Posso conectar um motor, aquecedor, lâmpada,... diretamente à saída do Arduino?

    Pode conectar, o arduino provavelmente não queima, mas o motor não vai girar, o aquecedor não vai aquecer e a lâmpada não vai acender do jeito que você quer.

Parte 1: Quanta energia fornecer para algo funcionar

    Para motor, aquecedor, lâmpada funcionar, precisam receber energia: Tensão e Corrente elétrica. Um motor de carrinho de brinquedo, em geral, precisa de 3V e 0,2A para girar bem. O aquecedor e a lâmpada, melhor ler no próprio aparelho.

    Existe uma faixa de tensão de funcionamento. O motor do exemplo pode receber 6V ao invés de 3V durante alguns minutos. Desde que tenha à disposição corrente suficiente, vai funcionar, embora vá esquentar um pouco.

    Procure saber qual a faixa de tensão de funcionamento do componente!

    Motores costumam aceitar grandes variações de tensão de alimentação. Já alguns componentes eletrônicos não. Por exemplo Seu arduino, pela entrada 5V pode receber entre 4,5 e 5,5V. Abaixo disso provavelmente não funciona direito, mas não queima; Acima disso provavelmente queima.

Parte 2: Quanta energia o arduino UNO fornece?

    As saídas do arduino (todos os pinos podem ser configurados para ser saída) fornecem ou 0V ou VCC e no máximo 20mA. Estas saídas têm circuitos internos que evitam que queimem com facilidade. Em geral exigir de uma saída mais do que ela pode fornecer não vai queimar o arduino.

    Se VCC=5V (por exemplo conectado na USB do computador), a saída do arduino fornecerá 5V e no máximo 20mA. Com essa energia um LED acende, mas um motor de brinquedo não gira.

Parte 3: Como fazer para fornecer mais energia?

a-) Estime quanta energia sua montagem precisa

    Contando arduino, dispositivos, LEDs, displays - todas as partes.

    Isso se vê na especificação de cada parte. Como exemplo usaremos o motor de 6V e 0,2A e o arduino UNO: 5v 0,05A.


a-) Escolha a fonte adequada

    O primeiro a considerar é se a fonte de alimentação que você está usando é capaz de fornecer a energia necessária. Uma saída USB de um computador fornece 5V e no máximo 0,5A. Se passar disso, ou a USB desliga ou algo se queima. Melhor ter o cuidado do segundo caso.

    Há carregadores de celular que fornecem até 2A (ao menos é o que o fabricante escreve).

b-) Saiba como conectar o arduino a esta fonte.

    O arduino UNO possui um conector J4 (parecido com o conector da alimentação dos notebooks). Você pode alimentar o arduino com 7 a 12V através dessa entrada. O arduino funcionará a 5V, ou seja, as saídas HIGH fornecerão 5V e os mesmos 20mA no máximo.


c-) Saiba o que você quer do dispositivo.
     Se for "só" ligar e desligar, há algumas soluções (drivers), se for controlar a rotação, algumas das soluções iniciais não servirão. 

d-) Escolha como conectar o dispositivo

    Esse dispositivo precisa de um componente (placa, módulo) para permitir que o arduino o controle. O nome genérico desse componente é driver. O driver de um motor DC de giro numa aplicação em que é necessário controlar a rotação costuma ser uma ponte H.

    Algumas coisas podem se tornar difíceis porque não sabemos direito como funcionam. É o caso das saídas analógicas do arduino. Elas usam uma técnica chamada Pulse Width Modulation (PWM) para simular uma saída realmente analógica https://www.arduino.cc/en/Tutorial/PWM. O caso é que a saída PWM do arduino, no ajuste padrão, chaveia (vai de LOW para HIGH ou de HIGH para LOW) a 400 vezes por segundo. Relés chaveiam, no máximo, algumas dezenas de vezes por segundo. Se colocarmos a saída analógica do arduino (em PWM a 400Hz) para controlar um relé (que só consegue uns 10Hz), o relé não vai chavear na velocidade do arduino e o circuito não fará o que se deseja.

