Arquitetura de Eletrônica

Para desenvolver a arquitetura eletrônica do fogão inteligente, vamos integrar ao circuito componentes cruciais que asseguram tanto a funcionalidade quanto a segurança operacional do aparelho. Esses elementos, destacam suas funções específicas no sistema de controle de módulos e na regulação da potência necessária para o funcionamento eficiente do produto.

Diagrama de Blocos de Aplicação do Sistema

O diagrama a seguir destaca a composição dos principais componentes envolvidos no desenvolvimento do hardware do fogão inteligente.

Figura 01: Diagrama de blocos de aplicação do sistema

Painel Solar e Inversor: No sistema de conversão de energia solar, o inversor desempenha um papel crucial, convertendo a energia de corrente contínua (DC) gerada pelos painéis solares em corrente alternada (AC).O processo de conversão utiliza uma técnica conhecida como modulação por largura de pulso (PWM), essencial para controlar a quantidade de energia transferida. O PWM ajusta a tensão e a corrente da saída AC ao simular uma onda senoidal. Ajustando a largura dos pulsos, o inversor pode gerenciar eficientemente a tensão de saída e fazer ajustes finos na forma de onda para que se assemelhe o mais próximo possível de uma onda senoidal perfeita.
EMI e Retificador: A energia AC passa por um filtro de Interferência Eletromagnética (EMI) que limpa a energia de ruídos antes de chegar a um retificador, que converte a energia AC de volta para DC.
Buck Flyback: Esta parte do circuito é responsável por converter a tensão DC em níveis diferentes, indicados como 18V, necessários para operar outras partes do sistema.
LDO 5V e Resonance Circuit: LDO fornece uma tensão estável de 5V para componentes sensíveis à tensão. O circuito de ressonância enfatiza a presença do sistema de indução para operar o elemento de aquecimento.
Detecção de Corrente e Tensão: Estes componentes são usados para monitorar a corrente e a tensão no sistema para garantir a segurança e a eficiência do dispositivo.
Microcontrolador (MCU): O cérebro do dispositivo, este microcontrolador gerencia as operações do sistema, processa os dados de detecção de corrente e tensão e executa o controle do dispositivo.
IGBT e Transistor: Estes componentes serão usados para controlar a potência elevada, como a necessária para o aquecimento num fogão. IGBT significa "Insulated Gate Bipolar Transistor", que é um tipo de transistor usado para comutar altas correntes de forma eficiente.
UART e Touch Screem: UART é um protocolo de comunicação utilizado para a interface com dispositivos externos. No diagrama, indica uma comunicação com um Touch Screem, permitindo controle e monitoramento remoto através de uma aplicação móvel.
Ícone Bluetooth ao lado do Smartphone: Representa a conectividade sem fio entre o microcontrolador e o smartphone, permitindo a transmissão de dados e comandos entre o dispositivo e o app no smartphone.

Diagrama do Fluxo de Controle do Sistema de Indução

O diagrama do fluxo de controle do sistema de indução (Figura 2) mostra um sistema de gerenciamento de falhas robusto que assegura a operação contínua do fogão de indução inteligente, garantindo ao mesmo tempo a segurança do usuário e a integridade do dispositivo.

