Controle de um motor simples – Análise do hardware

O circuito é essencialmente dividido em duas seções. A seção um é o potenciômetro, conectado aos 5 V e ao terra, com o pino central indo para o pino analógico 0. Con-forme você gira o potenciômetro a resistência se altera, para permitir que voltagens de 0 V a 5 V saiam do pino central, cujo valor é lido utilizando o pino analógico 0. A segunda seção é a que controla a alimentação do motor. Os pinos digitais no Ar-duino fornecem no máximo 40 mA (miliampères). Um motor CC pode exigir cerca de 500 mA para operar em velocidade máxima; esse é obviamente um valor alto demais para o Arduino. Se você tentasse controlar o motor diretamente a partir de um pino do Arduino, danos sérios e permanentes poderiam acontecer.

Portanto, você tem de encontrar uma forma de fornecer uma corrente mais alta a ele. A solução é utilizar uma fonte de alimentação externa, a qual fornecerá corrente suficiente para alimentar o motor. Você poderia utilizar a saída de 5 V do Arduino, capaz de fornecer até 800 mA, quando conectada a uma fonte de alimentação externa. Entretanto, placas do Arduino são caras, e é muito fácil danificá-las quando conectadas a fontes de correntes elevadas, como motores CC. Por segurança, é melhor utilizar uma fonte de alimentação externa. Da mesma forma, seu motor pode exigir 9 V ou 12 V, ou amperagens mais altas, e isso está além do que o Arduino pode fornecer.

Note também que este projeto controla a velocidade do motor, por isso você necessita de uma forma de controlar essa voltagem para acelerar ou desacelerar o motor. É para isso que utilizaremos o transistor TIP-120.

Transistores

Um transistor é essencialmente um interruptor digital, que também pode ser utilizado como um amplificador de potência. Em seu circuito, você o utilizará como uma chave. O símbolo eletrônico para um transistor pode ser visto na figura 5.2.

Figura 5.2 – Símbolo para um transistor NPN.

O transistor tem três terminais: a Base, o Coletor e o Emissor, marcados como B, C e E no diagrama. Em seu circuito, você tem até 5 V entrando na Base por meio do pino digital 9. O Coletor está conectado a um terminal no motor. O Emissor está conectado ao terra. Sempre que você aplica uma voltagem à Base por meio do pino digital 9, o transistor liga, permitindo que a corrente flua por ele, entre o Emissor e o Coletor e, assim, alimentando o motor que está conectado em série com esse circui-to. Aplicando uma pequena corrente à Base, você pode controlar uma corrente mais elevada entre o Emissor e o Coletor.

Transistores são componentes essenciais em praticamente qualquer equipamento eletrônico moderno. Muitas pessoas consideram transistores como a maior invenção do século 20. Processadores de PCs e laptops têm entre 300 milhões e 1 bilhão de transistores.

Em nosso caso, você utilizou o transistor como uma chave para ligar e desligar uma voltagem e uma corrente mais altas. Quando uma corrente é aplicada à Base, a voltagem aplicada ao Coletor é ligada e permite-se que ela flua entre o Coletor e o Emissor. Como você está pulsando seu sinal, o transistor liga e desliga muitas vezes por segundo; é essa corrente pulsada que controla a velocidade do motor.

Motores

Um motor é um eletromagneto, que possui um campo magnético enquanto energia é fornecida a ele. Quando a alimentação é removida, o campo magnético colapsa; esse processo pode produzir uma tensão reversa, que retorna em sua fiação. Isso po-deria danificar seriamente seu Arduino, e é por isso que o diodo foi posicionado de forma contrária no circuito. A listra branca no diodo normalmente vai para o terra. Energia fluirá do lado positivo para o lado negativo. Como você posicionou o diodo ao contrário, nenhuma energia o atravessará. Entretanto, se o motor produzir uma força eletromotriz inversa e enviar corrente de volta pela fiação, o diodo atuará como uma válvula para impedir que isso aconteça. Dessa forma, o diodo em seu circuito foi adicionado para proteger seu Arduino.

Se você conectasse um motor CC diretamente a um multímetro sem nenhum outro componente conectado, e girasse o eixo do motor, veria que o motor gera uma cor-rente. É exatamente dessa forma que turbinas funcionam. Quando você remove a alimentação de um motor que está funcionando e rotacionando, o motor continua girando em razão de sua inércia até que pare. Nesse intervalo de tempo, em que o motor rotaciona sem alimentação aplicada, ele gera uma corrente. Essa é a mencionada força eletromotriz inversa (back EMF). Novamente, o diodo atua como uma válvula e garante que a eletricidade não flua contrariamente pelo circuito, danificando outros componentes.

Diodos

Diodos são válvulas de uma via. Exatamente da mesma forma que uma válvula antirre-torno em um encanamento permite que a água flua em apenas uma direção, o diodo per-mite que uma corrente flua em uma direção, mas não em outra. Você encontrou diodos quanto utilizou LEDs. Um LED tem uma polaridade. Você conecta o terminal positivo da alimentação ao terminal mais comprido do LED para acendê-lo. Posicionando-o ao contrário, o LED não apenas não acenderá, como também impedirá que a eletricidade flua em seus terminais. O diodo tem uma faixa branca ao seu redor, próxima do terminal negativo. Imagine essa faixa branca como uma barreira. Eletricidade flui pelo diodo a partir do terminal que não tem barreira. Quando você reverte a voltagem e tenta fazer com que ela flua pelo lado que tem a faixa, a corrente é interrompida.

Diodos são essenciais na proteção de circuitos contra tensão reversa, como quando você conecta uma fonte de alimentação da forma errada, ou se uma voltagem é re-vertida, como uma força eletromotriz inversa em seu circuito. Dessa forma, procure sempre utilizá-los em seus circuitos quando houver risco de que a alimentação seja revertida, seja por erro no uso ou por fenômenos como a força eletromotriz inversa.