XL6009E1 - Conversor chaveado stepup tipo boost

https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/6365307


https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/6063880

https://ieeexplore.ieee.org/document/6342289

https://ieeexplore.ieee.org/document/6063880

http://www.baudaeletronica.com.br/modulo-regulador-de-tensao-step-up-xl6009e1.html

    Este conversor é um elevador de tensão. Seu custo é baixo e segundo especificação em um site de venda, pode receber na entrada de 3V a 32V e oferecer na saida de 5V a 35V até 4A.

    Uma explicação boa sobre conversor boost no link abaixo:
http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/1670-conversores-boost-art247

    Caso você queira saber o motivo do nome, contraponha ao conversor buck, explicado abaixo:
http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/1668-conversores-buck

    Fiz dois testes:

    A-) Tensão de alimentação nominal do conversor de 3,7V de uma bateria 18650, tensão de saída em aberto 14,4V (no ajuste mínimo), com carga 8,1V. Carga: 48 leds 3825 em fita (tensão nominal de entrada de 12V).

    B-) Tensão de alimentação nominal do conversor de 5V através de battery pack (ou seja, recebe de um conversor elevador de 3,7V para 5V e eleva novamente). Tensão de saída em aberto 12V (em algum ponto intermediário do trimpot, no mínimo a tensão foi 5V), com carga 9,5V. Corrente de entrada do conversor com carga: 250mA. Corrente de saída 88mA.

    Impressões:
    No teste A a regulação da saída estava muito ruim: variações maiores de tensão com e sem carga, tensão no ajuste mínimo muito diferente do mínimo da especificação. O xl6009 parecia estar fora da faixa de funcionamento.
     No teste B a regulação de saída melhorou: ajuste mínimo conforme especificação, diferença de tensão sem e com carga menor.
     Nos dois casos tentar ajustar, usando o trimpot, a tensão de saída para 12V com a carga conectada não foi possível. Chegou-se ao ajuste máximo e a tensão de saída praticamente não mudou. Por outro lado, desconectando a carga a tensão de saída vai para o valor em aberto (mais de 30V). Existe a chance do xl6009, na conexão da carga, fornecer um pico de tensão que poderia danificar a carga. Cabe considerar o valor em risco.

Montagem em placa padrão de circuito impresso

Motores:

Motor de giro com driver L293

Pan e tilt com servomotor tower pro SG90

Servomotor tower pro SG90 conexão

 Servomotor tower pro SG90 na ide do arduino

Condições extremas de funcionamento (como queimar um LED).

    Em geral peças são fabricadas para funcionar em determinadas condições e suportam algumas condições extremas. Os manuais das peças trazem essas condições. Em componentes eletrônicos, as condições extremas estão em um quadro marcado "Absolute Maximum Ratings". Nessas condições o componente pode queimar ou ter sua vida útil reduzida significativamente.

    Em um manual de um LED (https://www.vishay.com/docs/83171/tlur640.pdf) tem-se Vr=6V, ou seja, se esse LED for ligado com os terminais invertidos, a maior tensão que ele suporta é 6V. If=20mA acima de 20mA constante o LED pode queimar ou ter sua vida útil reduzida significativamente. Ifsm=1A caso receba um pico de corrente acima de 1A o LED pode queimar. Pv=60mW a potência sobre o LED deve ser no máximo 60mW. É muito provável que este componente queime imediatamente se conectado com a polaridade certa diretamente na USB (por exemplo os pinos 5V e GND do arduino) pois a USB fornece 5V e até 500mA.

   Outro exemplo: um pino do arduino configurado para saída digital suporta até 5V e 40mA (https://playground.arduino.cc/Main/ArduinoPinCurrentLimitations). Em tese, conectar um LED diretamente ao pino de saída vai queimar ou o LED ou o pino do arduino ou os dois. Não se recomenda fazer isto MAS...
... os pinos do arduino (especificamente do ATMega328 têm proteção contra sobrecorrente, o que geralmente evita que a saída do arduino e o LED queimem.

   Componentes robustos como arduino e boas placas USB têm circuitos que evitam que sofram danos. Usar um hub USB entre o computador e o arduino ou outro componente pode trazer um pouco mais de segurança.

Conectando eletricidade, dinâmica, termodinâmica para conseguir um banho quente...

   Do produto V*I resulta a potência (geralmente denotado pela letra P), medida em Watts (abreviação da unidade de medida: W) ou seja: P=V*I. Esta é a mesma potência que se usa em dinâmica.

