Gerenciamento e controle de energia da bateria

Figura 1. O hidrofone da Ocean Networks Canada e o Deep Acoustic Lander da Universidade de Dalhousie são usados para monitorar fontes hidrotermais. Brendan Smith e seu orientador de doutorado, Prof. David Barclay, usaram hidrofones operados pela Ocean Networks Canada no Oceano Pacífico e pelo Observatório Multidisciplinar Europeu do Fundo Marinho e da Coluna de Água no Oceano Atlântico para monitorar duas fontes hidrotermais no fundo do mar. Foto: Ocean Networks Canada

O gerenciamento de energia CC é um dos principais desafios no projeto de um módulo de pouso submarino autônomo. Podemos nos aprofundar bastante nesse tema. Este artigo tem como objetivo compartilhar algumas ideias para a reflexão dos leitores.

Partimos de uma premissa. Uma alavanca sem um fulcro é apenas um pedaço de pau. Um fulcro sem uma alavanca é apenas um batente de porta. Junte os dois e você terá uma máquina simples. Da mesma forma, um sensor ou microcontrolador sem um amplificador é apenas uma novidade. Ambos devem trabalhar juntos para gerenciar a energia de forma eficaz em um módulo de pouso submarino.

Baterias

As baterias alimentam os circuitos em veículos autônomos. Diferentes composições químicas apresentam problemas específicos de autodescarga e perda de capacidade devido à baixa temperatura. (Consulte Lander Lab nº 10, Marine Technology Reporter, março/abril de 2024). Os circuitos de bordo podem exigir diferentes voltagens. Circuitos de funções críticas, como o de liberação, devem ser alimentados por uma bateria exclusiva, não compartilhada com nenhum outro componente que possa descarregá-la inadvertidamente.

O carregamento das baterias pode ser feito de diversas maneiras, incluindo: 1) abrindo o compartimento e carregando, 2) carregando através da tampa traseira ou 3) utilizando baterias externas que são trocadas por meio de um conector subaquático ou ligação indutiva.

O carregamento através da tampa traseira pode ser feito facilmente com um conector de 4 pinos. Normalmente, eu atribuo o pino 1 como GND da bateria, já que o código de cores da indústria para o fio nº 1 é preto. As outras atribuições de pinos decorrem disso. Pino 1: GND da bateria, Pino 2: Positivo da bateria, Pino 3: GND do sistema, Pino 4: Positivo do sistema. Usando apenas os pinos 1 e 2, um conector correspondente conecta um carregador de bateria diretamente à bateria. Durante o carregamento, a bateria é desconectada do circuito que alimenta. Carregue normalmente. Após a conclusão do carregamento, a bateria é conectada ao sistema usando um plugue de curto-circuito. Um plugue de curto-circuito se parece com um plugue comum, mas possui pinos conectados internamente: Pino 1 ao Pino 3, Pino 2 ao Pino 4. Alguns carregadores possuem um sensor térmico que reduz a velocidade de carregamento se a temperatura da bateria ficar muito alta devido ao aumento da resistência interna com o tempo. Isso ainda pode ser feito através da tampa, mas requer dois pinos adicionais (pino 5 e pino 6) para conectar o termistor dentro da bateria ao circuito de controle do carregador. Carreguei 4 baterias diferentes com carregadores separados através de um conector de 8 pinos. Como em uma tomada de parede, usei contatos de soquete para conectar diretamente às baterias. Um cabo jumper trouxe a energia de volta para a esfera através de outro conector de 8 pinos, este com pinos. O cabo jumper era essencialmente uma extensão, com pinos em uma extremidade e soquetes na outra.

Se a liberação de gases da bateria for uma preocupação justificada, uma válvula de alívio de pressão (PRV, como as fabricadas pela Prevco ou Deepsea) pode ser instalada, ou a porta de purga pode ser aberta durante o carregamento (certifique-se de recolocar a tampa à prova de pressão!), ou ainda, as fixações da tampa traseira, como parafusos, podem ser removidas.

Se o sistema exigir uma rápida recuperação na superfície, as baterias externas são uma solução prática. Recupere o sistema, retire as baterias descarregadas, instale um segundo conjunto totalmente carregado e reinstale-o. O primeiro conjunto volta então para o carregador.

