AT5 Slim Power - a super fonte de bancada inteligente de alta performance

Tudo começou por volta de junho desse ano, quando minha guerreira fonte de bancada passou a se entregar após anos de serventia. Tinha algumas ideias para dar um upgrade nela, já que meus últimos projetos precisaram de mais corrente do que ela poderia entregar, mas esbarrei na trabalheira que seria fazer um trafo maior caber lá dentro (não, eu não quero usar uma fonte chaveada nisso!) e ainda dar conta da dissipação de calor que aumentaria muito dentro daquele gabinete pequeno. Em agosto decidi que partiria do zero, um novo e empolgante projeto que terminaria na montagem de uma super fonte de bancada inteligente, com alta performance, proteções de ponta a ponta e um tamanho reduzido para ser prática de ser transportada. Hoje é dia 02/11 e alguns meses foram engolidos durante esse projeto, que me tomou bastante tempo e planejamento.

Antes de continuar e para não correr o risco de ser redundante nesse post, peço que conheça a fonte antiga F5812ADJ que se aposentou (e que vai servir suas peças para testes e outros projetos, é claro!) e também leia em seguida a postagem que deu início a essa jornada, lá em agosto.

Sou das antigas e fonte de bancada pra mim, tem que seguir a premissa raiz trafo-retificação-alta filtragem. Temos um mercado chinês muito eficiente inundando as prateleiras com fontes de bancada a preços atraentes mas também com projetos falhos e sem a utilização de transformador isolador, o que naturalmente inclui uma fonte chaveada barata, de alta corrente e sem qualquer tipo de proteção. Aí, meu guerreiro diyman, você está há dias em cima de um projeto utilizando uma fonte xing ling dessas e o chaveamento vai pro saco largando corrente e tensão em alta escala no seu adorado circuito. Imagina só. Isso sem falar nos ruídos impraticáveis que essas fontes geram, podendo interferir diretamente no seu projeto fazendo com que você perca horas até descobrir o porquê do microcontrolador travar, por exemplo. Por isso quis fazer uma fonte com rígidos controles e proteções. Já havia mencionado no post que deu início ao projeto sobre as características que eu gostaria de ter e ao mesmo tempo, fui atualizando novas funções ou retirando funções que antes pareciam interessantes. Ao mesmo tempo que sou prático, sou um burocrata quando se trata dos meus projetos. Agora, com o projeto concluído, veja como ficou:

Entrada: 220V ±7,4A (full power)

Proteção entrada: fusível, filtro de linha full, varistor, terra lift/ground

Saída: 1.1V a 19,4V x 4,2A x 19,300uF (entra em proteção a partir de 4,33A, trafo de 16V + 16V x 5A)

Proteção saída: curto-circuito e/ou corrente acima de 4,33A, temperatura máxima de trabalho, queda brusca de tensão, tensão de descarga (retorno), descarga brusca do banco de capacitores, carga mínima instalada para garantir corrente de ajuste atualizada

Display: tensão e corrente atuais

Ajuste: fino via potenciômetro linear

Dissipação: passiva até ±60°C, cooler aciona discretamente para equilibrar a temperatura do dissipador principal. Acima dos 85°C entra em proteção térmica acionando o cooler a full power, desligando o trafo de potência e permanecendo nesta condição até que a temperatura baixe a níveis seguros de trabalho

Porta serial: comunicação direta com o microcontrolador a partir da placa Arduino para atualização do código sem precisar abrir o equipamento e retirar o chip

Chave lift/ground: permite unir o comum do circuito da fonte ao terra da tomada ou separar, funcionalidade muito eficiente para algumas situações

Stand by: fonte permanece com as proteções ativas mesmo em espera, desliga fisicamente o trafo de potência da rede elétrica descarregando todo o circuito e mantendo o mínimo de consumo associado apenas às funções vitais (fontes independentes)

LEDs e outros indicadores: fonte possui diversos alertas sonoros e visuais para eventos de proteção, acionamento etc.

Superdimensionamento: todos os circuitos de potência foram superdimensionados para trabalhar com o mínimo de resistência natural dos condutores e componentes, resguardo de potência para trabalho com folga

Dissipador unificado: grande vantagem para monitoramento de temperatura de trabalho e para manter integrados e transistores com equilíbrio térmico

Basicamente é isso.

