Como usar micro-switches e chaves de fim de curso como sensores (MEC097)

Este é um artigo didático de 2007 mas que se mantém atual, pois os micro-switches sempre serão utilizados em projetos de mecatrônica. Pela maneira simples como o assunto é abordado , sugerimos sua utilização como texto básico ou mesmo apostila nos cursos de tecnologia ou mesmo técnico.

Micro-switches, deep-switches, chaves de fim de curso e até mesmo push-buttons podem ser usados como eficientes sensores para projetos mecatrônicos. Mesmo a sua limitação de fornecer apenas um contacto pode ser contornada em aplicações interessantes com o uso de circuitos eletrônicos relativamente simples. Veja nesse artigo como fazer isso.

Micro-switches, deep-switches e chaves de fim de curso com uma infinidade de tamanhos e formatos podem ser encontradas com facilidade a um custo muito baixo. Na figura 1 temos exemplos dessas chaves.

 

Microchaves com hastes compridas.
Microchaves com hastes compridas.

 

Essas chaves podem ser utilizadas como sensores mecânicos em projetos mecatrônicos, bastando que o leitor as posicione de forma apropriada, e para isso existem muitas opções.

As micro-switches ou micro-chaves, por exemplo, podem ser encontradas com hastes compridas que permitem adaptá-las à "antenas" sensoras, como mostra a figura 2.

 

Acionamento da microchave
Acionamento da microchave

 

A presença de um objeto faz com que ela seja acionada enviando um pulso para o circuito de controle.

Outra possibilidade é mostrada na figura 3 em que a posição de uma parte mecânica de um projeto faz seu acionamento pelo peso ou pelo esforço.

 

Acionamento da chave de fim-de-curso.
Acionamento da chave de fim-de-curso.

 

Para as chaves de fim de curso temos as mesmas possibilidades mostradas na figura 3.

Em todas elas podemos adaptar sistemas mecânicos que modifiquem o modo de acionamento, o que torna seu uso bastante versátil. Essas chaves ainda se caracterizam por suportar uma corrente algo elevada, controlando diretamente solenóides ou motores de corrente contínua.

 

Circuitos Eletrônicos

O maior problema que o projetista que não está apto a operar com circuitos complexos, como microcontroladores, está no fato de que essas chaves são interruptores simples e dependendo do modo como são usados de contacto momentâneo.

Isso significa que para a realização de certas funções num projeto é preciso contar com circuitos apropriados. O que muitos leitores não sabem, entretanto, é que não precisamos nem de microcontroladores ou microprocessadores para realizar essas funções e na maioria dos casos, nem mesmo funções lógicas complexas devem ser usadas.

Circuitos relativamente simples podem ser implementados com esses sensores. Os circuitos que damos a seguir são blocos úteis que podem até ser associados para se controlar cargas de corrente contínua a partir dos sinais enviados por esses sensores.

 

Circuito 1

Circuito de Tempo

Em algumas aplicações o contacto momentâneo de curta duração que se produz quando o sensor é acionado não é suficiente para se obter o funcionamento de uma carga pelo tempo desejado, por exemplo, um motor ou um solenóide. Para resolver esse problema, podemos usar um circuito de acionamento monoestável conforme mostra a figura 4.

 

Circuito de acionamento monoestável.
Circuito de acionamento monoestável.

 

Nesse circuito, o relé ou a carga que, com o transistor usado, pode ter até 1 A, ficará acionada por um tempo dado por t = 1,1 x R x C. após o instante em que o pulso do sensor é produzido.

Tempos até mais de meia hora podem ser obtido. Apenas lembramos que R deve ficar entre 1 k e 1,5 M ? e C entre 100 nF e 1 500 µF. Capacitores eletrolíticos de boa qualidade devem ser usados na temporização.

Para acionar cargas de maior potência, como motores de vários ampères, pode-se fazer a excitação através de MOSFETs de potência ou transistores Darlington de potência, que devem ser montados em radiadores de calor.

