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Interfaceando Microcontroladores (MIC096)

Microprocessadores, microcontroladores e o próprio PC possuem saídas que podem ser usadas para controlar circuitos externos. As portas desses dispositivos normalmente são compatíveis com lógica TTL e CMOS, o que permite utilizar no interfaceamento circuitos relativamente simples para o controle de cargas de alta potência. A seleção de circuitos que apresentamos dá muitas opções aos leitores e algumas das configurações mostradas têm simulações feitas em computador.

Nas saídas dos microcontroladores temos sinais que podem ser utilizados para controlar diversos tipos de circuitos externos.

Na maioria desses dispositivos temos saídas TTL que podem drenar ou fornecer correntes de 20 mA. Os níveis de tensão são dois: alto de 5 V e baixo de 0 V.

A corrente drenada/fornecida por esses circuitos é muito baixa, o que significa uma impedância relativamente alta ao circuito. Além de haver a degradação do sinal quando carregamos essas saídas, existe o perigo de dano ao circuito interno do buffer, conforme mostra a figura 1.

 

Figura 1 – Característica de uma saída TTL
Figura 1 – Característica de uma saída TTL

 

 

Assim, se bem que na configuração mais simples possamos excitar diretamente LEDs, conforme mostra a figura 2, sempre é interessante usar dispositivos amplificadores e, para maior segurança, dispositivos de isolamento.

 

Figura 2 – Isolamento TTL
Figura 2 – Isolamento TTL

 

 

Na verdade, o isolamento é altamente recomendável quando o circuito controlado é de alta potência ou têm alimentação feita pela rede de energia.

Os circuitos que apresentamos mostram apenas um dos pinos de saída dos microprocessadores ou porta paralela do PC. A quantidade desses circuitos vai depender de quantas cargas devem ser controladas e quantas saídas o dispositivo usado possui.

 

1. Circuito Simples com Transistor

O circuito mostrado na figura 3 tanto pode usar um transistor NPN de uso geral para controlar um pequeno relé sensível, como pode usar um transistor de média potência ou Darlington para controlar diretamente uma carga de maior potência.

 

Figura 3 – Interface 74154
Figura 3 – Interface 74154

 

 

Para um BD135, por exemplo, podemos controlar com certa folga cargas até 500 mA e com um Darlington, cargas maiores, lembrando que esses componentes podem ter fontes de alimentação com tensões diferentes de 5 V, mas com terra comum.

Os transistores devem ser dotados de radiadores de calor.

 

Figura 4 – Etapa de potência
Figura 4 – Etapa de potência

 

 

Na figura 5 temos a simulação do circuito, onde a carga é um resistor de 100 Ω. Observe que aplicamos um sinal de 5 V retangular de 2 Hz ao circuito para obter a forma de onda correspondente no osciloscópio. O gerador de funções cria o sinal equivalente ao obtido na porta paralela de um PC.

 

Figura 5 – Simulação no Multisim (versão antiga)
Figura 5 – Simulação no Multisim (versão antiga)

 

 

Este circuito alimenta a carga quando sua entrada está no nível alto.

 

Controlando Relés

Para controlar relés de forma segura com um duplo isolamento, sugerimos o circuito da figura 6.

 

Figura 6 – Controle de relés
Figura 6 – Controle de relés

 

 

O isolador óptico isola o circuito do microprocessador ou do PC do circuito de acionamento dos relés, que pode operar com tensão diferente de 5 V.

Na verdade, com o uso de relés de 12 V é possível obter melhor desempenho.

Os relés de 12 V são mais fáceis de obter, mais sensíveis e com isso podem facilitar a montagem da interface.

O resistor R1 deve ter seu valor escolhido de acordo com o tipo de acoplador óptico empregado de modo a se obter o ponto ideal de disparo com o sinal da porta no nível alto.

Uma possibilidade para se encontrar o melhor valor, consiste em se usar no desenvolvimento do projeto um trimpot e depois substituí-lo por um resistor fixo.

Levando em conta que os relés de 12 V comuns são especificados para uma corrente de 50 mA, a fonte deve ser dimensionada prevendo-se os instante em que todos eles estejam acionados.

Assim, para uma interface em que as 8 saídas da porta paralela sejam usadas, a fonte deve ser capaz de fornecer os 400 mA exigidos.

