Módulo de alimentação para protoboard MB102: 5V/3.3V e limites de corrente

Um módulo de alimentação para protoboard (o mais comum é o MB102) é uma plaquinha que regula a tensão vinda de uma fonte DC ou da USB e a distribui como 5 V e 3,3 V nas linhas de alimentação da protoboard. Ele encaixa direto em uma das pontas da protoboard, alimenta separadamente as linhas positiva e negativa de cada lado e tem jumpers que permitem escolher 5 V ou 3,3 V para cada linha. Assim você alimenta sensores, displays e CIs sem sobrecarregar o regulador do próprio Arduino, e usa componentes de 3,3 V e 5 V juntos na mesma protoboard.

Mas essa plaquinha tem um limite de corrente bem menor do que a maioria imagina. Neste post você vai aprender, com cálculos, as partes do MB102, como escolher a fonte certa, os ajustes dos jumpers, quantos miliampères a placa realmente fornece e por que o regulador AMS1117 esquenta. Depois vai ver por que servos e motores não funcionam com esse módulo, a entrada USB, como encaixá-lo na protoboard do lado certo, o GND comum com o Arduino e os erros mais comuns.

O que é um módulo de alimentação para protoboard e como ele funciona?

A placa MB102 tem dois reguladores lineares: o AMS1117-5.0 reduz a tensão de entrada para 5 V e o AMS1117-3.3 para 3,3 V. Na maioria das placas, o regulador de 3,3 V é alimentado pela saída de 5 V; ou seja, a corrente que você puxa da linha de 3,3 V também passa antes pelo regulador de 5 V. Na entrada há um diodo contra ligação invertida, uma chave liga/desliga e um LED que indica que a alimentação está ligada. As duas fileiras de pinos embaixo da placa encaixam nas linhas positiva e negativa das duas bordas da protoboard.

Qual fonte escolher? O que significa a entrada de 6,5–12 V

Para um regulador linear funcionar, a entrada precisa ser um certo valor maior que a saída; essa diferença se chama tensão de dropout e, no AMS1117, fica em torno de 1,1–1,3 V, dependendo da corrente da carga. O diodo de proteção na entrada também consome alguns décimos de volt. Por isso você precisa de pelo menos 6,5 V na entrada para que a saída de 5 V seja realmente 5 V. Se ligar uma fonte de 5 V, vai ver 3,5–4 V na saída, e o Arduino, o display ou os sensores vão funcionar de forma instável. No limite superior o problema é o calor: quanto maior a tensão de entrada, mais potência o regulador desperdiça em forma de calor.

Ajustando os jumpers de 5 V e 3,3 V

Em cada ponta da placa há uma barra de três pinos para o jumper; cada uma controla a linha de alimentação de um lado da protoboard. Coloque o jumper no lado marcado “5V” e aquela linha recebe 5 V; coloque em “3.3V” e ela recebe 3,3 V; tire o jumper e aquela linha fica sem alimentação. Assim você pode ajustar um lado para um LCD de 5 V e o Arduino, e o outro para um nRF24L01 ou um sensor de 3,3 V. As linhas negativas (GND) dos dois lados são sempre comuns.

O limite real de corrente: por que até 700 mA é otimista

O datasheet do AMS1117 diz 1 A, e os vendedores falam em “menos de 700 mA” para o módulo. Mas esses valores supõem que o regulador esteja bem resfriado. Um regulador linear desperdiça a diferença entre a tensão de entrada e a de saída em forma de calor: P = (Ventrada − Vsaída) × I. No MB102, o regulador fica soldado em uma pequena área de cobre da placa, sem dissipador. Um encapsulamento SOT-223 assim consegue dissipar cerca de 1 W de forma contínua; acima disso ele superaquece, entra em proteção térmica e corta ou reduz a saída.

O lado de 3,3 V é calculado à parte: como o regulador de 3,3 V é alimentado pelos 5 V, ele gera (5 − 3,3) × I de calor; a 300 mA isso dá 0,5 W. Além disso, esses 300 mA também se somam à carga do regulador de 5 V. Resumindo, o MB102 é ideal para circuitos de algumas centenas de miliampères, como LEDs, sensores, um LCD e um Arduino Nano. Para mais do que isso, passe para um regulador chaveado, como o conversor step-down LM2596; reguladores assim convertem a diferença de tensão de forma eficiente em corrente, em vez de calor.

