NRegulator – “O” Regulador de Tensão

Na trilogia dedicada às baterias, mais propriamente no post “Células e Baterias – parte 1/3”,  prometi que a seu tempo explicaria para que serve a bateria auxiliar de chumbo (Pb) que acompanha a Morcega. Promessa entretanto cumprida no post “Estrela Elétrica”, onde revelei também que uma das funções que faço do conversor DC/DC é a sua utilização como carregador da bateria auxiliar. Finalmente, neste post, rodamos a chave na ignição para ver como é que isto tudo funciona na prática.

Antes ainda de nos fazermos à estrada, façamos só uma pequena verificação de rotina. Como anteriormente o havia dito, existem 2 sistema elétricos distintos na Morcega: um sistema de tração, responsável pelo fornecimento de energia ao motor e que opera a uma tensão elevada – 76V, e um sistema distinto, de baixa tensão – 12V, para o funcionamento dos restantes elementos. Disse-o também que, o elemento responsável por esta conversão de tensão é o conversor DC/DC.

O sistema de baixa tensão é o sistema que fornece energia às luzes, piscas, buzina, etc. e na Morcega, é onde também constam os controlos necessários à ativação do sistema de tração – aquele que verdadeiramente faz mover o nosso veículo.

Falando agora em concreto do conversor DC/DC que equipa a Morcega, para que este funcione é necessário ligarmos-lhe o positivo e o negativo da bateria de tração, assim como uma ligação de sinal – o ‘trigger’ para a ativação do conversor, pois este só funciona se o ‘sinal’ estiver ligado ao positivo da bateria de tração. Uma vez em funcionamento, o conversor gera na sua saída (positivo e negativo) uma tensão de 13,5V.

O que é pretendido num primeiro momento quando se roda a chave na ignição, é ligar o conversor de forma a ativarmos o circuito de baixa tensão. Temos assim, o relé de ignição a funcionar como interruptor do conversor. Como mencionei atrás, o conversor é ativado pela ligação do positivo da bateria de tração à entrada referenciada por ‘Input Switch’ no conversor. Uma vez que esta sinalização é realizada mediante uma tensão elevada (origem no pack de tração) e de forma a proteger a ignição e os seus contactos quando se roda a chave, montei um vulgar relé auto, comumente utilizado na indústria automóvel, para gerir a ignição, i.e., passa a ser este elemento relé a controlar o ‘sinal’ que o DC/DC necessita para se colocar em funcionamento.

 “Bom, ok, e de onde vem a energia para o funcionamento do relé ligada à ignição”? Para os leitores que me fizeram esta pergunta, recomendo uma passagem de olhos pelo post “Estrela Elétrica” porque, além de explicar pormenorizadamente o que atrás tentei resumir, responde claramente a esta questão. Vale a pena reler esse post porque está efetivamente bem escrito e detalhado, ou não tivesse sido eu o seu autor. Cof, Cof…

Para os mais preguiçosos, ou para aqueles que julgam saber tudo, confiram então a resposta correta: «railixua airetab». (sim, normalmente as solução são escritas ao contrário para dificultar a leitura)

Após esta pequeníssima revisão ao estado do nosso veículo maravilha, podemos finalmente baixar a viseira e fazermo-nos ao asfalto. Tenho portanto uma bateria auxiliar de 12V que fornece energia “a cenas”‘¹, uma bateria de tração de 76V que faz o motor rodar, tenho um conversor DC/DC que me alimenta um circuito elétrico a 12V e tenho agora também uma necessidade nova que é a de carregar a bateria auxiliar. Não, não pode ser carregada com o mesmo carregador utilizado para a bateria de tração e não, não quero também ter o ónus de ter de carregar de vez em quando esta pequena bateria, quero antes chegar à bomba de gasolina e utilizar uma só mangueira – desculpem-me esta comparação poluidora. Como uma necessidade nunca vem só, a determinada altura da montagem da Morcega, senti necessidade também de ter uma alimentação a 5V, isto para o sistema da travagem regenerativa, algo que abordarei num outro post (por este andar deve sair só para o ano, pensam vocês!). Foi assim que surgiu o cérebro que gere estas necessidades, um regulador de tensão que carinhosamente registei com a patente de ‘NRegulator’, um fiel tributo de agradecimento ao amigo que me ajudou a desenvolver e a pôr em prática esta ideia – Nuno João.

