Capacitores em robótica: 4 etapas

2025 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2025-01-23 15:03

A motivação para este Instructable é o mais longo em desenvolvimento, que acompanha o progresso através do Curso de Laboratório do Kit de Aprendizagem do Texas Instruments Robotics System. E a motivação para esse curso é construir (reconstruir) um robô melhor e mais robusto. Também é útil "Seção 9: Voltagem, potência e armazenamento de energia em um capacitor, DC Engineering Circuit Analysis", disponível em MathTutorDvd.com.

Há muitas questões com as quais devemos nos preocupar ao construir um robô grande, que pode-se ignorar na maioria das vezes ao construir um robô pequeno ou de brinquedo.

Estar mais familiarizado ou com mais conhecimento sobre capacitores pode ajudá-lo em seu próximo projeto.

Etapa 1: peças e equipamentos

Se você quiser brincar, investigar e tirar suas próprias conclusões, aqui estão algumas peças e equipamentos que podem ser úteis.

• resistores de valor diferente
• capacitores de valor diferente
• fios de ligação
• um interruptor de botão
• uma placa de ensaio
• um osciloscópio
• um voltímetro
• um gerador de função / sinal

No meu caso, não tenho um gerador de sinal, então tive que usar um microcontrolador (um MSP432 da Texas Instruments). Você pode obter algumas dicas sobre como fazer um sozinho neste outro Instructable.

(Se você quiser apenas que a placa do microcontrolador faça o que você quer (estou compondo uma série de Instructables que podem ser úteis), a placa de desenvolvimento MSP432 em si é relativamente barata, custando cerca de US $ 27. Você pode verificar com a Amazon, Digikey, Newark, Element14 ou Mouser.)

Etapa 2: vamos dar uma olhada nos capacitores

Vamos imaginar uma bateria, uma chave de botão (Pb), um resistor (R) e um capacitor todos em série. Em um circuito fechado.

No tempo zero t (0), com Pb aberto, não mediríamos nenhuma tensão no resistor ou no capacitor.

Porque? Responder a isso para o resistor é fácil - só pode haver uma tensão medida quando há corrente fluindo através do resistor. Através de um resistor, se houver uma diferença de potencial, isso causa uma corrente.

Mas, como a chave está aberta, não pode haver corrente. Assim, nenhuma tensão (Vr) em R.

Que tal através do capacitor. Bem … novamente, não há corrente no circuito no momento.

Se o capacitor estiver completamente descarregado, isso significa que não pode haver diferença de potencial mensurável em seus terminais.

Se empurrarmos (fecharmos) o Pb em t (a), as coisas ficarão interessantes. Como indicamos em um dos vídeos, o capacitor parte descarregado. Mesmo nível de tensão em cada terminal. Pense nisso como um fio em curto.

Embora nenhum elétron real esteja fluindo através do capacitor internamente, há carga positiva que começa a se formar em um terminal e carga negativa no outro terminal. Em seguida, aparece (externamente) como se realmente houvesse corrente.

Sendo que o capacitor está em seu estado mais descarregado, é nesse momento que ele tem mais capacidade para aceitar uma carga. Porque? Porque à medida que carrega, isso significa que há um potencial mensurável em seu terminal, e isso significa que está mais próximo do valor da voltagem da bateria aplicada. Com menos diferença entre aplicada (bateria) e sua carga crescente (aumento da tensão), há menos ímpeto para continuar acumulando carga na mesma taxa.

A taxa de carga acumulada diminui com o passar do tempo. Vimos isso tanto nos vídeos quanto na simulação de L. T. Spice.

Como é no início que o capacitor deseja aceitar a maior parte da carga, ele atua como um curto temporário com o resto do circuito.

Isso significa que obteremos o máximo de corrente através do circuito no início.

Vimos isso na imagem que mostra a simulação de L. T. Spice.

À medida que um capacitor é carregado e a tensão em desenvolvimento em seus terminais se aproxima da tensão aplicada, o ímpeto ou a capacidade de carga é reduzido. Pense nisso - quanto maior a diferença de voltagem em algo, maior a possibilidade de fluxo de corrente. Grande tensão = grande corrente possível. Baixa tensão = possível pequena corrente. (Tipicamente).

Portanto, quando um capacitor atinge o nível de tensão da bateria aplicada, ele parece uma abertura ou interrupção no circuito.

Então, um capacitor começa como um curto e termina como um aberto. (Sendo muito simplista).

Então, novamente, corrente máxima no início, corrente mínima no final.

Mais uma vez, se você tentar medir uma tensão em um curto, não verá nenhuma.

Portanto, em um capacitor, a corrente é máxima quando a tensão (no capacitor) está em zero, e a corrente é no mínimo quando a tensão (no capacitor) está no seu máximo.

Armazenamento temporário e fornecimento de energia

Mas há mais, e é essa parte que pode ser útil em nossos circuitos de robôs.

Digamos que o capacitor esteja carregado. Está na tensão da bateria aplicada. Se por algum motivo a tensão aplicada cair ("afundar"), talvez devido a alguma necessidade excessiva de corrente nos circuitos, nesse caso, a corrente parecerá fluir para fora do capacitor.

Portanto, digamos que a tensão de entrada aplicada não seja um nível estável que precisamos. Um capacitor pode ajudar a suavizar essas quedas (curtas).

Etapa 3: Uma aplicação de capacitores - Filtro de ruído

Como um capacitor pode nos ajudar? Como podemos aplicar o que observamos sobre um capacitor?

Primeiro, vamos modelar algo que acontece na vida real: um barramento de força barulhento nos circuitos do nosso robô.

Usamos L. T. Spice, podemos construir um circuito que nos ajudará a analisar o ruído digital que pode aparecer nos trilhos de força dos circuitos do nosso robô. As imagens mostram o circuito e a modelagem de Spice dos níveis de tensão do barramento de alimentação resultantes.

A razão pela qual Spice pode modelá-lo é porque a fonte de alimentação do circuito ("V.5V. Batt") tem uma pequena resistência interna. Só por diversão, fiz com que tivesse 1 ohm de resistência interna. Se você modelar isso, mas não fizer com que a fonte de tensão tenha uma resistência interna, você não verá a tensão do barramento cair devido ao ruído digital, porque então a fonte de tensão é uma "fonte perfeita".