Conversão de tensão

Internamente, no módulo de pouso oceânico não tripulado, podem ser utilizadas diversas tensões CC, como 3,3 VCC, 5 VCC, 10 VCC, 12 VCC, 21 VCC ou superiores. As curvas de descarga da bateria nunca são planas, embora algumas sejam melhores que outras.

Vários reguladores de tensão podem ser usados para fornecer diferentes tensões e níveis de potência constantes a circuitos separados.

Vários reguladores de comutação podem ser conectados em paralelo a uma única bateria, desde que a bateria seja grande o suficiente para suprir a corrente total demandada. Optoacopladores podem ser usados para isolar cada circuito do microcontrolador.

Reguladores de tensão (Conversores CC-CC)

Existem dois tipos de reguladores de tensão: 1) Lineares ou Analógicos e 2) Comutadores.

Com a energia limitada a baterias, a eficiência é uma prioridade. Reguladores lineares ou analógicos têm eficiências de conversão em torno de 40%, portanto, estão descartados. Com um regulador de comutação, eficiências entre 85% e 95% são comuns, além de proporcionar um aumento na corrente de saída.

Existem três tipos de reguladores de tensão chaveados: boost, buck e um regulador combinado boost-buck. Um regulador boost pode elevar a tensão, um regulador buck pode reduzi-la e um regulador boost-buck faz ambas as coisas.

A simplicidade do circuito buck o torna mais eficiente do que um circuito boost, portanto, ao tentar aproveitar ao máximo cada elétron, reduzir uma tensão mais alta para uma mais baixa faz sentido.

Figura 2. O conversor CC-CC buck ajustável redutor Addicore LM2596 pode alimentar uma carga de 3 A com 90% de eficiência, apresentando excelente regulação de linha e carga, desligamento térmico e limitação de corrente. O LN2596 possui um consumo mínimo de energia em modo de espera endereçável de 80 μA. (Custo: US$ 2,48) Foto: Addicore

A corrente de repouso durante modos de baixa carga ou espera é importante quando a eficiência é uma prioridade. A alimentação de um regulador de tensão também pode ser controlada de forma cíclica, seguindo um cronograma, utilizando um MOSFET controlado por microcontrolador.

Microcontrolador

Um microcontrolador é um computador programável em um chip que oferece controle inteligente de um sistema. Eles são pequenos e consomem pouca energia. Exemplos incluem Arduino, Raspberry Pi, ESP32 e outros. A potência de saída é limitada. Um pino de E/S do Arduino pode fornecer no máximo 5V a 20mA. A revista Make publica um Guia de Placas anual que descreve dezenas de novos microcontroladores e computadores de placa única.

MOSFET

MOSFET significa transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor. O MOSFET possui três terminais: porta, dreno e fonte. Os MOSFETs são valorizados por sua capacidade de controlar grandes correntes usando pequenas tensões de porta, sua eficiência e tamanho reduzido. Alguns MOSFETs podem ser totalmente ativados por níveis lógicos de 5V (Vgs), como o IRL540 (Custo: US$ 0,77). A Amazon vende um kit de amostras de MOSFETs de nível lógico por US$ 19. (Procure na Amazon por “EEEEE 70 Pcs Logic Level MOSFET”).

Um pequeno sinal elétrico pode acender luzes LED para imagens ou o motor de uma bomba. São dispositivos excelentes para se conhecer. Pesquise no Google "Como escolher um MOSFET" para encontrar diversos links úteis, incluindo vídeos. Uma planilha útil para seleção de componentes pode ser encontrada em https://www.addohms.com/mosfet-guide/ .