Não tem muito mistério além do código, a fonte trabalha normalmente com o adorável LM317 de servo mestre e um booster de corrente com dois transistores Darlington TIP125. Alguns vão dizer que eu poderia ter utilizado apenas um TIP125, eu sei disso. Mas por que fazer o carinha trabalhar sozinho perto do seu limite se podemos aprimorar com elegância e colocar mais um?! Outros dirão que eu poderia ter utilizado um transistor de maior capacidade ao invés de dois. Eu também sei disso. Essa fonte foi montada com peças que eu já tinha em casa, não é um projeto nutellinha com verba ilimitada da mamãe e do papai ou de patrocínio. Aqui o negócio é raiz, é aproveitar ao máximo a vida útil dos componentes, é enxugar custo sem perder qualidade e poupar o meio ambiente. E antes que digam 'ahhh não precisava desse cooler aí dentro pra dissipar só essa correntezinha porque o componente aguenta', o projeto é compacto e sempre faço vários testes para determinar se isso vai ser realmente necessário. Nesse caso, foi. E ele só opera se preciso, não fica girando o tempo todo. E outra, você que fica criticando projeto alheio, deveria saber quanto calor um transistor Darlington gera... agora imagina dois num gabinete pequeno sob alta corrente (4A não é pouca coisa) por várias horas ininterruptas. Funcionaria sem o cooler? Talvez. Mas será que o LM317 seria capaz de se manter trabalhando firme sob altas temperaturas? E quanto tempo essa fonte iria funcionar sem dar problema?! Viu, esses questionamentos se tornaram irrelevantes agora, jovem.

Mas vamos voltar ao ponto, já que esclarecemos os fatos. 

Quando alimentada, a fonte é acionada parcialmente via fonte de stand by, mantendo a potência desligada. Ela aciona o cooler rapidamente, acende o LED azul e logo se apaga, desligando o cooler e acionando o LED vermelho de stand by. Isso é importante por duas razões básicas: a primeira, para poupar a potência e claro, economizar energia; a segunda, para manter o cooler lubrificado e ativo, evitando que o rolamento fique engripado por falta de uso. Ao pressionar o botão power, a fonte faz um teste rápido (bip + piscadas LED amarelo) e aciona a potência, liberando tensão na saída, ligando o display frontal e o LED verde. A partir desse momento, a fonte está num estado de operação, basta selecionar a tensão desejada.

Proteção contra curto-circuito e overload

Em operação, quando a corrente exceder o valor de 4,33A levará o sistema de proteção contra sobrecarga ser acionado via ATMEGA, cortando a alimentação AC do próprio trafo de potência, protegendo toda a etapa, inclusive os diodos retificadores. É uma proteção em linha completa, cortando toda energia da potência e não somente das saídas DC. A mesma proteção é aplicada quando há curto-circuito na saída. A ação é a seguinte: corta a alimentação AC do trafo, bip, duas piscadas no LED amarelo, display frontal e LED verde se apagam. Essa condição permanecerá enquanto houver sobrecarga ou curto na saída da fonte.

Proteção contra alta temperatura de trabalho

Há duas proteções contra temperatura alta de trabalho na AT5. A primeira é controlada pelo ATMEGA e assume que partir dos 85ºC medidos no dissipador principal ocorrerá o seguinte: corta a alimentação AC do trafo, bip, LED azul acende e aciona o cooler full power, display frontal e LED verde se apagam. Essa condição permanecerá por aproximadamente 1 minuto para baixar drasticamente a temperatura de trabalho da potência. Após esse período, a fonte será acionada automaticamente alimentando a carga se a temperatura estiver dentro da faixa segura.

A segunda proteção contra alta temperatura de trabalho é mais robusta e conta com um termistor que controla o aquecimento do dissipador. Essa proteção adicional foi instalada justamente nos testes de equilíbrio térmico da fonte, nos testes finais. Foi verificado que com o gabinete montado e alimentando uma carga a partir dos 2,5A o dissipador aquece bastante, distante do valor máximo determinado na primeira proteção térmica, mas bastante acentuado para os meus parâmetros particulares. Isso poderia levar o LM317 a entrar em proteção rapidamente ou ainda reduzir bastante a vida útil do conjunto da potência, elevando a temperatura interna do gabinete e tornando seu funcionamento 'desconfortável'. Lembrando que alguns componentes não gostam de ambientes muito quentes, como os eletrolíticos.  Então, adicionei esse segundo termistor que atua diretamente no driver de acionamento do cooler, fazendo com que ele gire lentamente a partir dos 50ºC para equilibrar a temperatura do dissipador. Esse giro pode ser aumentado ou diminuído automaticamente de acordo com o incremento de temperatura medido, se tornando um eficiente mecanismo de controle e aumentando a vida útil da potência. O cooler gira de forma tão discreta que mal pode ser ouvido durante a operação.

