Tutorial: Módulo de alimentação com o 7805
Autor: Perrotti | Publicado: 2013-09-14T18:14:00-03:00

Reguladores de tensão são
 circuitos que na sua versão básica (e perfeitamente suficiente) são 
extremamente simples de projetar e montar. Existem chips que fazem quase
 todo o trabalho, só precisando de mais dois ou três componentes 
adicionais no circuito. Os dois chips mais populares para este serviço 
são o 7805 e o LM317. Os dois são baratos, fáceis de usar e fornecem 
corrente suficiente para alimentar todos os circuitos do robô. Se você 
não tem muita experiência com eletrônica, montar teus próprios 
reguladores de tensão é um ótimo exercício inicial e vai te dar a 
experiência necessária para encarar circuitos mais complexos.

Importante:
 O 7805 pode fornecer até 1A de corrente, o LM317 pode chegar a 1.5A. 
Isso é suficiente para alimentar todos os circuitos do robô, mas não é suficiente para alimentar os motores.
 Existem chips capazes de fornecer mais corrente, mas com um projeto 
adequado, os motores podem ser alimentados diretamente pelas baterias, 
sem necessidade de reguladores. Os reguladores citados acima são apenas 
para alimentar os circuitos.



O 7805
78xx é uma família de 
reguladores de voltagem lineares contidos em um circuito integrado. 
Normalmente é usado em em circuitos que requerem uma fonte regulada de 
energia que seja fácil de usar e barata. Nos circuitos integrados da 
família o xx é substituído por dois dígitos que indicam a voltagem de 
saída do regulador. Então o 7805 tem uma saída de 5 volts, o 7809 de 9 
volts, o 7812 de 12 volts e assim por diante. Por ter uma saída fixa, 
ele não precisa de regulagens externas o que facilita muito seu uso. É 
um regulador antigo, o que significa que é bem confiável, está no 
mercado a muito tempo e tem sido amplamente usado em milhões de 
projetos. Tem todas as proteções internas possíveis, nos fóruns de 
eletrônica ele é tido como praticamente indestrutível. E é muito barato e
 fácil de achar. Com certeza esta é uma excelente escolha para o módulo 
de alimentação de um robô mais simples, especialmente se o aspirante a robot maker por trás do projeto não tiver muita experiência com eletrônica.

A desvantagem é que, pelo
 menos sua versão mais clássica, o LM7805 sempre foi muito ineficiente 
ao fazer a conversão da voltagem. Ao reduzir a voltagem, o excesso de 
energia é convertido em calor. Se o consumo de corrente ultrapassa algo 
como 500 mAh é necessário usar um dissipador de calor. A eficiência 
típica do LM7805 fica entre 40% e 50%, o que convenhamos, são valores 
horríveis. Quer dizer que metade da energia que entra nele é convertida 
em calor e a outra metade é entregue na saída estabilizada. Em um robô 
que usa bateria, esses valores são inaceitáveis. Ou seriam, se essa 
energia fosse muito significativa em relação ao consumo total. É preciso
 lembrar que o regulador de tensão está sendo projetado para alimentar 
os circuitos e não os motores. 

De qualquer forma, 78xx 
não é apenas uma família de reguladores, agora já se tornou um padrão 
para reguladores de voltagem. Então é possível encontrar uma infinidade 
de reguladores "compatíveis" com 78xx. Isso significa que usam a mesma 
pinagem, apresentam o mesmo resultado, mas podem usar tecnologias 
completamente diferentes (mais modernas) e apresentar características 
bem diferentes do clássico LM7805. Por exemplo, o fabricante do QS7805
 afirma que seu chip é capaz de converter uma entrada de 6,5v a 24v em 
uma saída regulada de 5v com uma eficiência que varia de 85% a 94%. Não 
esquenta ou esquenta muito pouco dispensando o dissipador de calor. A 
função, tamanho e espaçamento dos pinos do QS7805 é a mesma do LM7805, 
então é possível simplesmente retirar um LM7805 da placa e colocar um 
QS7805 no lugar e imediatamente ter um regulador muito mais eficiente e 
econômico.


Este chip na sua forma mais comum é encontrado no "package" TO-220, que é a embalagem com 3 pinos mostrada na foto abaixo:




Pinagem do 7805



O pino 1 deve ser 
conectado ao positivo da fonte de energia (a bateria). O pino central 
fica ligado ao terra (GND) e a saída com a voltagem regulada (5 volts) é
 obtida pelo pino 3. Teoricamente, dentro de condições muito ideais, o 
7805 poderia até ser usado sozinho, sem nenhum outro componente, 
conforme mostrado no esquema abaixo. Mas nunca é uma boa ideia contar 
com condições ideais.