Orçamento de corrente: quanto o seu circuito consome?

Antes de escolher o módulo, some por alto a corrente total dos componentes do seu circuito. Os valores abaixo são médias típicas; componentes com motor e sem fio têm picos curtos bem mais altos. Se a corrente contínua total passar de 300 mA ou os picos passarem de 500 mA, o MB102 sozinho não dá conta.

Por que não é suficiente para servos e motores?

No instante em que um servo SG90 começa a se mover, ele puxa por um momento algumas centenas de miliampères, e até 650 mA quando está sendo forçado; em servos grandes como o MG996R isso passa de 2 A. Motores CC e motores de passo também exigem corrente alta na partida. Essa corrente repentina bate no limite do regulador e a linha de 5 V cai abaixo de 4 V por um instante. A tensão de um Arduino alimentado pela mesma linha também cai e a placa reinicia sozinha; o servo treme e aparecem caracteres estranhos no LCD. O ruído das escovas dos motores também estraga leituras de sensores sensíveis.

• Alimente servos e motores com uma fonte separada: uma fonte de 5 V que forneça pelo menos 2 A, um conversor buck como o LM2596 ou 4 pilhas AA são boas opções.
• Una os GNDs: mesmo com uma fonte separada, ligue o GND da fonte dos motores ao GND do Arduino; caso contrário, o sinal fica sem referência.
• Coloque um capacitor na alimentação do servo: um capacitor eletrolítico de 470–1000 µF entre os terminais de alimentação do servo suaviza os picos repentinos de corrente.
• Use o MB102 só para a parte lógica: deixe o Arduino, os sensores e o display no MB102, e os motores na fonte própria deles.

Se quiser ver essa queda com seus próprios olhos, experimente o código abaixo. O Arduino Uno consegue medir a própria tensão de alimentação comparando sua referência interna de 1,1 V com a alimentação; não é preciso nenhuma ligação externa. Alimente o Arduino e o servo pela linha de 5 V do MB102 e acompanhe a tensão mínima no Monitor Serial enquanto o servo se move:

1// Arduino kendi besleme gerilimini ölçer, servo hareket ederken düşüşü yakalar
2// The Arduino measures its own supply voltage and catches the dip while a servo moves
3// Arduino 5V ve GND -> MB102 5 V hattı / Arduino 5V and GND -> MB102 5 V rail; servo sinyali / servo signal -> D9
4#include <Servo.h>
5
6Servo servo;
7long minVcc = 99999;
8
9long readVcc() {
10  // Dahili 1,1 V referansını AVcc'ye göre ölç / measure the internal 1.1 V reference against AVcc
11  ADMUX = _BV(REFS0) | _BV(MUX3) | _BV(MUX2) | _BV(MUX1);
12  delay(2);                                // referansın oturmasını bekle / let the reference settle
13  ADCSRA |= _BV(ADSC);                     // dönüşümü başlat / start the conversion
14  while (bit_is_set(ADCSRA, ADSC));        // bitmesini bekle / wait until done
15  long result = ADCL;
16  result |= ADCH << 8;
17  return 1125300L / result;                // 1,1 V x 1023 x 1000 / sonuç = mV / result in mV
18}
19
20void setup() {
21  Serial.begin(9600);
22  servo.attach(9);
23}
24
25void loop() {
26  for (int angle = 0; angle <= 180; angle += 90) {
27    servo.write(angle);
28    unsigned long start = millis();
29    while (millis() - start < 600) {       // hareket boyunca ölç / measure during the move
30      long vcc = readVcc();
31      if (vcc < minVcc) minVcc = vcc;
32    }
33    Serial.print("Aci / Angle: ");
34    Serial.print(angle);
35    Serial.print("  Vcc: ");
36    Serial.print(readVcc());
37    Serial.print(" mV  en dusuk / minimum: ");
38    Serial.print(minVcc);
39    Serial.println(" mV");
40  }
41}

O resultado pode variar ±10%, dependendo do valor real da referência interna; para uma leitura mais precisa, meça a linha de 5 V uma vez com um multímetro e ajuste a constante 1125300 de acordo. Se o mínimo cair abaixo de 4,5 V com o servo ligado, ou se a placa reiniciar, é hora de passar o servo para uma fonte separada.