“a cenas”‘¹– Optei por fazer depender da bateria auxiliar apenas o essencial, i.e., a alimentação do relé de ignição mas posso, por exemplo, instalar de um sistema de alarme (sim, é ridículo porque ninguém rouba a Morcega mas é um exemplo). Este teria de ficar também ligado na bateria auxiliar para que tivesse energia enquanto a mota está (totalmente) desligada.

 Uma vez rodada a chave na ignição, o DC/DC entra em ação e toda e qualquer necessidade de 12V da Morcega passa a ter como origem a bateria principal.

 

O NRegulator deverá conseguir…

• Carregar a bateria auxiliar durante o funcionamento da mota;
• Fornecer uma tensão de saída constante a 5V para o sistema de travagem regenerativa;
• Substituir a bateria auxiliar utilizada pelos dispositivos ligados no circuito alternativo de 12V, pela energia gerada pelo conversor DC/DC, uma vez este colocado em funcionamento.

 

1 – NRegulator, função “Carregador da Bateria Auxiliar”

A primeira abordagem à criação de algo novo deve começar pela transferência de uma ideia positiva para uma folha de papel em branco, potenciando assim o diferencial de energia. Juntamos depois uns díodos, para assegurar o sentido das ideias e umas resistências para controlar o seu fluxo e garantir assim que o enchimento da folha se processa com o mínimo de perdas e a máxima eficiência. Processa-se em seguida a arte rupestre acabada de criar no papel, aproveitando as boas notas para regenerar algumas novas ideias, devolvendo-as em seguida de novo ao cérebro. Mais tarde estaremos de volta a todo o processo, alimentando-o com novos dados obtidos por recurso a novas fontes de informação. A técnica aplicada foi mais ou menos esta e o resultado prático foi o seguinte:

Nada mais simples de compreender, ora sigam-me.

Quando o DC/DC está desligado, a bateria auxiliar fornece 12V aos dispositivos que estiverem conectados ao Load B, através de D3. Assim que o DC/DC liga, este fornece energia a tudo o que estiver ligado ao Load C (circuito principal de 12V), à bateria auxiliar (aqui carrega a bateria) e também aos dispositivos do Load B.

Os díodos são colocados em série para garantir o fluxo da corrente, ou seja, D3 garante a alimentação de Load B; D2 impede que a bateria auxiliar interfira na alimentação de Load C; D1 impede que a bateria auxiliar possa ser descarregada pelo circuito normal de 12V da mota (Load C). É um esquema típico que permite ter 2 “fontes de alimentação” a alimentar a mesma carga. Os díodos impedem assim que uma das fontes tente “alimentar” a outra. Necessitamos disto assim porque queremos o DC-DC a alimentar a bateria auxiliar, não diretamente mas através de R1.

A resistência R1 tem o propósito de impedir que a bateria auxiliar carregue acima da sua corrente normal – 0,4A máximo, ou seja, limita a corrente de carga.

 

1.1 – Determinação dos díodos (D):

O díodo é um componente elétrico que permite que a corrente o atravesse num sentido com muito mais facilidade do que no outro. Dos díodos apresentados no diagrama, há um em particular que merece a nossa atenção – D1. A corrente ao atravessar um díodo sofre uma queda de tensão, queda essa que se quer mínima no caso de D1, pois a finalidade é conseguir-se um diferencial de tensão entre o carregador (DC/DC) e a bateria auxiliar, que seja suficiente para o seu carregamento.

 

“A queda de tensão num díodo é proporcional à corrente que o atravessa no momento em que se mede a tensão.”

 “díodo Schottky (…) este tipo de díodo tem uma queda de tensão mais baixa (0.3V – 0.4V). “

Ver: https://troniquices.wordpress.com/2011/06/07/0-6v-0-7v-afinal-qual-e-a-queda-de-tensao-num-diodo/

 

Observando o diagrama, e abstraindo-nos para já da resistência R1, constata-se que a tensão máxima da bateria auxiliar deixa de ser a saída do DC-DC (13.5V) e passa a ser 13.5V – Vfw (Vfw = queda de tensão num díodo quando polarizado no sentido normal ou “ForWard”), o que a passar umas dezenas de mA para um Schottky são uns 13.5V – 0.3V = 13.2V e para um PN (díodo de junção) serão uns 13.5V – 0.75V = 12.75V.