Superdimensionamento do sistema

A premissa do diyPowered é bastante clara: respeito aos limites dos componentes. Se eu tenho um trafo que pode entregar 5A em full power, eu deveria operá-lo até os 4,2A ou ainda 4,5A. Isso causaria ainda bastante aquecimento, mas distante do que poderia ocorrer se tentássemos tirar toda a sua capacidade. Logo, se eu tenho um projeto que consome 5A em full power, qual a corrente do trafo que eu vou usar? Você talvez diga '5A'. Talvez muitos digam isso. Eu digo '6A'. Folga, pessoal. Se você quer fazer alguma coisa direito, se você quer projetar algo de qualidade, faça com que os componentes trabalhem abaixo de sua capacidade máxima. Isso é elegante, isso é inteligente. Foi assim que muitos equipamentos foram projetados há 20, 30, 40 anos e é por esta razão que muitos deles estão por aqui até hoje: receivers, tape decks, sintonizadores de rádio, CD players... Por isso montei essa fonte com folga mesmo com esse trafo de 16V + 16V x 5A que em teste de carga chegou a fornecer 5,4A sem queda de tensão. Mas aqui a gente faz a coisa do jeito certo e a AT5 ficou limitada aos seguros 4,2A entrando em proteção aos 4,33A. Corrente mais que suficiente para a grande maioria dos projetos. Tenho um outro trafo de 1200VA que pode entregar facilmente 12A, 15A numa tensão máxima de 13V mas achei meio desnecessário tanta corrente nesse momento e o monstro aí vai ficar para um próximo projeto.

Na retificação, temos dois diodos 6A6 brutos e sem frescuras e um banco de capacitores de 19,300uF. Tudo montado de forma elegante e estudada, cabeamento da potência com bitola de respeito e fixação por presilha. A tensão que alimenta a lógica, stand by, LEDs e cooler vem de uma fonte dedicada, também por trafo, não utilizando corrente alguma da fonte de potência.

Proteção AC

Na entrada de linha AC, temos o clássico fusível e um circuito de filtro de linha full, com tudo que se tem direito, até um varistor, e um cabo de força de respeito. Uma chave no painel frontal permite unir o terra da tomada ao comum da fonte, função muito desejada e pouco vista nas fontes do mercado. Aproveitei ao máximo cada espaço do gabinete, fixando componentes e placas de forma inteligente para facilitar o cabeamento e pensando sempre na dissipação, transferência de calor e claro, pensando nas manutenções futuras. Essa última, parece ser esquecida pelos projetistas e engenheiros: qualquer equipamento vai demandar algum tipo de manutenção futura e parece que isso não é levado em conta na maioria dos últimos equipamentos que reparei. Um bom exemplo disso pode ser ilustrado por alguns notebooks e nobreaks que precisam ser quase que totalmente desmontados para acessar partes críticas.

Gabinete escolhido

Esse é um velho conhecido: um gabinete de nobreak NHS de 600VA. Possui uma boa estrutura, boa resistência mecânica e uma razoável ventilação natural que foi melhorada ao retirar as tomadas traseiras e fixar uma tela. A única coisa que não ficou bacana foi a porta serial, que teoricamente deveria caber na parte de trás (já tem essa furação de fábrica) mas não passa de jeito nenhum. Poderia ter limado um pouco mas como já foi bastante desgastante furar esse gabinete (não parece mas a chapa utilizada é resistente) achei mais fácil apenas retirar a capa metálica da porta e parafusá-la assim mesmo, como está.

Esse gabinete é bastante compacto, tem uma cara de fonte de bancada moderna e fazia algum tempo que vinha pensando em usá-lo para esta finalidade. No mais, pretendo gravar um vídeo com a fonte em funcionamento pra ilustrar melhor todo o projeto. Apesar de toda trabalheira que deu, ficou muito eficiente e é sem dúvidas uma evolução à fonte anterior.

Corrente máxima em teste inicial

Teste raiz!

Tomada de ar eficiente

Lateral detonadinha do gabinete

Frontal desligado (acabamento ficou ruim mas tá valendo)

Fonte acionada (tensão mínima)

Fonte acionada (tensão máxima)

5V sem carga e terra isolado

5V sem carga e terra conectado ao comum (LED laranja)

Fonte em stand by

Detalhe do dissipador principal e da fiação

Detalhe da fixação dos componentes principais, ainda no início do projeto (embaixo do relé preto ali no meio fica a fonte dedicada para lógica e acessórios)

Novo projeto - super fonte de bancada inteligente (microcontrolada, digital e ainda sem nome)

Como mencionei lá na página 'produção', a fonte de bancada F5812ADJ está cansada e uma novíssima já se encontra em desenvolvimento. O projeto está a toda e já tenho praticamente todo o programa dela escrito e testado, restando pequenos ajustes que virão com a montagem final dela em gabinete. Por isso achei que já era hora de criar o post desse novo projeto para gravar os logs como antigamente, e também para me guiar no curso atual.