    Na dinâmica, potência é trabalho por tempo: P=T/t. Trabalho é medido em Joules (J), a mesma unidade de medida de calor em termodinâmica. Isto ajuda a lembrar que trabalho pode ser convertido em calor. Se todo o trabalho for convertido em calor, então T=Q. Supondo que não há mudança de estado, a equação Q=m*c*(Tf-Ti) é válida para relacionar calor e aumento de temperatura.

    Juntando tudo:

    (V*I)*t = m*c*(Tf-Ti).

    Esta fórmula pode ser usada neste exemplo:
    Você tem uma banheira cheia com 200kg de água a 18 graus Celsius e quer tomar um banho quentinho com água a 36 graus. Para isso você tem um aquecedor 220V, 20A que converte toda a energia em calor e este calor não é dissipado no ambiente. Por quanto tempo a água tem que ser aquecida por este aquecedor para que você possa tomar um banho quentinho? Substituindo os números  na fórmula tem-se t=200000*1*(36-18)/4400=818,18s ou 13,63 minutos.

Resistência elétrica e "Lei de Ohm"

    Para simplificar vamos limitar os circuitos àqueles mais comuns, por exemplo o da lâmpada da sala, há pelo menos uma fonte de energia e pelo menos um consumidor de energia, lembre que os fios que conectam lâmpada à tomada são parte do circuito. Depende de você avaliar se são ou não significativos e isto depende do seu objetivo nesse estudo. Aqui deseja-se apresentar a Lei de Ohm e para isso podemos negligenciar os fios.

   Diferentes materiais deixam as cargas passar através deles com maior ou menor facilidade. Em geral metais deixam as cargas passar com mais facilidade, plásticos e borrachas deixam as cargas passar com menos facilidade. Essa característica dos materiais é chamada resistência elétrica, geralmente denotada por R e medida em Ohms).

   Em uma grande variedade de materiais (mas não em todos!), tensão, corrente e resistência se relacionam pela fórmula V=R*I (Lei de Ohm). Experimentando com esta fórmula, num mesmo material, ou seja, a resistência é a mesma, submetido a uma determinada tensão, passa uma determinada corrente. Se dobrarmos a tensão, a corrente dobra também.

   Usando a fórmula de outra forma possível, diferentes materiais submetidos à mesma tensão deixam passar diferentes correntes. Quanto maior a resistência elétrica, menor a corrente, quanto menor a resistência elétrica, maior a corrente. Materiais com "baixa" resistência elétrica são chamados condutores elétricos e material com "alta" resistência elétrica são chamados isolantes elétricos.

Sobre pele e eletricidade

Condutores elétricos são materiais que oferecem pouca resistência à passagem de cargas elétricas, isolantes oferecem muita resistência. A definição de resistência elétrica está na próxima seção.

Comparada a metais, a pele está mais para isolante que para condutor elétrico. Até certas tensões a corrente elétrica que passa pela pela é baixa a ponto de não ser sentida. A pele nos protege de sentir choques elétricos.

Pele fina e pele molhada protegem menos que pele seca. Consequentemente, com menor "voltagem" (tensão, potencial elétrico), sente-se choque na língua ou dentro da boca, comparado às mãos ou aos pés.

Em geral nas mãos, braços, pés, tensões até 12V não provocam sensação de choque. Quando eu estagiava no "Distribuidor Geral" de telefonia, frequentemente tocava em conexões e fios a 48V. Eu e outras pessoas, já sentíamos choque a essa tensão. Vindo sem aviso, dá um susto, sem maiores conseqüencias.

Em computadores em funcionamento normal, exceto pela tomada de alimentação de energia e pelos circuitos internos da fonte, as tensões não superam 24V. Em condições normais, não se sente choque tocando na placa-mãe do computador ou em um arduino.

Sobre a sensação de choque elétrico.

    Há sensação de choque elétrico quando corrente elétrica suficientemente intensa para ser sentida percorre nosso corpo.
    Na natureza é incomum que nosso corpo seja percorrido por corrente elétrica induzida por fonte externa e nas ocasiões em que isso ocorre na natureza geralmente há risco para nós. Provavelmente os seres humanos que sobreviveram a essas situações, quando possível, afastaram-se da fonte de eletricidade. Em nós, sensações desagradáveis são bons motivos para nos afastar. Faz muito sentido que para a maioria dos seres humanos a sensação do choque elétrico seja desagradável: desde um susto até dor.