Tendo em conta a necessidade de maximizar o diferencial de tensão para o carregamento da bateria auxiliar, optou-se por um díodo 1N5817 Schottky para D1. As cargas utilizadas em D2 e D3 não constituem um problema, e podíamos até usar díodos “PN” como por exemplo os 1N400x mas foi tudo corrido a 1N15817.

 

1.2 – Cálculo da resistência R1:

A tensão mínima, sem degradação, a que a bateria auxiliar utilizada pode chegar é de 10,5V e a corrente máxima de carregamento é C/10 = 0,4A. Neste ponto mínimo, a corrente de carga assume o valor máximo pela maior diferença de tensão entre o carregador (o conversor com uma tensão constante de 13,5V) e a bateria. Do mesmo modo, à medida que a bateria vai sendo carregada e a sua tensão sobe, a corrente de carga naturalmente que diminui.

Tendo o DC/DC um output de 13,5V, e contando com uma queda de tensão em D1 de 0,35V, significa que R1 irá ver nos seus terminais o máximo de: 13,5V – 0,35V – 10,5V = 2,65V.

Duas opções agora para o cálculo da resistência R1…

 

1.2.1 – Opção mais conservadora:

Se quisermos ser conservadores, temos de começar por pensar que a tensão mínima da bateria é de 10.5V. Se queremos uma corrente máxima de carga de 0,4A, a lei de Ohm diz que R tem de ser 2,65V / 0,4A ~= 6,63Ohm. O valor comercial mais próximo deve ser 6.8 Ohm.

Esta opção garante que não se excedem os limites de corrente no carregamento.

 

1.2.2 – Opção menos conservadora:

Se dermos primazia à velocidade de carga da bateria auxiliar e baixarmos o valor da resistência ao mesmo tempo que assumirmos, por exemplo, que a carga da bateria auxiliar nunca vai abaixo dos 50%, significa aceitar que se um dia a tensão vier mais abaixo, no início da carga, a corrente será superior aos tais C/10 da bateria (0.4A), máximo aconselhado pelo fabricante. Nesta opção, o carregamento dá-se a uma velocidade superior mas corremos o risco de exceder os limites aconselhados pelo fabricante.

“Por qual optei?” Não se vê logo? Conservador é o meu nome do meio…

 

1.3 – Dissipação energética da resistência R1:

Em termos de dissipação de energia pela resistência (calor produzido em utilização), o pior caso é o calculado no cenário mais conservador, i.e., quando a corrente e tensão que a resistência vê são maiores, logo: 2,65V * 0,4A = 1,06W. Como normalmente se considera o dobro do valor máximo que vai ser dissipado, falamos redondamente de 2W.

 

2 – NRegulator, função “Regulador Linear de 5V”

Não vou por ora explicar a razão desta necessidade, senão não vendo jornais no mês que vem. Ficam apenas para já a saber, que a determinado momento necessitei de uma alimentação a 5V para o circuito da travagem regenerativa e que o NRegulator sofreu assim um upgrade para o acomodar. O requisito era simples: fornecer uma saída de tensão constante de 5V quando alimentado pelo DC/DC. Já a definição do diagrama…

Inicialmente, para candidato ao óscar de componente principal para o papel de regulador de tensão, tínhamos os reguladores 7805 e o LM317. Assim de caras, o 7805 era o protagonista preterido porque é um componente que consome até 6mA em standby (isto é, sem carga), que entram pela entrada e saem pela pata de GND, logo, fica a “queimar” 13.5V * 6mA = 81mW. Não parece muito, mas com o tempo a coisa vai aquecendo… O galã da longa-metragem, o LM317, nas mesmas condições, consome menos de 1mA, portanto logo < 13.5mW. Ainda assim, seria sempre aconselhável um dissipador, tendo em conta que se trata de uma aplicação automotiva, logo, sujeita a um ambiente por vezes pouco controlado e agressivo, e também antevendo já o aquecimento provocado pelo consumo do seu cliente – módulo da travagem regenerativa. Mesmo sem estimar ainda este consumo, era fácil adivinhar o que estava no interior do envelope… “and the Oscar goes to”… LM317.