Esquema de ligação do 7805




Capacitores
Capacitores podem ter 
vários usos na eletrônica, mas neste contexto eles servem como filtros 
de linha, absorvendo pequenos picos de energia e fornecendo energia 
quando a voltagem cai ligeiramente.

Quando o circuito é 
ligado, um capacitor que tenha seus terminais conectados aos polos da 
fonte de energia, vai absorver energia até ficar carregado com a 
voltagem fornecida, a partir daí ele não absorve mais, mas fica 
carregado. Se a voltagem cair ele começa a se descarregar liberando 
energia para o circuito até que o capacitor e o circuito se equilibrem 
na mesma voltagem. Um pico de voltagem na fonte de energia vai ser em 
boa parte absorvido pelo capacitor, porque ele vai tentar se carregar 
até o nível do pico, absorvendo parte dele. Depois que o pico passa e a 
voltagem volta ao normal o capacitor começa a liberar a energia 
absorvida durante o pico gradativamente até se equilibrar com a voltagem
 do circuito.

Devido a esse 
comportamento, capacitores costumam ser usados na entrada e na saída de 
energia para eliminar ou pelo menos diminuir flutuações de energia.

Existem vários tipos de 
capacitores. Para esta aplicação é comum o uso de capacitores 
eletrolíticos. Estes capacitores podem ser encontrados em uma variedade 
muito grande de valores, desde 1uF até 1MF. Também são baratos e 
facilmente encontrados em lojas de eletrônica.




Capacitores eletrolíticos.


Há dois valores que são 
relevantes a respeito de um capacitor: sua capacitância e sua voltagem 
máxima. A capacitância se refere à quantidade de energia que o capacitor
 consegue armazenar e é expressa em Farads (F). A voltagem máxima indica
 com até quantos volts ele pode ser carregado sem que algo de ruim 
aconteça. É recomendado usar capacitores com uma voltagem máxima que 
seja pelo menos o dobro da voltagem nominal do circuito para garantir 
que ele não frite com um pico de energia. Então se o circuito é 
alimentado por baterias de 12 volts, seria recomendado que os 
capacitores tenham uma voltagem nominal de pelo menos 24 volts. Não tem 
nenhum problema usar capacitores com uma voltagem máxima maior. A 
desvantagem é que eles serão maiores, mais caros e ocuparão mais espaço 
no circuito.

Voltando ao nosso 
circuito, acrescentar capacitores na entrada e na saída de energia vai 
tornar a saída do nosso regulador mais estável e oferecer alguma 
proteção contra picos de energia. Os valores mais comuns para esta 
aplicação são de 100uF na entrada e de 10uF na saída. Abaixo o esquema 
do regulador com os capacitores.




Observações:
 Capacitores eletrolíticos são polarizados, isso significa que seus 
terminais precisam ser conectados nos polos certos. Inverter os polos de
 um capacitor eletrolítico faz com que ele perca o isolamento interno e 
fique definitivamente danificado. Todos eles tem uma faixa com um sinal 
de menos. Essa faixa indica o terminal que deve ser ligado ao terra (ou 
negativo).



 Diodos
Diodo é o mais simples 
tipo de semicondutor. É um componente com dois terminais que tem a 
interessante característica de só deixar passar corrente em um sentido. 
Então ele é muito usado para proteger circuitos contra inversão de 
polaridade. Acrescentar um diodo à entrada de energia do circuito 
garante que ele só vai ser alimentado com a polaridade certa. Se alguém 
inverter os polos da bateria, o circuito simplesmente não funciona em 
vez de torrar os capacitores como poderia acontecer. O 7805 tem proteção
 interna contra inversão de polaridade, mas os capacitores eletrolíticos
 não têm e são muito sensíveis à inversão de polos.






Abaixo o esquema já com o diodo de proteção.










