Tutorial: Módulo de alimentação com o 7805

Reguladores de tensão são circuitos que na sua versão básica (e perfeitamente suficiente) são extremamente simples de projetar e montar. Existem chips que fazem quase todo o trabalho, só precisando de mais dois ou três componentes adicionais no circuito. Os dois chips mais populares para este serviço são o 7805 e o LM317. Os dois são baratos, fáceis de usar e fornecem corrente suficiente para alimentar todos os circuitos do robô. Se você não tem muita experiência com eletrônica, montar teus próprios reguladores de tensão é um ótimo exercício inicial e vai te dar a experiência necessária para encarar circuitos mais complexos.

Importante: O 7805 pode fornecer até 1A de corrente, o LM317 pode chegar a 1.5A. Isso é suficiente para alimentar todos os circuitos do robô, mas não é suficiente para alimentar os motores. Existem chips capazes de fornecer mais corrente, mas com um projeto adequado, os motores podem ser alimentados diretamente pelas baterias, sem necessidade de reguladores. Os reguladores citados acima são apenas para alimentar os circuitos.

O 7805

78xx é uma família de reguladores de voltagem lineares contidos em um circuito integrado. Normalmente é usado em em circuitos que requerem uma fonte regulada de energia que seja fácil de usar e barata. Nos circuitos integrados da família o xx é substituído por dois dígitos que indicam a voltagem de saída do regulador. Então o 7805 tem uma saída de 5 volts, o 7809 de 9 volts, o 7812 de 12 volts e assim por diante. Por ter uma saída fixa, ele não precisa de regulagens externas o que facilita muito seu uso. É um regulador antigo, o que significa que é bem confiável, está no mercado a muito tempo e tem sido amplamente usado em milhões de projetos. Tem todas as proteções internas possíveis, nos fóruns de eletrônica ele é tido como praticamente indestrutível. E é muito barato e fácil de achar. Com certeza esta é uma excelente escolha para o módulo de alimentação de um robô mais simples, especialmente se o aspirante a robot maker por trás do projeto não tiver muita experiência com eletrônica.

A desvantagem é que, pelo menos sua versão mais clássica, o LM7805 sempre foi muito ineficiente ao fazer a conversão da voltagem. Ao reduzir a voltagem, o excesso de energia é convertido em calor. Se o consumo de corrente ultrapassa algo como 500 mAh é necessário usar um dissipador de calor. A eficiência típica do LM7805 fica entre 40% e 50%, o que convenhamos, são valores horríveis. Quer dizer que metade da energia que entra nele é convertida em calor e a outra metade é entregue na saída estabilizada. Em um robô que usa bateria, esses valores são inaceitáveis. Ou seriam, se essa energia fosse muito significativa em relação ao consumo total. É preciso lembrar que o regulador de tensão está sendo projetado para alimentar os circuitos e não os motores.

De qualquer forma, 78xx não é apenas uma família de reguladores, agora já se tornou um padrão para reguladores de voltagem. Então é possível encontrar uma infinidade de reguladores "compatíveis" com 78xx. Isso significa que usam a mesma pinagem, apresentam o mesmo resultado, mas podem usar tecnologias completamente diferentes (mais modernas) e apresentar características bem diferentes do clássico LM7805. Por exemplo, o fabricante do QS7805 afirma que seu chip é capaz de converter uma entrada de 6,5v a 24v em uma saída regulada de 5v com uma eficiência que varia de 85% a 94%. Não esquenta ou esquenta muito pouco dispensando o dissipador de calor. A função, tamanho e espaçamento dos pinos do QS7805 é a mesma do LM7805, então é possível simplesmente retirar um LM7805 da placa e colocar um QS7805 no lugar e imediatamente ter um regulador muito mais eficiente e econômico.


Este chip na sua forma mais comum é encontrado no "package" TO-220, que é a embalagem com 3 pinos mostrada na foto abaixo:

Pinagem do 7805

O pino 1 deve ser conectado ao positivo da fonte de energia (a bateria). O pino central fica ligado ao terra (GND) e a saída com a voltagem regulada (5 volts) é obtida pelo pino 3. Teoricamente, dentro de condições muito ideais, o 7805 poderia até ser usado sozinho, sem nenhum outro componente, conforme mostrado no esquema abaixo. Mas nunca é uma boa ideia contar com condições ideais.