Ainda não tem nome, modelo ou coisa que o valha. Mas já temos algumas características a mencionar:

• Fonte de alto poder com filtros AC, grande reserva de potência e regulagem ativa controlada digitalmente via ATMEGA;
  
• Controle fino de seleção de tensão e amostragem em display LED dedicado;
• Proteção ativa e rápida contra curto-circuito, carga excessiva (overload) e alta temperatura que desliga a carga, gera alertas sonoros e visuais e em condição de alta temperatura de operação também aciona ventilação forçada (cooler) para resfriar rapidamente todo o sistema (o cooler não é utilizado durante operação normal, apenas em modo de proteção);
  
• Alertas sonoros e visuais para todos os eventos;
  
• Chaves de seleção de tensão com dupla função: chave para aumentar tensão, chave para diminuir tensão e quando pressionadas simultaneamente, resetam a saída da fonte para seu estado inicial (menor tensão ou zero);
  
• Modo de espera (stand by) que mantém sistema pronto para uso com baixíssimo consumo de segundo plano (permite corte da alimentação AC via chave traseira para longos períodos sem uso); somente stand by
  
• Cooler de alto rendimento para condições de alta temperatura permite ao sistema uma rápida recuperação do seu estado normal de operação (acionado somente em modo de proteção contra alta temperatura);
  
• Ground separado do terra da carcaça (selecionável);
  
• Operação em 127V ou 220V selecionável internamente; somente 220V
  
• Tamanho reduzido e gabinete com ventilação natural estendida;
  
• Dissipação de calor superdimensionada em todos os componentes críticos;
  
• Componentes superdimensionados (claro!);

Por enquanto são essas as características ** iniciais ** do projeto, podendo ser alteradas, subtraídas ou adicionadas funções e melhorias.

** 29/08/2020 ---------------------------------------------------------------

Algumas alterações no projeto:

• Corrente aberta (sem ajuste) com amostragem em display LED dedicado;
• Transformador dedicado para potência de 16V + 16V x 5A;
• Alimentação da parte lógica, sensores, proteção (relé, cooler etc.) dedicada;
• Etapa de potência superdimensionada (5x maior do que a corrente máxima da fonte);
• Reserva de potência de 18,800µF;
• Diodos da etapa retificadora dimensionados para 8A 12A; selecionados 6A2
• Display de operação (tensão e corrente) conjugado para montagem em painel;
• Gabinete metálico, totalmente blindado, com boa ventilação natural e terra isolável do GND da fonte (útil em algumas situações);
• Cabo de força padrão novo reforçado;
• Algumas melhorias no código, em destaque as proteções e tempos de atuação dos sensores;

** 06/09/2020 ---------------------------------------------------------------

Hoje foi dia de furar o gabinete e começar a alinhar os componentes maiores: os dois trafos (potência e acessórios/lógica) e o dissipador de calor principal, que é bem parrudo e dissipa todos os reguladores e transistores do projeto. Um único dissipador para tudo, sim. Dessa forma consigo monitorar a temperatura de trabalho com um único sensor, otimizando meu bloco de códigos e compactando mais ainda o projeto, que conta com um gabinete bastante apertado e dissipação passiva.

Com a folia dos Correios em greve, ainda não recebi alguns componentes do painel e não pude iniciar as furações e definições dele. Também instalei os circuitos retificadores - que na potência, conta com diodos 6A2 e uma super filtragem - e fixei os filtros de entrada AC e o relé do liga/desliga. Esse relé - acho que ainda não havia mencionado - é quem alimenta (AC) o trafo da potência, sendo o responsável por cortar a energia elétrica dele quando o sistema entra em stand by, tornando o consumo de espera extremamente baixo - só fica ativa a fonte de acessórios/lógica. Dessa forma, além de reduzir drasticamente o consumo de espera, também poupa todos os componentes ativos como o transformador, os diodos, o banco de capacitores etc.

Dentro dessa session, também cuidei de manter isolados o GND da carcaça (comum) e o terra que vem da tomada, como já mencionei anteriormente. O que ainda fiquei devendo é se essa comutação será via chave no painel ou na traseira da fonte, e qual tipo de chave será essa. E como não poderia ser diferente, quebrei mais uma broca.

Além do painel que não pude trabalhar por causa dos Correios, preciso de um cabo de força decente para a fonte.

** 14/09/2020 ---------------------------------------------------------------

Dia de passar cabeamento pelo gabinete, interconectar os circuitos e de testar a potência. Tudo correu como previsto no papel, potência testada assim como os reguladores e demais drivers acionadores. Aproveitei para fixar o cooler da proteção térmica, testar o seu acionamento e também já fixei a placa lógica ao gabinete. Com sorte eu recebo essa semana algumas coisas dos Correios para dar prosseguimento ao projeto. 

 

** 26/09/2020 ---------------------------------------------------------------

 

Depois de muita espera, consegui resgatar as peças numa agência dos Correios... Já furei o painel frontal para encaixar o voltímetro/amperímetro e selecionei os dois LEDs frontais principais, indicadores das funções e status. São dois LEDs bicolores, um indicando status e o outro indicando se a fonte está ligada ou em stand by. Finalmente vou poder tocar o projeto novamente!

** 27/09/2020 ---------------------------------------------------------------

LEDs, display, botões power e de seleção de tensão afixados, fiação passada. Agora é interconectar a lógica ao conjunto e iniciar os testes práticos. 

