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Ventilador na Placa de Motor de Passo TB6560AHQ

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Olá, tenho uma daquelas placas Driver de Stepper Motor do eBay, para 4 motores, fabricados pela empresa chinesa www.huy68.com , ela usa o chip Toshiba TB6560AHQ, que é uma dupla ponte de potência, capaz de fornecer 3.5A @ 40Vdc aos motores .

Essa placa contém um dissipador único e longo sobre os chips, com um ventilador de 40mm, 12Vdc, que roda a toda velocidade, todo o tempo.  Ele é barulhento e não faz tanto vento, o que é comum para ventiladores de baixo custo como esse.  Além disso, o ventilador é alimentado pelo regulador 12Vdc exitente na placa. O ventilador consome entre 100 a 120 mA, parece pouca corrente, mas se o usuário alimenta a placa com os 24Vdc recomendados, o regulador LM7812 irá se dissipar a tensão e corrente extra, de até 1,5W apenas para alimentar o ventilador, energia e calor desperdiçado.

Devido a esse pequeno problema de projeto, o LM7812 fica desnecessariamente quente.

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Além disso, este regulador 12Vcc, alimenta o regulador LM7805 que fornece o +5Vdc para os foto-acopladores e os chips TB6560AHQ.  Qualquer consumo nos +5V irá dissipar ainda mais calor no regulador LM7812.

O LM7812 é instalado em um pequeno dissipador negro, que pode não refrigerar adequadamente o regulador com a placa em funcionamento. Você pode ver os dois dissipadores negros na foto à direita, com os respectivos reguladores parafusados. O fios vermelho e preto no pequeno conector branco são os que alimentam o ventilador com 12Vdc.

Então, inicialmente eu cortei um fio do ventilador e inserí 6 diodos 1N4007 em série, para reduzir os 12Vdc ao ventilador, o que resultou em 8Vdc.  Isso reduziu a velocidade, o barulho e a energia consumida, baixando um pouco a temperatura do LM7812, mas não foi suficiente.

Air Flow do duto para as 7805 e 7812 os reguladores

Então, eu criei uma canaleta de fluxo de ar feito com cartão de papel (cartões de visita), de forma a orientar o ar empurrado pelo ventilador para os lados do dissipador maior, e no final (parte de baixo da foto) fiz o duto virar à esquerda e continuar ar sobre os dissipadores de calor LM7805 e LM7812.  Dava para sentir o ar mais frio fluindo sobre os dissipadores dos reguladores 7805 e 7812, que os refrigerava melhor, mas não o ideal.

Mas essa foi uma solução feia e trabalhosa.

Então eu pensei para mover o regulador LM7812 para o dissipador maior dos TB6560AHQ, que possui o ventilador.   Então eu dessoldei oLM7812, soldei três fios longos (vermelhos na foto) e movi o LM7812 para entre duasduas aletas do radiador do dissipador maior.

A 7812 foi deslocada da sua posição original, para ser inserido entre duas aletas do dissipador de calor grande. Eu lambusei o LM7812 com um pouco de pasta térmica branca e o inserí entre as aletas do dissipador. Foi necessário usar uma chave de fenda para abrir um pouco as aletas, o LM7812 entrou justo e ficou bem preso. Não foi necessário nenhum parafuso de fixação, pois é impossível remove-lo sem forçar as aletas com uma ferramenta qualquer.  Com as aletas forçadas abertas, a trazeira do LM7812 assentou certinho sobre uma aleta e a pasta térmica.  Assim a transferência térmica do LM7812 ficou muito melhor que quando no seu pequeno dissipador original.

Okay, o problema do LM7812 foi resolvido, agora precisei resolver a velocidade da rotação do ventilador.  Eu pensei em duas possíveis soluções, a primeira usar um simples circuito de três op-amps, gerando onda quadrada, convertendo em triangular, comparando com uma tensão sobre um NTC e gerando um PWM que alimentaria o ventilador.

A tensão dividida entre um resistor fixo de 10kΩ e o NTC, varia em torno de 6Vdc com 75°F.  Quando a temperatura sobe, a tensão no NTC é reduzida.  O terceiro op-amp compara a tensão do NTC com a forma de onda triangular, e quando a triangular for maior que a do NTC, isso alimentará o ventilador.  Quanto maior a temperatura sobre o NTC, mais tempo a triangular é maior que a tensão do NTC, e mais tempo o ventilador é alimentado. Essa comparação ocorre milhares de vezes por segundo, gerando um controle por PWM sobre o ventilador. Como a saída deste op-amp alimenta a base de um transistor PNP que alimenta o ventilador, , quanto mais largoé este pulso, mais rápido gira o ventilador.

Ao redor de  90°F a tensão NTC é cerca de 4.8Vdc, menor que a parte inferior da tensão da forma de onda triangular, de modo que a saída do terceiro op-amp será constante, aplicando-se energia 100% ao ventilador, com a intenção entre 75 e 80°F.

Se a temperatura do dissipador cair abaixo de 75°F, o ventilador irá parar de girar, reduzindo o consumo de energia e barulho. Essa idéia é boa, mas usa 9 resistores a bordo, requer alguns ajustes para funcionar nas temperatura desejada e não é exatamente “alta tecnologia”, é uma solução analógica simples.