Figura 02: Diagrama do Fluxo de Controle do Sistema de Indução

Iniciar: Este bloco representa o ponto de partida do fluxo do sistema de indução. Ele indica o início do processo quando o usuário liga o fogão de indução.
Inicialização do Sistema: Neste estágio, o sistema realiza todas as verificações iniciais e configurações necessárias para começar a funcionar corretamente. Isso pode incluir o estabelecimento de linhas de comunicação, a calibração de sensores e a verificação do status dos componentes críticos.
Monitoramento de Parâmetros Críticos: Aqui, o sistema monitora continuamente vários parâmetros críticos como a tensão de alimentação, a corrente elétrica, a temperatura do IGBT (transistor chave para controle de potência) e a temperatura da superfície do cooktop. Essas medições são essenciais para garantir o funcionamento seguro e eficiente do fogão.
Decisão de Proteção: Com base nos dados coletados, o sistema decide se alguma condição de proteção foi atingida. Se qualquer uma das leituras estiver fora dos limites seguros, o sistema passa para a próxima etapa de definição de um sinal de erro.
Sinalização de Erro e Armazenamento de Código: Se o sistema identifica uma condição de falha, ele define um sinalizador em HIGH (alto) para indicar um erro e armazena um código de erro correspondente na memória do sistema. Isso pode acionar um alerta visual ou sonoro e ajudar na diagnóstico de problemas.
Interrupção de Proteção de Hardware do Comparador: O sistema deverá ter uma interrupção específica de hardware configurada para responder imediatamente a condições críticas de proteção, como surtos de tensão ou corrente, protegendo os componentes eletrônicos contra danos. Isso é feito desligando o IGBT ou outras operações de proteção.
Controle da Função Principal do Fogão de Indução: Se nenhuma condição de erro for detectada, o sistema procede ao controle normal da função de indução. Isso inclui ajustar a potência fornecida ao elemento de aquecimento, controlar o tempo e a potência de acordo com as seleções do usuário, e monitorar continuamente as condições operacionais.

Diagrama Fluxo de Controle e Interatividade em um Fogão de Indução Inteligente

O diagrama a seguir demonstra um sistema integrado para o fogão de indução inteligente.

Figura 03: Diagrama Fluxo de Controle e Interatividade em um Fogão de Indução Inteligente

Microcontrolador ESP32: O coração do sistema é o microcontrolador ESP32, um poderoso chip que gerencia as funções principais. Ele lê dados do sensor de temperatura, controla o ventilador cooler por PWM (modulação por largura de pulso), envia informações de status para o smartphone via Bluetooth, e responde aos comandos inseridos pelo usuário através do display touch.
Ventilador Cooler: O ventilador é utilizado para resfriar o sistema, garantindo que a temperatura permaneça em níveis seguros. Seu funcionamento é regulado pelo microcontrolador através de sinais PWM, que ajustam a velocidade do ventilador conforme a necessidade, com base na leitura da temperatura.
Sensor de Temperatura: Este sensor monitora constantemente a temperatura do fogão de indução. As leituras são enviadas ao microcontrolador ESP32, que utiliza essas informações para manter o sistema operando dentro dos parâmetros de temperatura seguros, ajustando o ventilador e, se necessário, modulando a potência de indução.
Módulo de Indução: O componente responsável pelo aquecimento, controlado por PWM pelo microcontrolador ESP32. A modulação por largura de pulso permite o ajuste fino da potência de aquecimento, que é fundamental para cozinhar os alimentos de maneira eficaz e eficiente.
Display Touch: A interface com o usuário, por onde são inseridos os comandos e onde são exibidas as informações do sistema. O display touch permite que o usuário interaja com o fogão, selecionando temperaturas, tempos de cozimento e outras funções.
Smartphone (Aplicativo Móvel): Permite o controle remoto e monitoramento do fogão de indução. O usuário pode alterar as configurações e verificar o status do sistema através de um aplicativo móvel, que se comunica com o microcontrolador ESP32 via Bluetooth.

Circuito da Bobina

No circuito, é utilizado o microcontrolador HT45F0059 da Holtek Semiconductor, utilizado em fogões de indução devido à sua capacidade de gerenciar de forma acertiva a potência de saída, monitorar a temperatura e assegurar a segurança do dispositivo. Ele controla a bobina de indução para aquecer a panela de forma uniforme, ajustando automaticamente a intensidade da corrente elétrica com base nas leituras dos sensores de temperatura. Além disso, suas funções de proteção, como a detecção de sobrecorrente e sobretemperatura, garantem um funcionamento seguro, tornando-o uma escolha excelente para a implementação em eletrodomésticos modernos e inteligentes.

