
Os fios do potenciômetro também merecem atenção
Quando retiramos o potenciômetro da placa e o colocamos no painel, acrescentamos:
fios.
É interessante mantê-los:
organizados;
bem soldados;
com comprimento razoável;
afastados de pontos que possam provocar problemas.
Lembre-se de que esses fios fazem parte da rede de controle do regulador.
Uma conexão intermitente pode produzir um comportamento indesejado da tensão de saída.
Uma boa montagem precisa ser mecânica e eletricamente confiável
Não basta a solda funcionar quando o circuito está aberto sobre a bancada.
Se o potenciômetro ficará no painel, precisamos pensar também em:
fixação;
movimento dos fios;
isolamento;
esforço sobre as soldas.
Um fio mal fixado pode acabar rompendo depois de vários movimentos.
Por isso, transformar um protótipo em equipamento envolve também:
construção mecânica.
Um pequeno módulo ensina muita eletrônica
O LM2596 parece apenas uma pequena placa reguladora.
Mas quando começamos a estudá-lo aparecem vários conceitos:
tensão;
corrente;
potência;
eficiência;
indutância;
capacitores;
chaveamento;
feedback;
potenciômetros;
dissipação térmica.
É justamente isso que torna esses pequenos módulos tão interessantes para aprender eletrônica.
A adaptação torna o módulo muito mais útil
O pequeno trimpot instalado originalmente na placa é adequado para:
ajustes ocasionais.
O potenciômetro externo é muito mais adequado quando queremos:
ajustar frequentemente a tensão.
Por isso essa modificação é especialmente interessante para:
fontes de bancada;
protótipos;
equipamentos com painel;
projetos experimentais.
O princípio eletrônico do LM2596 continua o mesmo.
O que estamos fazendo é tornar sua:
interface de ajuste muito mais prática.
Do módulo pronto para um equipamento de bancada
Esse é um tipo de projeto que gosto bastante porque mostra uma diferença importante.
Podemos comprar uma placa LM2596 e simplesmente utilizá-la como:
um módulo.
Ou podemos compreender seu funcionamento e integrá-la a um projeto maior:
módulo LM2596
potenciômetro externo
voltímetro
amperímetro
conectores
gabinete
=
uma pequena fonte variável para a bancada.
E, quando entendemos o papel de cada uma dessas partes, deixamos de apenas conectar módulos e começamos realmente a:
projetar um equipamento.
Quer aprender mais sobre fontes e eletrônica?
Entender um circuito como o LM2596 é uma ótima maneira de perceber que reduzir uma tensão envolve muito mais do que colocar um componente no caminho da corrente.
Dentro de um conversor chaveado encontramos conceitos fundamentais da eletrônica, como:
indutores, capacitores, semicondutores, potência, chaveamento e realimentação.
Esses fundamentos também aparecem em fontes de alimentação e em inúmeros equipamentos de áudio.
Quanto mais compreendemos o circuito, mais fácil fica:
adaptar, testar, medir e criar nossas próprias soluções.