Abaixo o esquema dessa solução analógica, ela funciona muito bem.   Eu desenvolvi o esquemático no simulator da Linear Technology CAD (LTspiceIV), então montei num protoboard e testei adequadamente. Funcionou muito bem, de acordo com o esperado.

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Mas eu tinha a segunda idéia.

Apesar da solução analógica acima funcionando muito bem, eu sempre procuro ver se não é possível resolver o problema usando um microcontrolador, pois as vezes isso economiza componentes e o ajuste é feito por software, o que as vezes é mais fácil.

Por ser pequeno, o Atmel AtTiny13 atendia muito bem a solução, resuzindo diversos componentes usados na solução analógica.  A solução com o AtTiny13 usa só dois resistores, um para formar o divisor resistivo com o NTC, e outro em série com a base do transistor PNP, que alimenta o ventilador.

Claro que a solução usando o AtTiny13, requer +5Vdc, e que, apesar disso existir na placa, iria requerer mais um fio entre a placa e a plaquinha do AtTiny.   Chegando na plaquinha do AtTiny eu já tinha “terra”, “+12V”, e os fios do ventilador.  A solução foi usar um LM78L05, involucro TO92, pequeno suficiente para não causar nenhum incomodo ao projeto em questões de tamanho.  O consumo do AtTiny é muito pequeno, portanto o 78L05 atende perfeitamente sem aquecer.

A placa de controle. Veja o NTC no lado direito, protegido com fita kapton.

À esquerda uma foto do prototipo contendo o AtTiny13, seis pinos de programação ISP, dois resistores, um capacitor, o regulador 78L05, e o transistor BDxxx para alimentar o ventilador.  Saindo ao lado direito da plaquinha, dois fios, amarelo e vermelho, liga ao NTC protegido por fica Kepton.  A idéia é enfiar esse NTC no fundo da canaleta do dissipador e captar a temperatura mais próxima aos chips TB6560AHQ.

Então, a emenda do divisor resistivo entre o resistor 10kΩ ligado à +5Vdc e o NTC ligado à terra, vai diretamente ligado à uma entrada ADC (conversor analógico-digital) do AtTiny1. A idéia aqui é escrever um programa simples no AtTiny que lê o ADC, que utilizando a função Timer / Contador à bordo, controla pulsos na forma PWM que alimenta a base do transistor PNP que alimenta o ventilador.   O programa lê o ADC, e enquanto o valor estiver dentro de uma certa faixa de valores, liga o PWM com diferentes larguras de pulso, de acordo com a temperatura lida pelo ADC.

Sendo programável, isso se torna muito mais maleável que a solução analógica usando os tres op-amps acima. Uma das desvantagens do sistema analógico é que o ventilador inicia a rodar muito lentamente, e as vezes nem parte adequadamente com pequena diferença térmica.  Usando o AtTiny13, eu posso dar um tranco maior no ventilador para iniciar a rodar e reduzir o PWM para mante-lo lentamente, se for o caso de pequena diferença térmica.

A placa de controle que está sendo instalado, consulte o regulador 78L05 eo corpo transistor BDxxx acontecendo entre duas aletas do dissipador de calor.

A foto ao lado mostra a pequena placa protótipo sendo instalada. Note do corpo do transistor BDxxx indo entre as aletas do dissipador de calor, juntamente com o corpo do TO92 78L05. Ambos entram apertados nas aletas, ficando bem presos. Ambos os transistores descem isolados bem para dentro das aletas, servindo tanto como suporte à plaquinha protótipo, quanto dissipando o possível calor gerao pelo BDxxx e o 78L05.

A fita Kepton amarela no dissipador é para prevenir os pinos ISP tocarem o aluminio.  Numa possível placa final, esses pinos não existiriam. A altura do corpo DIP8 do AtTiny13 serve como espaçador entre o topo das aletas do dissipador e a placa protóripo.

Foi usado um BDxxx para alimentar o ventilador, claro que eu testei com um TO92 2N4103, que funcionou bem, mas pensando em situações ainda não previstas, decidi manter o BDxxx que aguenta maior abuso e também um ventilador maior, um mesmo um segundo ventilador em paralelo, se necessário.

O próximo passo seria produzir uma PCI profissional, que irá alojar também os reguladores 7812 e 7805, e coloca-la à venda no website http://www.urkit.com, por um preço baixo.

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À direita você pode ver a placa sobre o dissipador de calor, na placa final acredito que um simples parafuso a fixaria ao dissipador.

No software do AtTiny13, fiz com que, ao alimentar a placa com energia, o ventilador ligasse tres vezes em máxima rpm por um ou dois segundos, como sinalizador de que o ventilador e a plaquinha de controle estão funcionando adequadamente.  O problema é que ao alimentar a placa, no início o dissipador está frio e o ventilador irá demorar algum tempo para ligar, e só o fará após o dissipador aquecer. Se existir algum problema, o operador pode não peerceber.  Assim, ao ligar, o operador ouvirá as tres acelerações do ventilador e saberá estar funcionando.

Penso que para um prototipo até que ficou funcional.