 

** 29/09/2020 ---------------------------------------------------------------

 

Cabeamento do painel frontal interconectado à placa lógica e de controle. Fiação extra para os componentes ativos passados e agora é a parte que vai ficando mais divertido: ligar tudo e otimizar o código.  

** 04/10/2020 ---------------------------------------------------------------

 

Tudo interconectado e primeiro teste com carga executado com sucesso. Preciso rever o alinhamento dos componentes no dissipador, alguns estão com deficiência na dissipação de calor. Também configurei a porta serial que permite gravação de programa diretamente na fonte, sem retirar o ATMEGA, utilizando a placa Arduino Uno. Isso ajuda bastante a atualizar e otimizar o programa sem ter que ficar retirando e colocando de volta do ATMEGA.

 

Estou próximo de finalizar o projeto, faltando apenas alguns ajustes e correções.

** 12/10/2020 ---------------------------------------------------------------

Dia de ajustes. E de modificações na etapa de potência, que tinha uma queda de tensão grande quando  se aumentava a corrente. Problema resolvido. Já estou na etapa final, faltam poucos detalhes pra acertar como o disparo das proteções de overload e temperatura. No mais, a fonte me parece mais um projeto grandioso. 

 

** 15/10/2020 ---------------------------------------------------------------

 

Desconfio que os diodos ou o trafo da potência estejam com alguma deficiência na entrega de corrente, porque depois dos testes do dia 12/10 a tensão passou a cair bastante novamente. Em suma, vou testar o circuito regulador com uma fonte externa para verificar se meu trafo/retificador está bom.  

** 16/10/2020 ---------------------------------------------------------------

 

Como diriam no Hackaday, FAIL OF THE WEEK! Levantando meu esquema elétrico do circuito regulador - depois de rever meu trafo e retificadores de alta corrente - notei uma deficiência absurda na regulação quando em carga a partir dos 2A. Impensável para um trafo da Comando de 16V + 16V que entrega até 5.4A, comprado há uns 3 anos.

Solução: a simplicidade é sempre a melhor solução. Vou utilizar o bom e velho potenciômetro para fazer a regulagem da tensão e deixar de lado a seleção digital da tensão. Vai me poupar tempo - já que preciso muito que essa fonte seja concluída por conta de projetos parados na bancada - e estabelecer ainda mais confiabilidade ao projeto. No fim, foi até bom dar essa zebra aí: imagina ter na saída da fonte um circuito complexo de alta corrente alimentado com 5V; agora imagine uma falha na regulação digital que faça com que a potência abra toda a tensão disponível na saída. Imaginou? Pois é. Dificilmente isso vai acontecer se a regulação for feita pela boa e velha eletrônica.

Por fim, todas as demais funções atribuídas ao microcontrolador permanecerão (power, cooling, temp, overload etc.) ficando de fora somente essa função da regulação digital. Ontem fiz o teste de carga com o circuito da potência sendo regulado por potenciômetro e nenhuma queda de tensão relevante foi notada, tudo dentro do esperado - algo na ordem de 12.2V que caiu para 12.0V o que é mais do que normal para uma carga máxima de 5.4A. No mais, agora a coisa fica pronta!

** 18/10/2020 ---------------------------------------------------------------

Reta final! Finalmente afinei o circuito de potência e conseguir tirar corrente mais que suficiente para a grande maioria dos projetos. A fonte antiga tinha uma corrente máxima simultânea de 3A, mas limitada em 1A por linha de regulagem, o que me deixava na mão às vezes em alguns projetos e testes.

O trafo promete até 5.4A com alguma queda pouca de tensão, mas como sigo fielmente as premissas diyPowered não vou fazer o carinha aquecer muito: limitei a corrente máxima final para 4.2A, entrando em proteção a partir dos 4.33A ou em pico. Também modifiquei a etapa de potência e passei a utilizar transistores Darlington porque são robustos, possuem um ganho absurdo e são altamente confiáveis. Também finalizei o painel frontal adicionando a chave LIFT/GROUND que permite conectar ou desconectar o comum da fonte ao terra da rede elétrica. Fiquei muito satisfeito com o desempenho da fonte, agora que o hardware foi finalizado. Adiante, virão os testes de temperatura com o gabinete fechado, para ver como se comporta o sistema. O projeto é tão completo que talvez mereça um vídeo à moda PROCATER e afins, vamos ver. 

 

** 25/10/2020 ---------------------------------------------------------------

 

Potência redondinha, tudo muito afinado. Mas surgiu aquele probleminha clássico de dissipação a partir dos 3A. O dissipador é parrudo mas temos ali transistores Darlington, né. Nem preciso dizer o quanto aquecem. O gabinete é pequeno, o projeto é compacto (como quase sempre) e a partir dessa corrente ele aquece bastante, não chega ao ponto de entrar em modo proteção mas chega perto. Daí a solução vai ser: a partir da temperatura X o cooler começa a girar muito devagarinho só pra circular ar dentro do gabinete, aumentando gradativamente essa rotação em relação ao aumento da temperatura. Em algum momento haverá um equilíbrio térmico entre o calor gerado e a circulação do ar, tornando o funcionamento do cooler silencioso e quase imperceptível. Não é a melhor solução, mas dentro do pouco espaço físico que tenho e para manter a fonte funcionando dentro de uma temperatura aceitável, se torna uma boa opção. Lembrar de dimensionar mais o dissipador quando usar Darlington...

