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 ---------------------------------------------------------------

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