Diagrama esquemático e componente MOSFET de 3 terminais em encapsulamento TO-220. (Foto: Hong Kong Olukey Industry)

SCR

SCR significa Retificador Controlado de Silício. Outro componente de três terminais (ânodo, cátodo e porta), normalmente usado para retificar um sinal CA, tem a interessante característica, em um circuito CC, de se comportar como um relé de travamento. Considere o SCR NTE5455 (custo de US$ 0,80). Quando um pulso de 1,5 V é aplicado à porta, a corrente começa a fluir do ânodo para o cátodo e continua fluindo mesmo quando a tensão na porta é removida. A corrente fluirá até cair abaixo de um certo nível, chamado corrente de retenção, ponto em que o circuito desliga. Um circuito de liberação temporizada simples, porém confiável, é um pequeno temporizador de contagem regressiva de laboratório que emite um sinal de 1,5 V para um buzzer piezoelétrico. Conecte o sinal do buzzer à porta do NTE5455 para iniciar uma fonte de 10 VCC que corrói um fio de teste.

Sequenciador

Ligar vários circuitos em paralelo pode ser um desafio devido às correntes de pico iniciais. O sequenciador de alimentação simples LM3880 da TI controla a sequência de inicialização e desligamento de três trilhas de tensão independentes. Ao escalonar a sequência de inicialização, as cargas instantâneas da bateria são moderadas. Este componente robusto é qualificado para aplicações automotivas e apresenta uma baixa corrente quiescente de 25 μA.

Figura 4. Esquema do sequenciador de fonte de alimentação simples LM3880 de 6 pinos da TI. (foto: Texas Instruments). (Custo: US$ 1,02)

Transdutores e sensores

Os termos “Sensores” e “Transdutores” são por vezes usados indistintamente, embora existam diferenças subtis.

Sensores podem ser necessários para iniciar a ação do microcontrolador ou de um circuito dedicado.

Existem apenas dois tipos de transdutores. Os transdutores ativos produzem uma tensão em resposta a uma mudança em um parâmetro. Estes incluem termopares, células fotovoltaicas e transdutores piezoelétricos. Os transdutores passivos produzem uma mudança na resistência (potenciômetro, extensômetro, termistores, interruptor reed), capacitância (medidores) ou indutância (transformador diferencial) como resposta a uma mudança em um parâmetro.

Um sensor detecta uma grandeza física, química ou biológica específica e converte o valor recebido em um sinal elétrico. Os sensores requerem um amplificador, pois sua potência é limitada ao nível do sinal, geralmente inferior a 1 W. Eles não conseguem transmitir muita potência por si só. Para o gerenciamento de energia, utiliza-se um sensor para controlar um circuito amplificador: um relé, transistor, optoacoplador ou MOSFET.

Interruptor Reed

Um dos circuitos originais: o interruptor reed é um interruptor ativado magneticamente. Ele abre ou fecha dependendo da presença ou ausência de um campo magnético. Como não suportam muita corrente, é importante pensar no interruptor reed mais como um sensor magnético do que como um interruptor propriamente dito. Eles são comumente encontrados nos tipos SPST e SPDT e em diversos tamanhos. As unidades menores são mais sensíveis a campos magnéticos, mas consomem menos energia. Os interruptores reed têm baixas correntes de fuga em comparação com dispositivos de estado sólido e baixa resistência. As lâminas são hermeticamente seladas dentro de um invólucro tubular de vidro, que implode com a exposição direta a profundidades crescentes. Portanto, um interruptor reed deve ser colocado dentro de uma carcaça não ferrosa, como plástico, alumínio ou titânio. Para aplicações em profundidades médias, podem ser encapsulados em epóxi rígido. Um anel circular de interruptores reed pode ser acionado simultaneamente por um único ímã localizado no centro. A comutação a quente, ou seja, com a potência máxima aplicada, pode danificar o componente. À medida que o interruptor abre ou fecha, um arco elétrico pode queimar ou soldar os contatos. À medida que o revestimento dos contatos se danifica, a resistência acabará por aumentar até que o interruptor reed deixe de funcionar.

Figura 5. Os interruptores Reed estão disponíveis em diversos tamanhos e encapsulamentos, de pequenos a grandes, com diferentes classificações de potência, tensão de comutação e corrente. Um projeto melhor utiliza esses interruptores para controlar um MOSFET, que por sua vez, lida com a potência real. Foto: Littelfuse

Sensor de efeito Hall

Um sensor de efeito Hall é outro tipo de interruptor ativado magneticamente. Ele produz um sinal de baixa intensidade e requer amplificação. Sua saída é controlada pela presença ou ausência de um campo magnético. Assim como um interruptor reed, um sensor de efeito Hall pode operar dentro de uma carcaça não ferrosa, como plástico, alumínio ou titânio.