Há muitas gravações de jogos de futebol em que um raio cai no campo e instantaneamente alguns jogadores desmaiam (https://www.youtube.com/watch?v=7hkpes_AcsM). O circuito mais significativo para explicar o choque certamente é composto pelo corpo do jogador (caso contrário ele não teria sentido o choque) e... pelo chão. Os (dois) pontos de contato são os pés do jogador tocando o chão. O raio descarregou uma enorme quantidade de cargas no chão, provocando o movimento das cargas do raio e as pré-existentes, no chão. Consequentemente, cada ponto do chão tem diferentes potenciais elétricos. Entre os dois pontos do chão onde os pés do jogador estão tocando, a diferença de potencial elétrico faz as cargas se moverem através do corpo do jogador, ou seja, há corrente elétrica. Esta pode ser suficiente para fazer o jogador desmaiar.

Sobre circuitos elétricos e choques

Para haver corrente elétrica é necessário existir um circuito elétrico. Circuito é um caminho fechado. Logo para haver corrente elétrica há um caminho fechado por onde as cargas passam E há cargas passando por esse caminho.

Às vezes não é imediato identificar onde está o circuito elétrico pois ar, terra e mesmo vácuo podem fazer parte de circuitos. Por exemplo, há muitas gravações de jogos de futebol em que um raio cai no campo e instantaneamente alguns jogadores desmaiam (https://www.youtube.com/watch?v=7hkpes_AcsM). O circuito mais significativo para explicar o choque certamente é composto pelo corpo do jogador (caso contrário ele não teria sentido o choque) e... pelo chão. Os (dois) pontos de contato são os pés do jogador tocando o chão. O raio descarregou uma enorme quantidade de cargas no chão, provocando o movimento das cargas do raio e as pré-existentes, no chão. Consequentemente, cada ponto do chão tem diferentes potenciais elétricos. Entre os dois pontos do chão onde os pés do jogador estão tocando, a diferença de potencial elétrico faz as cargas se moverem através do corpo do jogador, ou seja, há corrente elétrica. Esta pode ser suficiente para fazer o jogador desmaiar.

O que é eletricidade?

   Onde há cargas elétricas (elétrons, prótons, íons, ...) há eletricidade.
   Na teoria vigente sobre eletricidade (Nota 1), em qualquer sistema com ao menos duas cargas, elas tendem a se mover pois exercem força uma sobre a outra. Cargas elétricas podem ser positivas ou negativas, cargas de mesmo tipo se repelem, cargas de tipos diferentes se atraem.

   Ainda segundo essa mesma teoria, o potencial da carga se mover é chamado potencial ou tensão elétrica, popularmente chamada "voltagem" (geralmente denotado pela letra V), medido em Volts( abreviação da unidade de medida: V). Cargas em movimento são corrente elétrica, popularmente chamada "amperagem" (geralmente denotado pela letra I), medida em Ampère(abreviação da unidade de medida: A).(Nota 2)

   Neste modelo amplo, existe potencial elétrico em qualquer ponto do universo e nos locais do universo em que há cargas em movimento, há corrente elétrica. Ambos podem ser muito próximos de zero. Cabe ao interessado avaliar se essa condição é significativa ou se é negligenciável.

Nota 1: Teorias são construídas pela humanidade a fim de explicar processos como a formação de chuva, do fogo,... Podemos então usar uma teoria (suficientemente) completa para escolher o que fazer para obter certo resultado e consequentemente construir, por exemplo, máquinas, para gerar esse resultado. Essas teorias são formuladas e testadas (validadas) por cientistas seguindo o chamado Método Científico. Este é considerado, por quem acredita em Ciência, o melhor meio de adquirir conhecimento. Usar a teoria para construir máquinas, em geral, é atribuição de um engenheiro.

Nota 2: A análise dimensional, interpretada corretamente, traz algumas pistas interessantes sobre como esses conceitos, estudados dentro de uma sub-área da física, a eletricidade, relacionam-se com o conceito de força, assunto de outra sub-área da física, a dinâmica (que lida com aquilo que provoca movimento). Para completar, a mais famosa "Lei de Newton": F=m*a conecta a dinâmica à cinemática, sub-área que estuda o movimento.