Veja que o circuito sugerido também tem uma característica importante: o tempo de acionamento da carga independe do tempo de acionamento do sensor. Mesmo que ele fique fechado depois do acionamento, a carga é desligada depois do intervalo programado.

Trata-se portanto de um circuito de "debouncing" (anti-repique) que evita os problemas das oscilações dos contactos quando o sensor é acionado.

 

CI-1 - 555 - circuito integrado - timer

Q1 - BC548 ou equivalente - transistor NPN de uso geral

D1 - 1N4148 - diodo de silício de uso geral

K1 - Relé de 6 ou 12 V, conforme a alimentação - Metaltex

X1 - Sensor NA

R1 - 10 k ? x 1/8 W - resistor - marrom, preto, laranja

R2 - 47 k ? x 1/8 w - resistor - amarelo, violeta, laranja

R - ver texto - resistor (22 k ?)

C - ver texto - resistor (100 µF)

R3 - 2,2 k ? x 1/8 W - resistor - vermelho, vermelho, vermelho

C1 - 1 µF - capacitor eletrolítico

C2 - 100 µF x 16 V - capacitor eletrolítico

 

Diversos:

Placa de circuito impresso ou matriz de contactos, fonte de alimentação ou pilhas, fios, etc.

 


Circuito 2

Inversão de Polaridade

Outra possibilidade interessante de circuito para ser usado com sensores do tipo micro-switch ou chave de fim de curso é a mostrada na figura 5.

 

Circuito para inversa de polaridade.
Circuito para inversa de polaridade.

 

Esse circuito inverte a polaridade de uma carga quando a chave é acionada. Se essa carga for um motor de corrente contínua, por exemplo, temos a inversão do sentido de rotação. No caso de um robô que avança, por exemplo, o acionamento do sensor, faz com que ele volte.

Esse circuito pode ser associado ao anterior para se fazer com que o acionamento inverso do motor ocorra por um tempo definido. A ligação da sua entrada é feita no ponto A do circuito anterior.

 

Q1 - BC548 ou equivalente - transistor NPN de uso geral

D1 - 1N4148 - diodo de silício de uso geral

K1 - Relé com 2 pólos reversíveis

R1 - 2,2 k ? x 1/8 X - resistor - vermelho, vermelho, vermelho

C1 - 100 µF x 16 V - capacitor eletrolítico

X1 - Sensor NA

B1 - 6 ou 12 V - pilhas ou fonte conforme sensor usado

 

Diversos:

Placa de circuito impresso ou matriz de contactos, fonte de alimentação ou pilhas, fios, solda, etc.

 


Circuito 3

Mudança de Função

O mesmo circuito anterior, com pequena alteração pode ser usado para se modificar o direcionamento de uma corrente num circuito quando o sensor é ativado. Na figura 6 mostramos como isso pode ser feito.

 

Circuito para mudança de função.
Circuito para mudança de função.

 

Quando o sensor está desativado, a carga 1 é alimentada normalmente. No momento em que o sensor é ativado, a carga 1 é desligada e a carga 2 é alimentada.

Veja que esse circuito pode se associado ao anterior para se obter o acionamento da carga 2 por um tempo determinado quando o sensor é excitado, mesmo que por um curto intervalo de tempo. Nesse caso também, ligamos o circuito no ponto A.

Num robô, por exemplo, esse circuito pode ser usado para se alterar a velocidade do motor, com a mudança da propulsão, obtendo-se maior potência quando o sensor é ativado. Pode-se acoplar o sensor, por exemplo, a um sistema que detecte a inclinação do robô, caso em que se exige maior potência numa subida.

Veja que tanto podemos comutar a carga como comutar a fonte de alimentação de uma carga, como mostra a figura 7, caso em que teremos uma alimentação normal e uma alimentação reforçada para um motor, conforme a situação.

 

Circuitos de comutação.
Circuitos de comutação.