Circuito Retificador e filtro

A etapa inicial do circuito é formada por um grupo de componentes que abrange um retificador de onda completa e um mecanismo de filtragem. Inicialmente, o sinal é encaminhado por um circuito de proteção e condicionamento, o qual que inclui um fusível, um potenciômetro, dois resistores em série e um capacitor em paralelo, configuração utilizada para filtrar interferências e assegurar proteção contra sobretensões e picos de energia.

Após esse primeiro processo, o sinal passa por uma ponte retificadora, a qual transforma a corrente alternada em corrente contínua. Por fim, é introduzido um filtro, composto por um capacitor e um indutor, com o objetivo de suavizar a corrente contínua, garantindo uma alimentação estável para o bom desempenho de um fogão por indução.

Figura 04 - Circuito Retificador e filtro, composto por um retificador de onda, um potênciomentro, capacitores, resistores e um indutor.

Alimentação chaveada

O circuito de alimentação chaveada opera através do OB2226, que é um controlador de chaveamento que gera pulsos PWM (Modulação por Largura de Pulso), com o objetivo de gerenciar a operação do transistor de potência chaveadoo IGBT. O transformador fornece isolamento elétrico entre o circuito de alta frequência do OB2226 e a fonte de alimentação principal. Ele também desempenha o papel de ajustar a tensão de entrada e de saída conforme necessário para o circuito de chaveamento e para o regulador de tensão 78L05.

O 78L05 é um regulador de tensão que converte uma tensão de entrada mais alta em uma tensão mais baixa. Nesse circuito é utilizada para fornecer a tensão de +5V para alimentar o buzzer e o display.

Os capacitores, resistores e diodos desempenham funções de filtragem, estabilização, proteção e ajuste no circuito, sendo fundamentais para assegurar um sistema com funcionamento estável, eficaz e seguro.

Figura 05: Esquemático da alimentação chaveada, composta por um gerador de pulso PWM (OB2226) e regulador de tensão (78L05).

Circuito de ressonância

A terceira parte do esquemático é composta por um circuito ressonante, um indutor do tipo pancake e um IGBT. O circuito ressonante opera em sua frequência natural, o que otimiza a transferência de energia para utensílios que utilizam da tecnologia de indução, garantindo aquecimento rápido e uniforme. Para oferecer uma distribuição uniforme do campo magnético, o indutor pancake é projetado para operar em altas frequências.

O IGBT é um dispositivo semicondutor de potência projetado para operar como um interruptor eletrônico, atuando como interruptor de potência no circuito de ressonância. A tensão utilizada para ativar o gate do IGBT é 18V. Ao ser ativado, permite que a corrente flua através do indutor pancake e do circuito de ressonância, gerando um campo magnético forte. Este campo magnético interage com o utensílio de indução, induzindo corrente elétrica através do princípio da indução eletromagnética, o que resulta em aquecimento. O controlador PWM ajusta o período de ativação do IGBT para controlar a potência e a frequência do circuito, permitindo um aquecimento controlado e eficiente.

Figura 06: Esquemático do circuito de ressônancia e do interruptor de potência IGTB.

Controle do ventilador e buzzer

O ventilador é responsável pela manutenção do fluxo de ar dentro do sistema, ajudando a dissipar o calor gerado pela indução bobina-panela e dos próprios componentes eletrônicos, mantendo a temperatura dentro de limites seguros de operação. Quando o sistema de controle detecta que o fogão foi ativado, ele gera um sinal na base do transistor, que ativado, faz com que a corrente flua do coletor para o emissor, alimentando o ventilador e promovendo a circulação do ar e dissipação do calor do sistema pela saída de ar projetada pela estrutura. Quando o fogão é desligado, o microcontrolador desativa o transistor, interrompendo o fluxo de corrente para o ventilador e desligando-o.

