Vitor Amadeu Souzavitor@cerne-tec.com.br
1. Material
utilizado
Para
demonstrar o funcionamento do experimento foi utilizado o kit didático Cerne
Fonte de Corrente disponível na figura 1.
Figura 1:
Kit Didático Cerne Fonte de Corrente
Fonte:
http://www.cerne-tec.com.br
Como
literatura de apoio, o livro Fonte de Corrente com o PIC, conforme apresentado
na figura 2.
Figura 2:
Livro Fonte de Corrente com o PIC
Fonte:
https://clubedeautores.com.br/
2. O que é
uma fonte de corrente
A saída para
a fonte de corrente, disposta na placa didática fornece de 0 a 250 mA. A carga
é conectada no conector da figura 3.
Figura 3:
Conector para conexão da carga
Uma fonte de
corrente é representada pelo símbolo da figura 4.
Figura 4:
Representação simbólica de uma fonte de corrente
A principal
característica da fonte de corrente é manter o fornecimento de corrente
independente da carga que é colocada em série com a mesma.
Na figura 5, é
apresentado um resistor (carga) ligado em série com a fonte de corrente
ajustada para 50 mA.
Figura 5:
Carga de 10Ω conectada a fonte de corrente
O exemplo da
figura 5 mostra uma fonte de corrente que fornece 50 mA a uma resistência de 10
Ω. Já o esquema da figura 6 mostra a mesma fonte de corrente, porém alimentando
outra carga de 20 Ω.
Figura 6:
Carga de 20Ω conectada a fonte de corrente
Essa é a
principal característica da fonte de corrente, ser capaz de manter uma corrente
constante independente do valor da carga a ela conectada.
3.Resistor
shunt
O resistor
shunt nada mais é que um resistor de baixíssimo valor, ligado em série com a
carga usada para fornecer um feedback (retorno) ao microcontrolador, com isso o
microcontrolador identifica se a corrente fornecida está em conformidade ou não
com o esperado. Por exemplo, a figura 7 ilustra como é conectado este resistor
ao circuito.
Figura 7:
Resistor shunt ligado ao circuito
Toda a
corrente passa pela carga assim como no resistor shunt, gerando desta forma uma
tensão de feedback proporcional a corrente do circuito. O resistor shunt usado
na placa Cerne Fonte de Corrente é de 0,2 Ω. Logo, a tensão de feedback
proporcional à corrente será dada pela Lei de Ohm como expresso no box 1.
Box 1: Lei
de Ohm
Como na
demonstração, o valor de R vale 0,2 Ω, resultará em , onde a corrente I dependerá da corrente que
estiver passando pelo circuito. Por exemplo, suponha o circuito da figura 8 com
a seguinte carga conectada.
Figura 8:
Feedback com carga de 20 Ω
A tensão no
ponto feedback será dada de acordo com o box 2.
Box 2:
Achando a tensão de feedback
Este valor
será alcançado independente da carga ôhmica conectada ao circuito. Note que no
caso da figura 9, o valor da tensão de feedback seria o mesmo.
Figura 9:
Feedback com carga de 30 Ω
O circuito
está preparado para suportar uma corrente máxima de até 250 mA, logo a tensão
máxima de feedback será dada de acordo com o box 3.
Box 3:
Achando a tensão de feedback máxima
Observe que
esta tensão é relativamente pequena para a entrada analógica do
microcontrolador já que nominalmente esta trabalha na faixa de 0 a 5 V. Sendo
assim, será utilizado um circuito amplificador de tensão usando um amplificador
operacional (AOP) conectado ao ponto de feedback que irá amplificar em 100 este
sinal. Um circuito amplificador não inversor é obtido conforme apresentado na
figura 10.
Figura 10:
Amplificador não-inversor
O ganho
deste circuito é dado pela relação entre R1 e R2, de acordo com o box 4.
Box 4:
Determinando o ganho do AOP
Como
R1=100kΩ e R2=1 kΩ, o ganho está configurado para G=101, onde é considerado o
ganho igual a 100. Desta forma, quando a tensão de feedback for igual a 0,05V,
na entrada do AD do PIC o valor de 5V estará presente. De modo linear, será
obtido toda a leitura na faixa de 0 a 250 mA, dando uma tensão de 0 a 5 V como
expresso no gráfico da figura 11.
Figura 11:
Gráfico com a resposta do conversor AD
Desta forma,
o microcontrolador será capaz de controlar a corrente fornecida à carga de modo
a deixá-la no valor ajustado na fonte de corrente, daí a importância do retorno
de feedback usando o resistor shunt. O circuito completo da parte de feedback
pode ser visualizado através da figura 12.
Figura 12:
Circuito com AOP completo
A saída
AD_PIC ficará conectada a entrada AN0 do microcontrolador PIC16F876A.