A entrada USB: serve tanto para entrada quanto para saída

O conector USB-A do MB102 pode ser usado de duas formas. Quando você alimenta a placa pelo conector DC, ele vira uma saída de 5 V e pode alimentar um pequeno dispositivo USB. Quando você alimenta com um cabo USB A-A ou um power bank, ele vira entrada: nesse caso os 5 V que chegam pulam o regulador de 5 V e vão direto para a linha, enquanto o regulador de 3,3 V continua funcionando. A porta USB de um computador costuma fornecer 500 mA (900 mA na USB 3), e a única proteção contra curto-circuito é o limite de corrente da porta. Se usar um power bank, lembre-se de que muitos modelos se desligam sozinhos com corrente baixa.

Encaixando na protoboard do lado certo

O MB102 foi projetado para a ponta das protoboards padrão de 830 pontos: os pinos de baixo encaixam nas duas linhas de alimentação (positiva e negativa) de cada lado. Há marcações + e − embaixo ou em cima da placa; confira se elas coincidem com as linhas vermelha (positiva) e azul (negativa) da protoboard. Em algumas protoboards as linhas coloridas vêm impressas ao contrário ou nem existem; se você encaixar o módulo invertido, a linha positiva vira GND, a negativa vira 5 V e tudo no seu circuito recebe alimentação invertida. Em protoboards compridas, as linhas de alimentação podem ser divididas no meio; se os componentes da ponta mais distante não funcionarem, verifique a continuidade das linhas.

1. Coloque a chave do módulo em desligado e ajuste os jumpers para a tensão desejada.
2. Pressione o módulo na ponta da protoboard de forma que as marcações + e − fiquem alinhadas com as linhas vermelha e azul da protoboard.
3. Ligue a fonte no conector DC e acione a chave; o LED deve acender.
4. Meça as duas linhas com o multímetro; se os valores estiverem corretos, desligue e comece a montar o circuito.
5. Com o circuito pronto, confira as ligações mais uma vez, principalmente o GND, antes de ligar.

GND comum com o Arduino e alimentação do Arduino

Há dois jeitos certos de usar o MB102 com um Arduino. Opção um: o Arduino é alimentado pela USB e o MB102 alimenta só os sensores e módulos. Nesse caso você precisa ligar o pino GND do Arduino à linha negativa da protoboard; sem GND comum, o sinal de 5 V que o Arduino envia não tem referência do outro lado e o circuito se comporta de forma aleatória. Os detalhes estão no post GND e terra comum. Opção dois: alimentar o Arduino também pelo MB102. Você liga a linha de 5 V ao pino 5V do Arduino e a linha negativa ao GND; isso pula o regulador do próprio Arduino.

• Se alimentar o Arduino pelo pino 5V, não conecte a USB: no Uno não há isolação completa entre o pino 5V e a USB, então as duas fontes de 5 V ficam ligadas entre si.
• Não coloque 5 V no pino VIN: o VIN vai para o regulador do próprio Arduino e precisa de pelo menos 7 V; com 5 V a placa não funciona direito.
• Não alimente o ESP32 pela linha de 3,3 V: os picos de 400–500 mA do Wi-Fi forçam o regulador de 3,3 V do MB102 e causam o erro de brownout. Alimente a placa de desenvolvimento ESP32 com 5 V pelo pino 5V/VIN.
• Alimente o Raspberry Pi Pico pelo pino VSYS: o VSYS aceita 1,8–5,5 V, então a linha de 5 V serve bem. Use esse caminho em vez de aplicar tensão externa no pino 3V3.