O buzzer também é controlado através do microcontolador, e é ativado sempre que for detectado falhas no sistema, como: superaquecimento, picos de tensão e corrente. Ademais, será utilizado também para indicar que o tempo de cozimento escolhido pelo usuário se esgotou.

Figura 07: Esquemático do circuito de conexão do buzzer e do Cooler utilizandos no sistema.

Controle de superaquecimento da superfície do cooktop e do IGTB

O circuito de proteção contra superaquecimento da superfície do cooktop e do IGBT garante a segurança e o desempenho do fogão de indução. Cada circuito é composto por um termistor NT100K, um capacitor e um resistor. O termistor NT100K monitora a temperatura da superfície do cooktop através da variação da sua resistência em função da temperatura, e com o auxílio do controlador e bibliotecas próprias é possível identificar a temperatura medida. O capacitor possui a função de filtrar e estabilizar o sinal do termistor, reduzindo ruídos e interferências para garantir uma medição precisa da temperatura. O resistor possui a função de formar um divisor de tensão com o termistor, possibilitando o ajuste do sinal de temperatura para que possa ser lido pelo sistema de proteção.

Os circuitos de proteção contra superaquecimento garantem o monitoramento contínuo das temperaturas críticas, assegurando o acionamento rápida do sistema de ventilação em caso de superaquecimento.

Figura 08: Esquemático do circuitos de proteção contra superaquecimento.

Detecção da corrente

O circuito de detecção de corrente faz o monitoramento da corrente elétrica que flui através do sistema, assegurando uma operação eficiente. Esse circuito é integrado por um potenciômetro de precisão, que é utilizado para calibrar o circuito de detecção de corrente para uma leitura exata. Ademais, é composto por resistores que ajustam a corrente do circuito, mantendo-a dentro da faixa de operação dos componentes eletrônicos. Atuando como pontes do circuito, os resistores de 0 ohm permitem a seleção e ajuste de corrente e supressão de ruídos. E os capacitores são utilizados para filtrar e estabilizar o sinal de corrente, diminuindo ruídos e interferências que podem alterar a medição.

Figura 09: Circuito de detecção de corrente que o monitoramento da corrente elétrica.

Detecção de tensão

O circuito de detecção de tensão possui o objetivo de monitorar a tensão elétrica no sistema do fogão. Este circuito é composto por resistores, resistores de 0 ohm e um diodo. O funcionamento dos dois resistores foram expostos anteriormente. O diodo possui o objetivo de proteger o circuito contra correntes com polaridades contrárias.

Figura 10:Circuito de detecção de tensão.

Proteção contra sobretensão de surto

O circuito de proteção contra sobretensão de surto protege os componentes eletrônicos do fogão contra picos de tensão indesejados que possam danificar o sistema. o circuito é composto por capacitores, que absorvem a energia de surtos de tensão, já que possuem a capacidade de armazenar energia, e assim, reduz o efeito dos picos de tensão nos demais componentes do sistema eletrônico. Já os resistores são associados aos capacitores para restringir a corrente que flui através do circuito durante um surto de tensão, protegendo os componentes eletrônicos do sistema ao limitar a energia que é dissipada durante os surtos de sobretensão.

Figura 11: Circuito de proteção contra sobretensão de surto.

Controle do fogão pela EPS32

Figura 12:Circuito de detecção de tensão.

O circuito será desenvolvido para acionar os botões do fogão de indução utilizando uma ESP32. A ESP32 será responsável por ativar o sensor touch do circuito de acionamento dos botões do fogão. Para definir as funcionalidades desse acionamento, serão utilizados os GPIOs da ESP32, que interagirão com o sensor capacitivo presente no microcontrolador da placa do circuito do fogão. Dessa forma, será possível controlar o fogão de indução de maneira eficiente e precisa, aproveitando as capacidades de toque do sensor e a versatilidade de programação da ESP32.