4.FET como
fonte de corrente
Como fonte
de corrente, o FET IRF540N é utilizado. (Figura 13)
Figura 13:
FET IRF540N
Fonte:
http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irf540n.pdf
Esse FET
apresenta uma resistência DRENO-SOURCE (VDS) de 44 mΩ, suficiente para a
aplicação. A região linear deste FET será utilizada, onde alterando a tensão de
GATE a corrente que fornecida a carga será ajustada de maneira linear. A curva
da região linear do FET está apresentada na figura 14.
Figura 14:
Curva do FET IRF540N
Fonte:
http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irf540n.pdf
De acordo
com a figura 14, quanto maior a tensão aplicada ao GATE (VGS), maior é a
corrente ID, ou seja, a que alimenta a carga na fonte de corrente. Observa-se
assim que o microcontrolador controla a corrente fornecida à carga ao ajustar a
tensão no GATE do FET (VGS). Para fazer
isso, o PWM do PIC é usado com um filtro na saída, onde assim poderá ser
escalonar de uma tensão que irá de 0 a 5V, como pode ser visto na figura 15.
Figura 15:
PWM com filtro na saída
O PWM é
usado no modo de 8 bits, que possui uma faixa de valores de 0 a 255 para
ajustar o PWM. Sendo assim, quando o duty cycle for ajustado para 255, obtêm-se
a tensão de 5V e quando for ajustada, por exemplo, para 127 o valor de 2,5 V. A
representação em um gráfico linear pode ser visualizada na figura 16 de acordo
com o valor ajustado no duty cycle e a tensão obtida na saída do filtro.
Figura 16:
Tensão de saída de acordo com o duty cycle
Porém, note
que o FET é alimentado com uma tensão DC de 12V, mas a saída do
microcontrolador é de 0 a 5V, tensão insuficiente para controlar o VGS do FET.
Sendo assim, um amplificador não inversor baseado em um AOP é empregado para
obter na entrada do FET a faixa de 0 a 12V. Para obter este resultado consulte
o circuito na figura 17.
Figura 17:
Amplificador não-inversor do PWM
O ganho será
determinado pela relação entre R1 e R2, neste caso 3,13. Desta forma, quando a
tensão de 2 V estiver presente na saída do PWM, observa-se 3,13 . 2= 6,26 V
aplicado à entrada do FET e assim linearmente. Veja na figura 18.
Figura 18:
Relação de ganho da tensão do PWM
O circuito
com o FET para a fonte de corrente é descrito na figura 19.
Figura 19:
Circuito com FET e AOP
A figura 20
demonstra o circuito considerando também a parte de feedback para a medição da
corrente pelo microcontrolador.
Figura 20:
Circuito com FET e Feedback
A conexão
com o microcontrolador, disponível na figura 21 observa-se os pinos PWM e AD
usados para controle da corrente assim como o LCD que apresenta a corrente
medida e os botões utilizados para ajustar a corrente fornecida à carga.
Figura 21:
Circuito completo
5.Exemplo proposto
O exemplo proposto possui como carga, um resistor de
150 Ω. e através de dois botões, há o fornecimento de 50 mA caso o botão conectado a RC5 esteja
pressionado e 20 mA caso o botão conectado a RC4 esteja pressionado.
Para isso, há uma rotina que ao ser chamada é passada
como parâmetro para a mesma a corrente desejada para fazer o ajuste. O
conversor AD deve está em modo de 8 bits, significa que ao ser configurada a
corrente de 250 mA, o valor 255 retorne como resultado do conversor AD e assim
linearmente, conforme expressa o gráfico da figura 22.
Figura 22: Relação do CAD x Corrente
Note que praticamente cada bit do conversor AD
refere-se a 1 mA passando pelo resistor Shunt. Desta forma, o PWM inicia no
valor mínimo e em seguida é incrementado até a corrente, que passa pelo shunt,
seja maior ou igual à corrente de feedback, momento no qual o PWM que ajusta o
FET deixa de ser incrementado mantendo a corrente constante no resistor.
A implementação de um controle PID pode contemplar
ainda mais o controle da corrente para mantê-la constante ao longo do tempo,
independentemente de variação de carga ou tensão da fonte.
6.Fluxograma
O fluxograma proposto é o apresentado na figura 23,
onde após a configuração do PWM e do conversor AD, o algoritmo fica preso em um
loop lendo constantemente os estados dos botões. Caso algum deles fique
pressionado, é chamado em seguida uma rotina para calibrar a corrente passada
como parâmetro e retornar em seguida para o loop. Quando os botões ficarem
soltos, a saída de corrente é levada a zero desabilitando a fonte de corrente.
Observe que o display apresenta de maneira constante a corrente medida. O
leitor pode também ligar um amperímetro em série com a carga para comprovar o
funcionamento do experimento.
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