 

Evidentemente, a carga alimentada deve ser capaz de suportar as duas tensões de alimentação usadas no processo.

 

Q1 - BC548 ou equivalente - transistor NPN de uso geral

D1 - 1N4148 - diodo de silício de uso geral

K1 - Relé com 2 pólos reversíveis

R1 - 2,2 k ? x 1/8 X - resistor - vermelho, vermelho, vermelho

C1 - 100 µF x 16 V - capacitor eletrolítico

X1 - Sensor NA

B1 - 6 ou 12 V - pilhas ou fonte conforme sensor usado

 

Diversos:

Placa de circuito impresso ou matriz de contactos, fonte de alimentação ou pilhas, fios, solda, etc.

 

 

 

Circuito 4

Acionamento Biestável

No acionamento biestável, temos a comutação do circuito com um toque do sensor e a carga permanece alimentada indefinidamente. Um novo toque no sensor fará com que a carga seja desligada. Para ligar novamente é preciso dar novo toque no sensor. Temos portanto toques no sensor para ativar e desativar alternadamente a carga.

O circuito para essa função se baseia num flip-flop tipo D com o circuito integrado 4013 e é mostrado na figura 8.

 

Circuito para acionamento biestável.
Circuito para acionamento biestável.

 

O 555 atua como um circuito anti-repique (debouncing) para evitar que as oscilações dos contactos do sensor no momento em que ele é acionado seja interpretadas como um trem de pulsos pelo contador. A cada fechamento ele deve contar apenas um pulso.

O 4013 funciona como um flip-flop ligando e desligando o relé alternadamente. O transistor serve como amplificador para a corrente do circuito integrado que é insuficiente para acioná-lo.

A função da rede formada por R3 e C3 é ressetar o flip-flop quando o circuito é ligado de modo que ele sempre parta da condição em que o relé está desligado.

Dependendo da existência de repiques, pode ser necessário alterar C2 e R2. R1 determina a corrente no acionamento, podendo eventualmente ser reduzido se o fio que vai até o sensor for muito longo. Nesse caso, também pode ser interessante usar fio blindado.

 

CI-1 - 555 - circuito integrado - timer

CI-2 - 4013 - circuito integrado CMOS

Q1 - BC548 ou equivalente - transistor NPN de uso geral

D1 - 1N4148 - diodo de silício de uso geral

K1 - Relé sensível de 6 V ou 12 V - Metaltex

X1 - Sensor NA

R1 - 10 k ? x 1/8 W - resistor - marrom, preto, vermelho

R2 - 22 k ? x 1/8 W - resistor - vermelho, vermelho, laranja

R3 - 100 k ? x 1/8 W- resistor - marrom, preto, amarelo

R4 - 2,2 k ? x 1/8 W - resistor - vermelho, vermelho, vermelho

C1 - 1 µF - capacitor eletrolítico

C2, C3 - 100 nF- capacitor cerâmico ou poliéster

C4 - 100 µF x 16 V - capacitor eletrolítico

B1 - 6 ou 12 v - conforme relé - pilhas ou fonte

 

Diversos:

Placa de circuito impresso ou matriz de contactos, fonte de alimentação ou pilhas, caixa para montagem, fios para o sensor, fios, solda, etc.

 

 

 

Conclusão

Os circuitos indicados também podem ser usados com outros tipos de sensores de contacto mecânico como reed-swtiches, sensores de pêndulo ou mesmo interruptores simples adaptados para funcionarem como sensores.

Esses mesmos circuitos podem ser associados de diversas formas de modo a permitir que o sistema realize operações "inteligentes" com o acionamento determinado unicamente pela ação dos sensores.

Evidentemente o leitor imaginoso pode ainda alterar os circuitos indicados para realizar novas funções lembrando que as etapas de acionamento dos relés podem controlar diretamente motores com o uso de transistores de potência e até mesmo pontos H para a inversão do sentido de rotação de motores.


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