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10 circuitos de interface (ART1094)

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.

Na porta paralela de um PC e em muitos microprocessadores obtemos sinais de controle de dois níveis (alto = 5 V) e baixo (0 V) que podem ser usados para excitar circuitos externos.

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.

 


 

 

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.

 


 

 

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.

 

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.

 


 

 

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.

 


 

 

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.

 


 

 

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.

 


 

 

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).

 


 

 

 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.

 


 

 

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

 


 

 

 

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.

 


 

 

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

 


 

 

 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.

 


 

 

 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.

 


 

 

Para cargas indutivas temos a configuração mostrada na figura 14.

 


 

 

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.

 


 

 

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.

 


 

 

 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:

 

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

 

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.

 


 

 

 Na figura 18 temos a pinagem do circuito integrado utilizado.

 


 

 

 

Interface Isolada com Transistor

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

 


 

 

 

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.

 

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.

 


 

 

 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.

A simulação feita no computador, usando uma carga de 100 Ω, é mostrada na figura 21.

 


 

 

 

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.

 

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