Os conhecimentos e a experiência do Nuno João, eram nesta altura fundamentais para a definição deste circuito. Só a sensibilidade de alguém tão experiente, colocaria nesta altura sob foco a questão térmica e a necessidade da dissipação energética.

Efetivamente era necessário saber a corrente necessária a 5V, para se calcularem os restantes componentes do circuito. Sabíamos à partida que para a travagem regenerativa, iriamos necessitar de um relé 5-12V para acionar o circuito das luzes de travão quando a regeneração entrasse em funcionamento e que iriamos ter um Attiny45 a controlar todo o circuito. Consultando a datasheet do relé, verificamos que o seu consumo máximo é de 89,3mA. O Attiny45 a funcionar a 8Mhz consome 10-12mA. Temos assim um consumo estimado máximo aproximado de 100mA.

Por esta altura …”100mA ainda é qualquer coisa”, dizia o entendido na matéria. Havia uma referência em relação a temperatura e dissipação que o Nuno bem conhecia – um TO220 (como o LM317) sem dissipador e a dissipar ~200mW fica a escaldar ao toque (rule-of-thumb, se escalda ao toque => temp.> 60ºC).

Pensando nos 100mA de consumo estimado (pese embora o relé não esteja em contínuo), a dissipação anda aí pelos (max(Vbat) – 5V) * 100mA = (13,5 – 5) * 100mA = 850mW. Valor considerável que, nesta altura, conduzia à hipótese de se usar um comutador regulado …

O comutador regulado, funciona de forma diferente do LM317 ou do 7805, estes últimos são como “resistências” que queimam a voltagem em excesso para obter a voltagem desejada e quando refiro queimam, refiro libertação térmica => aquecimento! O comutador regulado não. Ele retira da voltagem superior “bocadinhos” de energia “n” vezes por segundo para obter a voltagem desejada. Tem como único senão a necessidade de ter no circuito mais alguns extras para que se “suavize” os bocadinhos todos num “fluído” normal de energia. Dessa forma, eles desperdiçam muito pouca energia, são eficientes, e como tal, muito pouco calor é gerado.

Essencialmente devido ao consumo, o regulador selecionado, seja ele qual for, só deverá estar ligado quando o DC-DC também estiver, ou seja, não pode ficar a ser alimentado pela bateria auxiliar senão esgota-a num instante.

Decidiu-se fazer uma primeira experiência para avaliar a temperatura em funcionamento. Montou-se o circuito para testar e utilizou-se uma câmara térmica para aferir zonas de calor.

Um primeiro teste ao LM317, permitiu verificar que com 16mA de carga e sem dissipador, a temperatura máxima verificada foi de 28ºC.

Nada preocupante para já, mesmo tendo em consideração a realização do teste a uma temperatura ambiente de 18ºC, mas faltava fazer um teste mais real. Este segundo teste, utilizou um pedaço de alumínio em “L” a servir de dissipador e teve por objetivo medir a temperatura do LM317 com 100mA de corrente a 5V, durante 15 minutos de utilização contínua. Eis o resultado obtido.

Depois de ~15 minutos a puxar 105mA da saída e com 14V na entrada, a temperatura exterior do LM317 não ultrapassou os 32ºC. Se estivessem mais 20 graus de temperatura ambiente, a temperatura não teria passado dos 52ºC, o que é aceitável (rule of thumb: começa a escaldar nos dedos por volta dos 60 graus); no entanto, ainda é preciso ter em conta que estava a 105mA quando na verdade não deverá passar dos 95-100mA e que não vai estar seguramente 15 minutos seguidos sujeito a essa corrente.

Parecia estarmos perante um bom setup com um bom dissipador. O tema da dissipação de energia e remoção de calor, é um tema complexo e cujo sucesso é por vezes tão variável quantas as técnicas que se podem aplicar. No caso do NRegulator, fomos bem sucedidos com a aplicação de alumínio, o que é sempre preferível à utilização de ventoinhas, pois mais cedo ou mais tarde acabam por ser um problema de fiabilidade.

Manteve-se assim no circuito o LM317, abandonando-se definitivamente a ideia do comutador regulado. O circuito propriamente dito, viria a ter “meia dúzia” de componentes: um LM317, 3 resistências, 3 díodos para proteção contra inversão de polaridade, 2 condensadores e um led, sempre útil nestes circuitos.