Esquema de ligação do 7805

Capacitores

Capacitores podem ter vários usos na eletrônica, mas neste contexto eles servem como filtros de linha, absorvendo pequenos picos de energia e fornecendo energia quando a voltagem cai ligeiramente.

Quando o circuito é ligado, um capacitor que tenha seus terminais conectados aos polos da fonte de energia, vai absorver energia até ficar carregado com a voltagem fornecida, a partir daí ele não absorve mais, mas fica carregado. Se a voltagem cair ele começa a se descarregar liberando energia para o circuito até que o capacitor e o circuito se equilibrem na mesma voltagem. Um pico de voltagem na fonte de energia vai ser em boa parte absorvido pelo capacitor, porque ele vai tentar se carregar até o nível do pico, absorvendo parte dele. Depois que o pico passa e a voltagem volta ao normal o capacitor começa a liberar a energia absorvida durante o pico gradativamente até se equilibrar com a voltagem do circuito.

Devido a esse comportamento, capacitores costumam ser usados na entrada e na saída de energia para eliminar ou pelo menos diminuir flutuações de energia.

Existem vários tipos de capacitores. Para esta aplicação é comum o uso de capacitores eletrolíticos. Estes capacitores podem ser encontrados em uma variedade muito grande de valores, desde 1uF até 1MF. Também são baratos e facilmente encontrados em lojas de eletrônica.

Capacitores eletrolíticos.

Há dois valores que são relevantes a respeito de um capacitor: sua capacitância e sua voltagem máxima. A capacitância se refere à quantidade de energia que o capacitor consegue armazenar e é expressa em Farads (F). A voltagem máxima indica com até quantos volts ele pode ser carregado sem que algo de ruim aconteça. É recomendado usar capacitores com uma voltagem máxima que seja pelo menos o dobro da voltagem nominal do circuito para garantir que ele não frite com um pico de energia. Então se o circuito é alimentado por baterias de 12 volts, seria recomendado que os capacitores tenham uma voltagem nominal de pelo menos 24 volts. Não tem nenhum problema usar capacitores com uma voltagem máxima maior. A desvantagem é que eles serão maiores, mais caros e ocuparão mais espaço no circuito.

Voltando ao nosso circuito, acrescentar capacitores na entrada e na saída de energia vai tornar a saída do nosso regulador mais estável e oferecer alguma proteção contra picos de energia. Os valores mais comuns para esta aplicação são de 100uF na entrada e de 10uF na saída. Abaixo o esquema do regulador com os capacitores.

Observações: Capacitores eletrolíticos são polarizados, isso significa que seus terminais precisam ser conectados nos polos certos. Inverter os polos de um capacitor eletrolítico faz com que ele perca o isolamento interno e fique definitivamente danificado. Todos eles tem uma faixa com um sinal de menos. Essa faixa indica o terminal que deve ser ligado ao terra (ou negativo).

Diodos

Diodo é o mais simples tipo de semicondutor. É um componente com dois terminais que tem a interessante característica de só deixar passar corrente em um sentido. Então ele é muito usado para proteger circuitos contra inversão de polaridade. Acrescentar um diodo à entrada de energia do circuito garante que ele só vai ser alimentado com a polaridade certa. Se alguém inverter os polos da bateria, o circuito simplesmente não funciona em vez de torrar os capacitores como poderia acontecer. O 7805 tem proteção interna contra inversão de polaridade, mas os capacitores eletrolíticos não têm e são muito sensíveis à inversão de polos.

Abaixo o esquema já com o diodo de proteção.