Como o sensor de efeito Hall é um dispositivo de estado sólido, ele não está sujeito a quebras, desgaste mecânico e é tolerante à pressão. Um sensor de efeito Hall pode ser encapsulado e operado em um ambiente de água sob alta pressão.

Os sensores de efeito Hall são sensíveis a temperaturas mais altas, mas geralmente não dentro da faixa que a maioria dos veículos subaquáticos encontrará. Existem variantes disponíveis para temperaturas mais elevadas.

Os sensores de efeito Hall são de dois tipos: unipolares e bipolares. Cada um possui características únicas e úteis.

Os sensores de efeito Hall unipolar funcionam como uma chave SPST. A chave de efeito Hall unipolar normalmente está fechada. O componente pode ser selecionado para ser sensível a um campo magnético de polo norte ou sul. A exposição do componente à polaridade magnética oposta não afeta o estado de saída. (ref: Melexis US5881, Custo: US$ 0,60)

Os sensores de efeito Hall bipolar funcionam como um relé de travamento. Eles podem ser selecionados para travar na posição aberta com um campo magnético de polo norte ou sul. O campo magnético oposto travará o interruptor de efeito Hall bipolar na posição fechada. (ref: Melexis US2882, Custo: US$ 0,63)

Figura 6. Um interruptor de efeito Hall bipolar funciona como um relé de travamento. (Foto cortesia da Melexis)

Microinterruptor, liga/desliga momentâneo

Um microinterruptor é um dispositivo mecânico miniaturizado. O tipo botão de pressão momentâneo liga-desliga pode ser usado para determinar os limites de posição de componentes, como um pistão em um cilindro. Quanto menor o interruptor, menor a carga que ele pode suportar.

Outros sensores incluem sensores de luz, temperatura, salinidade e vibração.

Oficina de Experimentadores

Para quem tiver interesse em experimentar com as peças discutidas aqui, considere alguns dos componentes e kits oferecidos pela SparkFun.com, Adafruit.com, Makershed.com e Addicore.com, entre outros. Alguns custam menos de um ou dois dólares. A prática leva à perfeição, ou pelo menos dá espaço para reflexão.

Desenvolvimentos futuros

Novas tecnologias de baterias resistentes e protegidas contra pressão estão sendo desenvolvidas para aplicações marítimas. Da mesma forma, em todo o mundo, engenheiros de sensores estão investigando, caracterizando e desenvolvendo novos sensores para traduzir o ambiente marinho em um equivalente digital para investigação científica, controle de máquinas e monitoramento governamental.

Convite aos Leitores

Gostaria de compartilhar suas ideias sobre este tópico? Publicaremos algumas das melhores respostas que recebermos às perguntas abaixo.

• Um amplificador operacional pode ser usado como amplificador para um sensor? Quais são as vantagens? Explique.
• Um optoacoplador pode ser usado como amplificador para um sensor? Quais são as vantagens? Explique.
• Um acelerômetro pode ser usado para indicar, internamente à esfera de comando/controle, quando um módulo de pouso oceânico atingiu o fundo do mar? Explique.

Citações

“Fundamentos de Transdutores”, RH Warring e Stan Gibilisco, ( ISBN 0-8306-1693-4)

“Eletrônica Prática para Inventores”, Paul Scherz, Simon Monk, (ISBN 978-0-07-177133-7)

“A Arte da Eletrônica”, Horowitz e Hill, (ISBN 978-0-52-137095-0)

“Lander Lab” é uma coluna prática sobre tecnologias e estratégias de pouso oceânico, uma classe única de veículos submarinos não tripulados, e as pessoas que os criam. Seu objetivo é servir à comunidade global de pouso oceânico, à semelhança da revista Make Magazine e outras comunidades do tipo “faça você mesmo”.

Comentários sobre este artigo ou sugestões de histórias de interesse para outros usuários do programa Landere são bem-vindos. Equipes de pouso oceânico são encorajadas a escrever sobre seu trabalho. Sinta-se à vontade para entrar em contato com Kevin Hardy <[email protected]>.