 

No mais, daqui a pouco ela dá as caras aqui no site. 

** 29/10/2020 ---------------------------------------------------------------

 

Done! Ajuste fino via termistor (o segundo, de acionamento raiz, sem passar pelo ATMEGA) para excitar a potência do cooler e fazer com que o ar circule a partir do aquecimento extra do dissipador principal. Ficou bastante eficiente, sem barulho e sendo desligado após baixar a temperatura interna. Mais adiante já crio a postagem sobre ela, e vai dar assunto!

Quanto ao nome da criação, ando bastante sem criatividade...

** 02/11/2020 ---------------------------------------------------------------

Projeto concluído com sucesso!

PR 1500 - Fonte de bancada ajustável de precisão com LM317 1,2V a 15,1V 2A

Operando com tensões baixas e precisas com corrente máxima de 2A, a PR 1500 é um projeto conceito diyPowered que alia performance com confiança para alimentar equipamentos sensíveis em testes de bancada

Este é um projeto que foi iniciado por conta de outro projeto. Durante os estudos e testes do PROCATER ADVANCE, precisei de uma fonte precisa para baixas tensões entre 1.2V e 4.2V com correntes mínimas de 250mA. Claro que tenho uma fonte na bancada, mas ela não me fornece tensões tão baixas assim. Acabei por levantar um circuitinho básico de teste que me permitisse operar essas tensões de forma confiável e estável, para que pudesse efetuar meus testes. Ao fim do projeto do PROCATER ADVANCE, me vi com aquela fontezinha pequena, simples e precisa que tanto me foi útil naquele momento. Decidi fazer desse quebra galho uma ferramenta oficial de bancada. E assim nasceu a PR 1500.

Obviamente que se tratava de um circuito simples, onde eu regulava a tensão que precisava na hora via trimpot e multímetro. Conferia toda hora se não havia se alterado, antes de testar alguma coisa, porque não havia visual algum me garantindo a tensão na saída dele. Por essa razão, decidi implantar um voltímetro e alguns indicadores legais para uma fonte tão importante para minha bancada. Como sou chato e perfeccionista, o código que deveria levar algumas horas para ficar pronto, levou alguns dias. Isso porque eu queria colocar algumas funções importantes me que permitissem perceber algum evento sem ter que olhar para o display. Porque, normalmente, a gente seleciona a tensão de teste e se volta para o circuito na bancada; não fica olhando para a fonte o tempo todo.

Principais características da PR 1500

Seleção, amostragem e saídas confiáveis: tudo muito bem pensado para evitar problemas durante testes com circuitos caros e complicados. A seleção é fina, oferecendo de 1.2V até 15.1V com escalabilidade de 0,2V a mais ou a menos facilmente selecionável; corrente máxima de 2A em qualquer tensão selecionável com proteção ativa; a amostragem do display é clara e rápida e as saídas possuem proteções ativas contra curtos-circuitos, consumo excessivo (que poderia causar danos aos circuitos da fonte) e sobretensão de pico com alertas visuais e sonoros para todos esses eventos.

Acionamento de ventilação auxiliar quando necessário: para evitar trabalhar com aquecimento constante, foi implantado um sistema muito eficaz de ventilação, que é acionado sempre que o consumo se aproxima dos 700mA ou em seleções de tensão acima de 5V, independentemente da corrente utilizada. É uma forma de aumentar a saúde dos componentes, visto que o gabinete é compacto e com poucas aletas de ventilação natural.

Alimentação lógica independente da alimentação de linha: fundamento que deveria ser seguido pelos fabricantes - e que é seguido pelos melhores, com certeza - é manter a lógica isolada do resto. Um circuito lógico como esse ou até mais simples pode sofrer influências ruins se alimentado na mesma linha que os circuitos em teste na bancada. Um curto-circuito ou uma queda brusca na corrente de linha pode fazer com que o microcontrolador seja reiniciado ou até danificado, já que temos portas ligadas fisicamente aos circuitos em teste para medição da tensão de saída. Em suma, temos fontes distintas, uma para lógica (LEDs, display, backlight, microcontrolador, cooler, etc.) e outra dedicada para linha. A tensão da fonte lógica se aproxima dos 16V x 500mA (em aberto) e é retificada, filtrada e aplicada a dois reguladores, um de 12V (periféricos) e outro de 5V (lógica, display e LEDs) formando um conjunto confiável e descomplicado. Já na fonte dedicada de linha, temos uma tensão de 18V x 2A (em aberto) que é aplicada a um banco de capacitores formando uma linha com 6900MF, com todos os desacoplamentos e filtros necessários até chegar no circuito regulador de saída. Claro que (mais uma vez) vão dizer que sou exagerado, que não precisava de tanta capacitância, que não precisava de trafos com essa capacidade, que desperdicei potência efetiva que eu poderia ter utilizado, que isso e que aquilo e aquele monte de bla bla bla digno de quem não viu ou de quem não quer ver eletrônica de verdade. Pois bem, como sempre falei aqui, meus projetos são feitos para durar. Trato os componentes com respeito e espero um resultado muito melhor do que coloco no papel. Isso é, entre outras coisas, trabalhar com margem de segurança. Então, para criar projetinho fuleiro, prefiro não fazer.