 

Configuração com Dois Transistores – II

A configuração mostrada na figura 7 utiliza dois transistores NPN ativando a carga quando a entrada vai ao nível baixo (0 V).

 

Figura 7 – Configuração com dois transistores
Figura 7 – Configuração com dois transistores

 

 

Também podemos usar um transistor de maior potência para Q2, controlando assim cargas de maior potência diretamente. Observamos, entretanto, que esta configuração, não é isolada, como as anteriores.

Para transistores de maior potência deve-se considerar a necessidade deles usarem dissipadores de calor.

Neste caso, a alimentação do setor de potência também pode ser feita com tensão diferente de 5 V.

Na figura 8 mostramos a mesma configuração com transistores PNP caso em que obtemos o acionamento da carga com os níveis altos de saída da porta paralela ou portas de saída de microcontroladores.

 

Figura 8 – Configuração com transistores PNP
Figura 8 – Configuração com transistores PNP

 

 

Na figura 9 temos a simulação deste circuito em computador, observado-se que a carga utilizada foi um resistor de 100 Ω.

 

Figura 9 – Simulação numa versão antiga do Multisim
Figura 9 – Simulação numa versão antiga do Multisim

 

 

Evidentemente, podem ser usadas cargas indutivas como relés, motores e solenóides.

 

 

Usando Comparador de Tensão

Os comparadores de tensão, como os da série LM139/239/339 consistem em dispositivos que podem ser utilizados com vantagens como elementos de interfaceamento de circuitos com a porta paralela de um PC ou a saída de um microprocessador.

Na figura 10 mostramos o modo mais simples de se fazer, isso resistores fixos na polarização de entrada.

 

Figura 10 – Interface com comparador
Figura 10 – Interface com comparador

 

 

Uma solução interessante que pode ser dotada em alguns casos é a mostrada na figura 11 em que um trimpot de ajuste é empregado.

 

Figura 11 – Interface ajustável com comparador
Figura 11 – Interface ajustável com comparador

 

 

Esse trimpot de ajuste permite levar o nível de transição do sinal da porta em que se obtém o disparo ao valor ideal.

Isso permite que mesmo microprocessadores que forneçam tensões menores de saída em suas portas, como algumas versões modernas que fornecem sinais de 2,7 V ou 3,3 V também possam ser usadas no interfaceamento de circuitos externos, sem a necessidade de se alterar o circuito.

Veja que os resistores de referência foram calculados para duas tensões de alimentação do comparador: 6 V e 12 V.

Para outras tensões o leitor pode fazer o cálculo, lembrando que para uma saída de disparo de 5 V, o nível da tensão de referência deve ser de 2,5 V.

Lembramos que as saídas dos comparadores LM139/239/339 são em coletor aberto, exigindo um resistor pull-up.

A corrente máxima drenada pela saída é de16 mA (tip) para uma alimentação de 5 V.

Com isso, essa etapa pode excitar diretamente transistores e outros dispositivos, com facilidade.

A inversão da ação de comutação, com a saída indo ao nível alto quando a entrada for ao nível baixo, pode ser feita com a aplicação da tensão de referência na entrada não inversora, conforme mostra a figura 12.

 

Figura 12 – Usando a entrada inversora
Figura 12 – Usando a entrada inversora

 

 

Os resistores de referência são calculados da mesma forma que no caso anterior e o uso do trimpot também é permitido.

 

Disparando Triacs

Para o disparo de cargas de alta potência ligadas à rede de energia, nada melhor do que usar TRIACs.

Para essa finalidade podem ser usados acopladores ópticos com opto-diacs como os da série MOC3010 (110 V) e MOC3020 (220 V).

O circuito mostrado na figura 13 faz uso de um MOC3010 e é indicado para o disparo de cargas resistivas.

 

Figura 13 – Usando um opto-diac
Figura 13 – Usando um opto-diac

 

 

Para cargas indutivas temos a configuração mostrada na figura 14.

 

Figura 14 – Controlando cargas indutivas
Figura 14 – Controlando cargas indutivas

 

 

Observe que o acoplador óptico (isolador óptico) fornece um isolamento de 7 000 volts, o que garante uma segurança total para o dispositivo de controle, no caso o computador.

 

Interface Isolada com Comparador

Na figura 15 temos uma interface usando um acoplador óptico e o comparador LM339 ou qualquer equivalente. Nesta aplicação, amplificadores operacionais também podem ser usados.

