Controle de SMAs com PWM
Os SMAs requerem corrente para atuarem mecanicamente. Em nossas experiências (publicadas aqui na Revista Mecatrônica Fácil) temos ilustrado o controle dos mesmos através da passagem de corrente direta pelo SMA. Este tipo de controle é funcional e atende à maioria das aplicações.
Porém, muitas vezes necessitamos que o SMA atue apenas até um determinado ponto, e com um controle direto isso pode ser um tanto difícil. O circuito que propomos neste artigo pode ajudar no controle de SMAs, pois permite um controle mais "fino" na potência final aplicada sobre a fibra.
O tema PWM já foi abordado inúmeras vezes aqui, na Revista Mecatrônica Fácil. Ele está presente no controle de cargas como motores, indutores e muitos outros. A sua importância para o mundo da Mecatrônica/Robótica é muito grande. Discorreremos um pouco sobre PWM e, no final da abordagem, daremos outras referências para complementar a leitura/ conhecimento do nosso leitor.
Basicamente, o PWM (Pulse Width Modulation — Modulação por largura de pulso) permite variar a alimentação do SMA (ou outro dispositivo qualquer) através de pulsos. Assim, temos momentos em que o SMA recebe a alimentação total, e outros em que não há alimentação. A largura do pulso determina a quantidade de potência total que o SMA recebe. Veja a figura 1
Note que quanto maior for T1, maior será o tempo que a corrente circulará pelo SMA. Quanto menor este tempo, menor o tempo que circula a corrente. O tempo T2 também é importante, pois ele determina por quanto tempo o SMA não receberá corrente alguma. Um ponto fundamental é que em nenhum momento houve variação na intensidade da corrente elétrica que circula pelo SMA, mas apenas no tempo que em a mesma é aplicada. Ela é máxima sempre.
Sendo assim, estaremos controlando nosso SMA não de maneira, linear (figura 2), porém de maneira "pulsada". Ele sempre receberá a corrente máxima determinada, mas por intervalos de tempos curtos, o que permitirá uma atuação melhor do mesmo (controle de posição). Uma experiência que o leitor poderia realizar, para verificar o descrito, seria a seguinte:
- Repita os passos de montagem da experiência "1" (artigo publicado na edição n°10 Maio/Junho 2003). Veja figuras 3 e 4.
- Pressione S1 até que a alavanca atinja meio curso do determinado na experiência. Agora, solte e volte a pressionar repetidamente o botão S1, em breves intervalos de tempo. O leitor notará que é possível controlar a posição desejada para o SMA. Claro que a precisão disso dependerá do pressionar/soltar o botão S1.
Esta "precisão" que acabamos de citar, na verdade, é a "frequência" do nosso "PWM". Lembram-se quando nos referimos aos tempos T1 e T2? Pois bem, as larguras dos pulsos são repetidas sempre de maneira igual. Para um circuito eletrônico isso é uma tarefa simples, mas para nós nem sempre o é.
Para saber um pouco mais sobre "PWM", aconselhamos a leitura do artigo "Controle PWM de potência" de Newton C. Braga, publicado na edição n°6 da Revista Mecatrônica Fácil.
O CIRCUITO
Na figura 5 temos o circuito do controle de PWM proposto. O leitor mais atento e que acompanha nossa série sobre SMAs, deve ter notado que a configuração eleita para o circuito é muito parecida com a adotada para a "Fonte de corrente para SMA" publicada na edição n°11 de Julho/Agosto de 2003 da Revista Mecatrônica Fácil.
A intenção foi essa mesma! Aplicar um circuito PWM na fonte de corrente. Assim, o leitor que montou a fonte pode acrescentar mais um recurso a ela, de maneira fácil. E, para aquele que não montou a fonte ainda, poderá agora analisar mais cuidadosamente os recursos da mesma e pensar na sua montagem.
O circuito integrado LM317 é um regulador variável de voltagem para tensões entre 1,5 V e 37 V com correntes de até 1,5 A. A configuração adotada no circuito permite que através de P1 (resistor limitador de tensão) obtenha-se a variação de corrente para o SMA. Na tabela 1 o leitor tem as informações necessárias sobre o valor que P1 deve assumir, para cada tipo de fibra Flexinol (SMA). O comprimento adotado para a fibra nesta tabela é sempre 10 cm.
O transformador T1 é responsável por abaixar a tensão da rede para uma tensão mais apropriada para o trabalho: 12 V. Os diodos D1 e D2 retifica a corrente e devem suportar uma corrente média de trabalho de no mínimo 3 A. C1 e C2 fazem a filtragem.
A novidade do circuito fica por conta do Cl2 NE555. Em nosso circuito ele foi configurado de maneira a formar um oscilador do tipo "biestável" (oscilador). Sua saída foi ligada a S3. Assim, podemos determinar se desejamos a presença ou não do sinal "PWM" no controle da fonte. Os transistores Q1 e Q2 quando em condução (S2 pressionado ou sinal PWM ativado através de S3), permitem a passagem da corrente pelo SMA. A chave S1 liga a fonte e o LED D3 faz esta indicação.
Caso o leitor deseje, poderá optar por inserir um galvanômetro (amperímetro) entre o SMA e P2. O fundo de escala do amperímetro deverá ser tal que permita que o mesmo realize as medidas da corrente máxima suportada pelo circuito de 1,5 A. Geralmente, um galvanômetro para até 3 A pode ser utilizado sem maiores problemas. O leitor também poderá usar um multímetro de baixo custo, substituindo o galvanômetro. Lembre-se do fundo de escala requerido. Muitos multímetros não trabalham com correntes DC altas, principalmente os do tipo "Analógico". Porém, os multímetros digitais de custo baixo operam em média com corrente de até 10 A.