Monitorando a tensão de alimentação com ESP32 e Raspberry Pi Pico

No ESP32 você não consegue medir a linha de 5 V diretamente, porque as entradas do ADC suportam no máximo 3,3 V. A solução é um divisor de tensão feito com dois resistores de 10 kΩ: a linha de 5 V cai pela metade e pode ser ligada com segurança ao GPIO 34. A função analogReadMilliVolts() usa a calibração de fábrica do ESP32 para devolver o valor direto em milivolts, e a média de 32 leituras reduz o ruído:

1// ESP32 ile MB102 5 V hattını izlemek / Monitoring the MB102 5 V rail with an ESP32
2// 5 V hattı -> 10k -> GPIO 34 -> 10k -> GND (gerilim bölücü / voltage divider)
3const int SENSE_PIN = 34;          // yalnız giriş, ADC1 / input only, ADC1
4const float DIVIDER = 2.0;         // 10k + 10k: gerilim yarıya iner / voltage is halved
5const float LOW_LIMIT = 4.75;      // bu değerin altı sorunlu / below this is a problem
6
7void setup() {
8  Serial.begin(115200);
9  analogSetPinAttenuation(SENSE_PIN, ADC_11db);   // 0-3,3 V aralığı / 0-3.3 V range
10}
11
12void loop() {
13  uint32_t sum = 0;
14  for (int i = 0; i < 32; i++) {   // 32 ölçümün ortalaması / average of 32 readings
15    sum += analogReadMilliVolts(SENSE_PIN);
16  }
17  float rail = (sum / 32.0) * DIVIDER / 1000.0;
18  Serial.printf("5V hatti / 5V rail: %.2f V %s\n", rail,
19                rail < LOW_LIMIT ? "DUSUK / LOW" : "normal");
20  delay(500);
21}

No Raspberry Pi Pico não é preciso nenhum componente extra: a placa tem um divisor que divide o VSYS por três, ligado ao canal ADC3 (GPIO 29). Quando você liga a linha de 5 V do MB102 ao VSYS, o código MicroPython abaixo mostra a alimentação e o menor valor registrado. No Pico W esse canal é compartilhado com o chip sem fio, então a leitura exige outro método; o código é para o Pico sem Wi-Fi.

1# Raspberry Pi Pico (W olmayan / non-W): VSYS gerilimini okumak / reading the VSYS voltage
2# MB102 5 V hattı -> Pico VSYS (pin 39), GND -> GND
3from machine import ADC
4import time
5
6vsys = ADC(29)                       # ADC3: VSYS / 3 iç bölücü / internal VSYS / 3 divider
7low = 99.0
8
9while True:
10    volts = vsys.read_u16() * 3.3 / 65535 * 3
11    if volts < low:
12        low = volts                  # en düşük değeri sakla / keep the lowest value
13    print("VSYS: {:.2f} V  en dusuk / min: {:.2f} V".format(volts, low))
14    time.sleep(0.5)

Projetos que combinam com o MB102, e os que não combinam

• Adequado: experimentos com LEDs e botões. Projetos de semáforo, LEDs sequenciais e botões consomem algumas dezenas de miliampères.
• Adequado: circuitos com sensores e displays. Circuitos de medição com DHT11, LDR, HC-SR04, LCD 16x2 e OLED são ideais para o MB102.
• Adequado: circuitos com tensões mistas. Um Arduino de 5 V de um lado e um módulo de 3,3 V do outro.
• No limite: um único servo pequeno. Um SG90 se movendo sem carga pode funcionar, mas espere reinicializações e tremedeira sob carga.
• Não adequado: robôs com motores e vários servos. Carrinhos robô que acionam motores com L298N precisam de um pack de baterias separado.
• Não adequado: fitas de LED longas. Mais de 10 LEDs WS2812B no brilho máximo ultrapassam o limite do módulo.

Erros comuns e como resolver

O MB102 é o jeito mais prático de ter 5 V e 3,3 V limpos e selecionáveis em uma protoboard, desde que você conheça os limites dele: use uma fonte de 7–9 V, mantenha a corrente total em algumas centenas de miliampères, alimente os motores separadamente e sempre compartilhe o GND. No app BlueGrays você encontra projetos de LED, semáforo, servo e motor de passo, passo a passo, com esquemas do circuito, listas de componentes e código.