Monitor de corrente: no canto inferior esquerdo do display é destacada e palavra 'LOAD' com um ícone de uma 'alavanca'. Quando a fonte atinge o consumo de 700mA em qualquer tensão selecionada ou a partir dos 5V, essa 'alavanca' 'passa para cima', indicando que o consumo de corrente foi aumentado, acionando o cooler e o LED amarelo. Também há outro ícone no display que serve como indicador de 'health' da fonte: um rostinho simpático formado por =] só que rotacionado 90º à direita. Quando essa 'alavanca' de corrente 'sobe', o rostinho simpático muda de =] para =O indicando o mesmo estado.

Funcionamento discreto: dificilmente o circuitinho da PR 1500 vai abrir o bico e chorar. Mesmo que você leve o consumo em teste ao limite dela. Vai acionar cooler? Vai. Vai aquecer? Claro. Mas abrir o bico?! Não vai. Isso porque foi feito para durar, foi feito para trabalhar sem chororô e sem frescura. Por isso é confiável.

Eventos de erro

Caso a fonte encontre algum problema na partida, durante a checagem que é impressa no display como 'Check things...', o LED vermelho se acenderá, bips serão emitidos até que a fonte seja desligada e o display exibirá a mensagem 'Restart now!'. Ao religá-la, o autoteste será refeito. Se o problema for eliminado, a mensagem 'Ready' será mostrada na tela, conforme partida padrão (fotos abaixo!) da fonte. O LED vermelho indica alguma falha e os bips servem como alerta sonoro para eventos como falha na tensão da linha, erro no circuito regulador, falha na lógica, curto-circuito na saída da linha, cooler inoperante ou girando com dificuldade, temperatura excedente no circuito regulador ou no interior do gabinete (indicaria falha geral, que poderia ser um dos trafos ou algum setor no circuito lógico) e falha na amostragem ou coleta de tensão. Todos os erros foram testados na bancada e a fonte se comportou conforme o esperado, suspendendo a corrente na saída de linha e emitindo todos os alertas.

A lógica é baseada no ATMEGA328P/PU, assim como os últimos projetos do tipo. Tenho gostado de trabalhar com esse MC por conta do custo e da facilidade de operação. Também pela rapidez e pelas inúmeras alternativas para se fazer a mesma coisa, isso é muito importante para quem pratica DIY. Claro que algumas atualizações serão feitas daqui em diante, visando melhorias na fonte e mais qualidade final. Mas assim como a maioria dos projetos daqui, a PR 1500 é um protótipo, e como tal, não deve ser avaliada como um produto final.

E mais uma vez, lixo eletrônico ganhando vida. De novos mesmo, somente o ATMEGA328P/PU e o display. Sem mais por enquanto, as fotos.

Painel frontal com LED power (verde) e display

Vista inferior

Painel traseiro com fusível, cabo AC e chave (odeio projeto feito às
pressas: sempre dá alguma merda encrenca que não tem volta. Nesse
caso, esse parafuso em cima deveria ter ficado na parte inferior, mas
eu medi tudo errado e o resultado está aí. Depois dessa, nem quis
abrir a furação do cooler nesse painel traseiro...)

Fonte sendo ligada 1

Fonte sendo ligada2

Fonte sendo ligada3: faz check in das tensões e estado da linha, aciona
cooler e verifica temperatura do dissipador e gabinete (interno)

Fonte sendo ligada 4: se passar nos testes, estará pronta para uso

Fonte ligada e pronta após os testes iniciais (note a informação
útil acima no display, indicando acionamento da ventilação auxiliar)

Esta era uma das tensões que eu precisava nos testes (note espaço
dedicado aos eventos na parte superior direita, ao lado de Ready!)