A presença do galvanômetro ou multímetro no circuito poderá ajudar durante a calibração da fonte para operar com o SMA (forma manual de operação com S3 aberto), pois mesmo no decorrer da operação com PWM, da calibração manual será necessária.
AJUDA COM OS CÁLCULOS
Descrevemos agora algumas fórmulas para que o leitor entenda um pouco melhor o funcionamento do Cl 555 na configuração "oscilador" e também para que o mesmo possa, se quiser, fazer suas próprias experiências trocando os valores dos componentes modificando assim a frequência do PWM (tempos T1 e T2).
f= [ 1,44 / (Ra + 2 x Rb) x C ] Hz
Os tempos "T1" e "T2" podem ser calculados com a ajuda das fórmulas:
T1 =0,6933 x (Ra + Rb) x C segundos
T2= 0,693 x Rb x C segundos
E o tempo total "T" pode ser calculado com a fórmula:
t = 1 / f segundos
Os valores nas fórmulas devem ser trabalhados da seguinte maneira:
Ra da fórmula = P2 do circuito + R 4 em ohms
Rb da fórmula = R5 em ohms
C da fórmula = C3 em Farads
Tome cuidado na conversão. O resistor Ra poderá assumir dois valores. Quando P2 estiver totalmente para um lado, ele oferecerá resistência total, então seu valor será somado a R4, e obteremos um resultado igual a 11 kohms. Para aplicar este valor na fórmula devemos convertê-lo para Ohms.
11 kohms = 11000 ohms
Quando P2 estiver totalmente para o outro lado, sua resistência será "zero", e assim teremos apenas o valor de Ra = 1 kohms.
1 kohms = 1000 ohms
O leitor deve notar que temos então que calcular dois tempos para T1. Um para o potenciômetro na posição de máxima resistência e outro para a mínima. O valor de P2 não interfere no valor de T2.
A conversão do capacitor também é importante e devemos ter muita atenção nisso:
C3 = 330 nF = 330 x 10-9 F = 0,000000330 F
MONTAGEM
Na figura 6a temos o "lay-out" da fonte de corrente para SMA, publicada na edição n°11, e na figura 6b poderá ver um outro "lay-out" para o circuito de PWM. A montagem foi dividida em duas partes para facilitar a vida de nossos leitores. Aqueles que já montaram a fonte e obtiveram sucesso com ela, poderão agora montar apenas o circuito de PWM e ligá-lo ao circuito da fonte, conforme mostrado na figura 6, através de fios. Estes fios serão soldados por baixo da placa da fonte. São apenas três ligações a serem feitas. Veja a tabela 2.
Para o leitor que não montou a fonte ainda, basta confeccionar ambos os "lay-out's". Assim, poderá neste caso, por exemplo, confeccioná-los na mesma placa e substituir os fios de ligação por trilhas.
Tenha cuidado ao soldar os componentes polarizados como os circuitos integrados Cl1 e CI2, diodos, capacitores eletrolíticos, os transistores Q1 e Q2, o LED D1, etc. Após a montagem, faça uma conferência minuciosa. Verifique se nada foi esquecido, se nenhuma solda foi omitida, se nenhum componente foi invertido ou trocado (no caso dos resistores é muito fácil trocar um pelo outro acidentalmente), e se as ligações entre as placas estão corretas.
Para a montagem das placas em um gabinete (caixa), o leitor poderá usar a figura 7 como referência para distribuição dos elementos no painel. Internamente, procure distribuir ambas as placas de maneira a facilitar a ventilação. Lembre-se que o CI1 e Q2 necessitam de radiador de calor. Observe se a caixa que será utilizada possui furação para facilitar a troca de "ar" entre o interior e o exterior da mesma (furos de refrigeração). Se esta não possuir, procure fazê-los. Outro cuidado a ser tomado, diz respeito a isolação das placas e conectores, se a caixa for do tipo metálica. Para evitar contratempos prefira as caixas do tipo plásticas. Na figura 8, confira a montagem em matriz de contato.
TESTE E USO
Para testar o circuito de PWM, posicione a chave S3 no modo manual (atuação através de S2) e ligue a fonte. Regule a corrente que circulará pelo SMA com o auxílio de uma "carga fantasma" através de P1. Esta carga nada mais é que um resistor de 10 W de dissipação, ligado aos "bornes" de saída da fonte, com resistência igual à resistência da fibra SMA que será utilizada. Ajuste a corrente de acordo com as tabelas já publicadas em nossa série sobre os SMAs. Lembre-se da potência máxima admitida para cada fibra!
Feita a regulagem prévia manual, coloque S3 na posição "PWM" e ajuste P2 a 50%. Repare a atuação da fibra. O leitor notará uma certa variação na leitura da corrente; indicada no galvanômetro. Note que agora é possível variar o ponto de atuação da fibra de maneira mais fácil.
Como explicado, o leitor pode alterar os valores dos resistores e do capacitor utilizados no circuito de PWM (R4, P2, R5 e C3).
Assim, de acordo com o trabalho desejado, cada um poderá encontrar a melhor relação de "potência" entregue ao SMA.
CONCLUSÃO
O leitor acompanhou até está edição algumas sugestões para aplicações de SMAs. Muitas estão por vir, mas agora as faremos sob a forma de artigos com projetos práticos muito interessantes e não sob a forma de uma série. Nossa série cumpriu seu papel de informar e levar até o leitor informações sobre os SMAs.
Esperamos que tenha gostado do que foi mencionado até aqui e que o material disponibilizado possa ajudar em suas experiências. Até uma próxima!