Interruptor
Isto é meio que óbvio, 
mas não pode ser esquecido. É preciso ter uma chave geral que 
ligue/desligue a alimentação do robô e o melhor local para isso é no 
circuito de alimentação. Para ser efetivo, o interruptor deve estar 
conectado à entrada de energia, não faz muita diferença em qual polo. No
 circuito acima o interruptor pode ser conectado imediatamente antes ou 
depois do diodo, ou ser instalado no polo negativo da bateria (GND), 
como no esquema abaixo:







Led de status
Uma indicação visual que
 mostre se o circuito está ligado ou desligado é extremamente importante
 e evita problemas futuros. Para esse fim é comum o uso de leds. 
Tecnicamente, leds são diodos, só deixam passar corrente em um sentido, 
mas eles têm essa característica de emitir luz quando tem corrente 
passando por eles. Leds são muito práticos, mas também são bastante 
sensíveis, existe um limite de corrente que eles podem suportar e que 
depende do tipo do led. Para este tipo de aplicação, o mais indicado é 
usar leds comuns de 3mm. Estes leds não consomem muita corrente então 
não interferem muito no consumo de energia. 




exemplo de leds comuns com 5mm (à esquerda) e 3mm (direita). 5


Para limitar a corrente 
que passa pelo led, é necessário usar um resistor. Resistores são 
componentes que, como o nome indica, apresentam resistência à passagem 
de corrente. Então a corrente é obrigada a diminuir sua intensidade 
sempre que passa por um resistor. Para leds comuns de 3mm alimentados 
com 5 volts, podem ser usados resistores de 220 a 470 ohms. Quanto maior
 o valor do resistor, menos corrente irá passar e o led vai acender com 
menos intensidade. Valores mais baixos fazem o led acender com mais 
intensidade, mas diminuem a vida útil do led.

O melhor lugar para posicionar o led é próximo à saída do circuito, como mostrado no esquema abaixo:







Alimentação dos motores
Se estivéssemos fazendo 
apenas um regulador de tensão para 5 volts, já estaria pronto com o 
esquema acima. Mas o robô precisa de um pouco mais do que um regulador 
de tensão, ele precisa de um módulo de alimentação. Apesar de os motores
 não usarem a saída regulada de 5 volts, eles ainda precisam ser 
alimentados e já que estamos fazendo um circuito de alimentação, não 
custaria muito e facilitaria bastante se este circuito já tivesse também
 uma saída própria para os motores. 

Se, como sugerido, a 
bateria fornece uma voltagem adequada para os motores, podemos 
simplesmente acrescentar um conector conectado ao positivo da bateria e 
ao terra do circuito. Se a conexão ao positivo for feita depois do diodo
 D1, então também os motores ficarão protegidos contra inversão de 
polaridade:







Mas o nosso módulo de 
alimentação ainda tem um problema. Note que toda a energia consumida 
pelo robô, incluindo motores e circuitos, passa pelo diodo D1. Os diodos
 da família 1N400x só suportam no máximo 1 amper. Os circuitos do robô 
não consomem muita corrente, mas por segurança, vamos considerar que em 
conjunto consumam 500 mAh. Já os motores vão consumir pelo menos 500 mAh
 cada um, embora isso dependa muito do motor. Também são comuns motores 
de passo que consomem 1 amper/h cada. 

De qualquer forma, o 
total de corrente que vai passar pelo diodo é maior que seu limite 
máximo de 1 amper e portanto ele não vai aguentar. Para esse problema 
existem 3 soluções:



Usar um diodo com
 mais capacidade de corrente. Esta é a melhor opção. O diodo 1N5408 
consegue suportar até 3A. Não é caro, só é mais difícil de achar do que 
os diodos da família 1N400x. Existem também opções acessíveis que 
suportam até 6A. Mais do que isso os diodos começam a ficar grandes e 
caros demais para este projeto. 
Pegar
 a saída para os motores antes do diodo D1. Nesse caso apenas a corrente
 que alimenta os circuitos é que passa pelo diodo, mas não a corrente 
que alimenta os motores. É uma solução simples, mas a proteção para os 
motores é perdida. 
Usar
 dois (ou três) diodos em paralelo. Ao passar por diodos em paralelo, a 
corrente se divide por eles. Por exemplo, se o robô está consumindo no 
total 1600 mAh, então dois diodos em paralelo só terão que suportar 800 
mAh cada um, ficando dentro dos limites de operação deles.


Abaixo o esquema do 
módulo de alimentação usando dois diodos em paralelo. Importante lembrar
 que dependendo do consumo dos motores usados, dois diodos podem não ser
 suficientes, nesse caso é necessário acrescentar mais diodos ou usar 
diodos com maior capacidade de corrente.