 

Figura 15 – Interface isolada com comparador
Figura 15 – Interface isolada com comparador

 

 

O ponto de disparo pode ser ajustado no trimpot de 10 k Ω, no entanto, nada impede que tenhamos um disparo fixo, colocando neste ponto um divisor resistivo com dois resistores de 10 k Ω.

Lembramos que os comparadores da série LM139/239/339 possuem transistores em coletor aberto, assim, deve ser usado um resistor pull-up e a corrente é drenada pela saída quando ela vai ao nível baixo.

A alimentação do setor do comparador pode ser feita com fonte separada e tensão diferente de 5 V.

 

Usando o ULN2001/2/3/4

Os circuitos integrados da série ULN2001/2/3/4 também designados por MC1411/12/13/14 consistem em Drivers que podem fornecer até 500 mA de saída para controle direto de cargas a partir de entradas de sinais digitais.

Os quatro circuitos se diferenciam pela configuração interna de seus transistores Darlington, conforme mostra a figura 16.

 

Figura 16 – Usando integrado dedicado
Figura 16 – Usando integrado dedicado

 

 

Assim, suas aplicações dependem apenas da lógica de controle a ser usada, ou seja, do tipo de PC, microcontrolador ou microprocessador que vai fazer o interfaceamento. A tabela dada a seguir mostra essas características:

Na figura 17 temos um circuito típico de interfaceamento de um PC com uma carga de alta potência (500 mA) por exemplo, conjuntos de relés, solenóides ou mesmo motores. 

 

Figura 17 – Circuito de interfaceamento de 500 mA
Figura 17 – Circuito de interfaceamento de 500 mA

 Na figura 18 temos a pinagem do circuito integrado utilizado.

 Figura 18 – Pinagem do ULN2001
Figura 18 – Pinagem do ULN2001

  Interface Isolada com Transistor O circuito da figura 19 tem a vantagem de usar um acoplador óptico, isolando-o da carga controlada.

 

 Figura 19 –Interface isolada com transistor
Figura 19 –Interface isolada com transistor

 O acoplador é o 4N25 ou equivalente e a energia para excitar o LED vem da própria parte paralela. Este circuito fornece uma saída digital que pode ser usada para excitar portas TTL ou CMOS.Veja que a alimentação do circuito pode ser feita com tensões de 5 a 12 V. A resistência de carga é pequena, já que a corrente disponível não é das maiores. 2. Interface Com Dois Transistores Temos duas vantagens no circuito mostrado na figura 20. A primeira é que precisamos de uma corrente menor de entrada, carregando assim muito menos a porta paralela ou a saída do microcontrolador com que o circuito vai ser usado.

 

 Figura 20 – Interface com dois transistores
Figura 20 – Interface com dois transistores

 

A segunda vantagem está no fato de que o primeiro transistor pode excitar facilmente um transistor PNP de média pot6encia permitindo assim o controle direto de cargas de boa potência como relés, motores, lâmpadas, solenóides, etc.A alimentação da etapa de potência pode ser feita com tensão maior do que 5 V, dependendo apenas das exigências da carga que vai ser controlada.Evidentemente, no caso de cargas de maior potência, o transistor usado deve ser dotado de um radiador de calor. O circuito ativa a carga quando o nível no pino de saída da porta é alto. Um transistor como o BD136 pode controlar cargas até 500 mA. Conclusão Os circuitos que vimos são apenas algumas sugestões para as configurações que podem ser usadas no interfaceamento de circuitos digitais com circuitos de potência.Evidentemente essas configurações podem ser modificadas conforme a aplicação e até mesmo combinadas de modo a se obter o controle desejado. Combinando circuitos isolados como circuitos de alta potência pode-se agregar ao circuito segurança à capacidade de controle. O modo como isso pode ser feito depende da habilidade de cada desenvolvedor. 

Tipo Aplicação (compatibilidade)
MC1411/ULN2001A Uso geral, DTL e TTL, PMOS e CMOS
MC1412/ULN2002A PMOS lógica de 14 a 25 V – contém zener interno
MC1413/ULN2003A TTL ou CMOS com alimentação de 6 V – possui resistor de 2,7 k Ω em série com a entrada
MC1414/ULN2004A TTL ou CMOS com alimentação de 8 a 18 V – possui resistor de 10,5 k Ω em série com a entrada

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