 

Versão download do circuito final em versão PDF: NRegulatorSchematics.

 

E assim surge o NRegulator, idealizado e montado pelo Nuno. O aspeto final é excelente, como se consegue comprovar pelas imagens (ao vivo é ainda melhor, garanto-vos!).

Havia agora que montar o circuito numa caixa, para que posteriormente pudesse ser instalado na Morcega. Encontrei a caixa adequada na loja Mauser. Com um pouco de bricolage à mistura, consegui fixar o circuito à caixa, bem como abrir espaço na mesma para a passagem dos fios. Este tipo de trabalho deve ter também como preocupação, que o calor gerado pelos circuitos no interior das caixas deve conseguir sair ou circular. Não só se evitam assim sobreaquecimentos como também se evita a formação de condensação provocado por diferenças térmicas em instalações excessivamente protegidas. É o que eu digo, dissipação e arrefecimento são uma arte. …Muitas vezes do acaso … e poucas vezes científicas.

 

Conclusão 

Estamos perante um verdadeiro shampoo moderno, um dois-em-um tecnológico, um carregador de bateria 12V e um regulador de tensão 12V-5V. Um circuito exclusivo, concebido para a Morcega, tendo em conta requisitos suigeneris. A função de carregador mantém a bateria auxiliar sempre em boas condições, e já vimos o que ela permite e para o que é usada. O regulador de tensão, é tão-somente a diferença entre conseguir ter ou não na mota um circuito de travagem regenerativa progressiva, como vos hei-de dar conta num próximo episódio desta saga.

“Se era necessário tudo isto?” Bom, na verdade não. Algumas motas não têm esta bateria auxiliar. Na verdade, esta mota quando foi comprada não tinha. “Como é que funcionava?” Simples, a sua ignição era a única responsável por arrancar com o conversor DC/DC mas isto à custa do atracar de contactos com voltagens de mais de 70V em vez do 12V atuais, e depois vieram os problemas de maus contactos nestas ignições, verificados em motas iguais à Morcega. Isto para não falar da diferença de segurança que representa a baixa tensão versus a tensão da bateria de tração a passar em contactos onde inserimos e manuseamos uma chave … metálica. Se optasse por não instalar a bateria auxiliar, substituiria o canhão da ignição por um específico e com proteções adicionais.

“…e como é que eu faria para obter os 5V necessários ao circuito da regeneração?”. Não faria. Na verdade, esta mota quando foi comprada não tinha. Estou a ficar repetitivo, desculpem-me. Apesar de a regeneração ser uma característica muito badalada para fazer publicidade à mota quando a comprei, ela nunca esteve ativa porque, segundo o vendedor, a regeneração atingia picos de corrente tão elevados que avariava os controladores. Como bem enganar o cliente foi sempre o lema deste vendedor, optou ele assim por desligar o sistema em vez de descobrir uma maneira de resolver o problema. Lá atrás, no post 6, quando abordei o tema da travagem regenerativa disse:

 

“(…)permitir que ela possa ser progressiva na utilização, i.e., por intermédio de um qualquer potenciómetro podemos a nosso belo prazer definir o quanto queremos de regeneração mediante a circunstância.”

 

Ora, se eu não conseguisse gerar os 5V para alimentar um potenciómetro, teria de optar por outra solução ou tão simplesmente abandonar a função “progressiva” e passar a disponibilizar a regeneração por intermédio das outras duas opções que este controlador oferece: regeneração ao deixar de acelerar ou regeneração ao acionar o travão. O problema é que, uma vez utilizada a regeneração progressiva, não queremos nós outra coisa.

Peço desculpa por quase vos ter esgotado a autonomia neste já longo post. Acontece que o tema é apaixonante e a sua implementação fez da Morcega, uma mota elétrica ÚNICA no MUNDO e como tal, sinto-me um orgulhoso motard aos seus comandos. Poucos o compreenderão, mas detalho assim este trabalho em prol de todos os que quiserem experimentar o nirvana que alcancei após meses a fio na construção da Morcega. Ficarei ainda mais feliz, se souber que este meu esforço motivou alguém a experimentar fazer algo mais sustentável na sua vida.

Há braços no ar…?