Interruptor

Isto é meio que óbvio, mas não pode ser esquecido. É preciso ter uma chave geral que ligue/desligue a alimentação do robô e o melhor local para isso é no circuito de alimentação. Para ser efetivo, o interruptor deve estar conectado à entrada de energia, não faz muita diferença em qual polo. No circuito acima o interruptor pode ser conectado imediatamente antes ou depois do diodo, ou ser instalado no polo negativo da bateria (GND), como no esquema abaixo:

Led de status

Uma indicação visual que mostre se o circuito está ligado ou desligado é extremamente importante e evita problemas futuros. Para esse fim é comum o uso de leds. Tecnicamente, leds são diodos, só deixam passar corrente em um sentido, mas eles têm essa característica de emitir luz quando tem corrente passando por eles. Leds são muito práticos, mas também são bastante sensíveis, existe um limite de corrente que eles podem suportar e que depende do tipo do led. Para este tipo de aplicação, o mais indicado é usar leds comuns de 3mm. Estes leds não consomem muita corrente então não interferem muito no consumo de energia.

exemplo de leds comuns com 5mm (à esquerda) e 3mm (direita). 5

Para limitar a corrente que passa pelo led, é necessário usar um resistor. Resistores são componentes que, como o nome indica, apresentam resistência à passagem de corrente. Então a corrente é obrigada a diminuir sua intensidade sempre que passa por um resistor. Para leds comuns de 3mm alimentados com 5 volts, podem ser usados resistores de 220 a 470 ohms. Quanto maior o valor do resistor, menos corrente irá passar e o led vai acender com menos intensidade. Valores mais baixos fazem o led acender com mais intensidade, mas diminuem a vida útil do led.

O melhor lugar para posicionar o led é próximo à saída do circuito, como mostrado no esquema abaixo:

Alimentação dos motores

Se estivéssemos fazendo apenas um regulador de tensão para 5 volts, já estaria pronto com o esquema acima. Mas o robô precisa de um pouco mais do que um regulador de tensão, ele precisa de um módulo de alimentação. Apesar de os motores não usarem a saída regulada de 5 volts, eles ainda precisam ser alimentados e já que estamos fazendo um circuito de alimentação, não custaria muito e facilitaria bastante se este circuito já tivesse também uma saída própria para os motores.

Se, como sugerido, a bateria fornece uma voltagem adequada para os motores, podemos simplesmente acrescentar um conector conectado ao positivo da bateria e ao terra do circuito. Se a conexão ao positivo for feita depois do diodo D1, então também os motores ficarão protegidos contra inversão de polaridade:

Mas o nosso módulo de alimentação ainda tem um problema. Note que toda a energia consumida pelo robô, incluindo motores e circuitos, passa pelo diodo D1. Os diodos da família 1N400x só suportam no máximo 1 amper. Os circuitos do robô não consomem muita corrente, mas por segurança, vamos considerar que em conjunto consumam 500 mAh. Já os motores vão consumir pelo menos 500 mAh cada um, embora isso dependa muito do motor. Também são comuns motores de passo que consomem 1 amper/h cada.

De qualquer forma, o total de corrente que vai passar pelo diodo é maior que seu limite máximo de 1 amper e portanto ele não vai aguentar. Para esse problema existem 3 soluções:

1. Usar um diodo com mais capacidade de corrente. Esta é a melhor opção. O diodo 1N5408 consegue suportar até 3A. Não é caro, só é mais difícil de achar do que os diodos da família 1N400x. Existem também opções acessíveis que suportam até 6A. Mais do que isso os diodos começam a ficar grandes e caros demais para este projeto.
2. Pegar a saída para os motores antes do diodo D1. Nesse caso apenas a corrente que alimenta os circuitos é que passa pelo diodo, mas não a corrente que alimenta os motores. É uma solução simples, mas a proteção para os motores é perdida.
3. Usar dois (ou três) diodos em paralelo. Ao passar por diodos em paralelo, a corrente se divide por eles. Por exemplo, se o robô está consumindo no total 1600 mAh, então dois diodos em paralelo só terão que suportar 800 mAh cada um, ficando dentro dos limites de operação deles.

Abaixo o esquema do módulo de alimentação usando dois diodos em paralelo. Importante lembrar que dependendo do consumo dos motores usados, dois diodos podem não ser suficientes, nesse caso é necessário acrescentar mais diodos ou usar diodos com maior capacidade de corrente.