Tensão máxima da fonte

Tensão limite onde o cooler é acionado

Quando o cooler é acionado, o LED amarelo permanece aceso

F5812ADJ - Fonte tripla para bancada com saída dedicada ajustável

Indispensável em qualquer bancada e com múltiplas utilidades, uma boa fonte necessita de estabilidade, blindagem, ótima filtragem, proteções AC/DC e corrente útil para acionar equipamentos ou para testes em protótipos de projetos DIY. Com este propósito e com um projeto enxuto, foi desenvolvida a F5812ADJ

Partindo do princípio que uma fonte de bancada não tem mistério, não hesitei em iniciar o projeto com o clássico: filtro AC, fusível, transformador, diodos, capacitores. A grande sacada fica por conta da saída tripla 5V, 8V e 12V, sendo esta última ajustável até 20V. Com capacidade para fornecer 1A de corrente simultaneamente nas três fontes, a F5812ADJ também conta com proteção exclusiva 'Passive Charge', que só libera a tensão da fonte para os controladores cerca de dois segundos após o acionamento da fonte. Dessa forma, ao acionar a fonte, os capacitores principais se carregam rapidamente sem qualquer carga, o que promove maior eficiência na filtragem e protege o setor primário (diodos e capacitores principais) e o secundário (controladores) aumentando a vida útil de todo o sistema e minimizando ao máximo qualquer possível ruído. Todas as saídas possuem proteção contra curto, corrente reversa, sobrecarga e podem ser facilmente desarmadas em caso de aquecimento excessivo. Componentes como diodos, fiação e trilhas da placa, bornes, tensão de trabalho de capacitores, dissipação de resistores e até o dissipador de calor dos controladores foram superdimensionados para aumentar a vida útil da fonte. Isso é respeitar os limites do bom senso, contrário ao que fazem por aí.

Os voltímetros digitais são comerciais e foram adquiridos pelo Banggood. Demoraram para chegar, mas valeu a espera. São ligeiramente precisos e possuem consumo extremamente baixo, podem ser alimentados com tensões entre 4,5V e 30V e medem tensões até 99VDC.

Sistema Passive Charge

Ao acionar a fonte pela chave ON/OFF (painel traseiro) nenhum dos voltímetros é acionado, tampouco há tensão nos controladores e nos bornes de saída; o LED amarelo se ilumina. Cerca de dois segundos depois, o LED amarelo se apaga, os controladores recebem a tensão da fonte, os voltímetros indicam as tensões na saída e o LED verde se ilumina. A fonte se encontra funcional neste momento.

Ao desligar a fonte pela chave ON/OFF, a tensão geral começa a diminuir até certo ponto - sem zerar - onde a proteção 'Passive Charge' atua novamente cortando a tensão presente nos controladores, mantendo-a nos capacitores principais que se descarregam muito lentamente. Mesmo com essa descarga lenta, sempre existirá uma tensão residual nos capacitores principais para auxiliar a fonte num próximo acionamento. Assim, os capacitores principais não serão carregados 'do zero' novamente - a carga será retomada a partir da tensão residual, aumentando a vida útil do setor primário e acelerando a liberação da proteção 'Passive Charge'. 

Mais uma vez o lixo eletrônico ganhando vida nova: a carcaça é de um estabilizador, o transformador de 15V+15V x3A saiu de um no-break antigo; capacitores, diodos, controladores e todos os componentes foram reaproveitados de placas da sucata. Apenas os voltímetros foram comprados - há algum tempo, e bem baratinhos. 

Painel frontal com a fonte ligada
(bornes da esquerda +V e bornes da direita GND)

Detalhe da ventilação (dissipadores estrategicamente montados)

Com carga

Fonte sendo ligada (LED amarelo = 'Passive Charge')

Painel traseiro com a chave ON/OFF

* O voltímetro dos 8V mostra sempre 0,1V a mais do que deveria. Dado o preço e a distância para reclamar garantia, decidi deixar por isso mesmo.

** 22/09/2014 - O voltímetro dos 8V que apresentava 0,1V a mais passa a exibir a tensão correta após alguns minutos. Os outros dois voltímetros funcionam corretamente, somente este apresenta esse problema. Como disse anteriormente, pelo valor do produto e pelo tempo que levaria a troca por um novo, decidi não reclamar garantia. E levando em conta que todos os projetos DIY são protótipos de uso, se algum dia eu for produzir a F5812ADJ por alguma razão, o farei com todo cuidado e selecionarei os componentes corretamente.

Decidi melhorar a aparência gerando o silk para o painel. Atualizo a postagem assim que for aplicado.

Detalhe do voltímetro dos 8V

** 27/09/2014 - Silk finalizado e afixado no painel da fonte. Como a ideia é não gastar - ou gastar o mínimo possível - com os projetos, tudo foi feito em casa mesmo. Como eu disse anteriormente nesta postagem, se por ventura eu for produzir essa fonte algum dia, o farei da forma mais digna possível. Porque o protótipo é perfeito.

Silk aplicado (meia boca, mas custo zero)

Quanto ao sistema Passive Charge - que só libera a tensão da fonte para os controladores cerca de dois segundos após o acionamento da fonte - criei um vídeo demonstrativo.