Uma das necessidades importantes dos projetos que utilizam microcontroladores é garantir o isolamento entre o microcontrolador e os circuitos sensores de entrada ou efetores usados na saídas. Em outras palavras, utilizar sempre, por medida de segurança, shields isolados. Neste artigo focalizamos uma seleção de circuitos de shields isolados.
Existem diversas técnicas para se isolar um shield de um microcontrolador.
Podemos fazer isso através de transformadores se os sinais a serem transferidos forem pulsos ou corrente alternada. Podemos usar capacitores nestes casos também, se bem que a segurança esteja limitada no isolamento à tensão de trabalho dos capacitores, e também podemos usar acopladores ópticos.
Na verdade, a solução mais utilizada atualmente é a que faz uso de acopladores ópticos obtidos na forma de integrados ou acoplamento óptico que consiste em se ter um LED que emite o sinal de controle para o receptor, isso tanto num shield de entrada como num shield de saída.
Neste artigo daremos alguns circuitos práticos imediatos que podem ser usados em shields para microcontroladores comuns como os Arduinos, PICs, MSP430, e muitos outros.
Com o uso direto ou adaptação desses shields projetos de IoT, vestíveis, automação, segurança, robótica e muito mais podem ser desenvolvidos com facilidade.
Muitos desses circuitos podem ser acessados de forma isolada na nossa seção Banco de Circuito. A vantagem deste artigo é que eles estão organizados num único local.
Considerações Iniciais
Os microcontroladores possuem entradas e saídas de 3,3 V e de 5 V que devem ser usadas para alimentar os shields em alguns casos ou ainda LEDs excitadores separados ou do acoplador óptico.
Isso implica no caso dos LEDs no uso de resistores em série cujos valores podem ficar entre 100 e 220 Ω para as saídas de 3,3 V e de 330 Ω a 470 Ω para as saídas de 5 V.
Deve-se sempre levar em conta a corrente máxima que a saída do microcontrolador pode fornecer nestes casos, quando o shield isolado é de saída.
Opto-isolador no Controle de SCR (controle de potência)
Com o circuito abaixo é possível controlar um SCR como o MCR106 ou outro da série como o TIC106 a partir de um sinal aplicado ao 4N26 (acoplador óptico). Obtém-se excelente isolamento e o circuito pode controlar cargas de alta corrente. O transistor do isolador deve ser alimentado com tensões contínuas de 6 a 12 V que deve vir de fonte separada do microcontrolador, para manter o isolamento. O circuito também funciona com 220 V utilizando-se SCR apropriado. Para usar como shield, use em série com o LED do acoplador um resistor de 100 a 220 Ω para saídas de 3,3 V ou 330 Ω para saída de 5 V. Modifique a sensibilidade pela alteração do resistor de 1 k.
Acoplador Óptico com Disparador
O circuito mostrado tem um disparador que atua sobre um relé comutando-o com alta velocidade em sem repiques. No original de uma publicação antiga foi usada uma lâmpada é de 400 mA mas como shield recomenda-se o uso de um LED como no circuito anterior. O circuito aciona um relé de 100 Ω para tensão de 9 V. Podem ser usados outros relés. O circuito tem sua ação de disparador dada pelo resistor de 10 Ω que realimenta o sinal dos transistores. Transistores de comutação equivalentes como o 2N2222 podem ser utilizados nesta aplicação.
Acoplador Óptico para 10 mm
Este circuito é usado num shield ou acoplador óptico em que a distância entre o emissor e o foto-transistor pode chegar a 10 mm com a lâmpada original do projeto antigo. O circuito pode ser alimentado por tensões de 9 V e o relé usado é de 100 mA. Podem ser usados transistores equivalentes como o BC548. A lâmpada pode ser substituída por um LED de potência equivalente ou mesmo com recursos ópticos (lente). O circuito é sugerido pela Texas Instruments em seu Manual de Optoeletrônica. Em lugar da lâmpada sugerimos um LED branco com resistor de 47 Ω a 220 Ω em série, controlado pela saída do microcontrolador, obtendo-se desta forma o isolamento desejado.
Shield Óptico com o 4093
O sensor consiste em um acoplador óptico feito com um LED e um foto-transistor. Num shield o LED é excitado pelo microcontrolador e não como está no circuito original com a mesma fonte. O circuito é ativado quando a luz é interrompida. Na saída (pino 10 ) já temos etapa de potência para acionamento de cargas de maior corrente, por exemplo um relé, motor ou solenoide. O fio até o sensor deve ser curto. O circuito não deve ser alimentado por fonte sem transformador. O LED pode ser excitado por um microcontrolador, caso em que o circuito funcionará como um shield.
Shield Óptico com Transistores
A interrupção da luz da lâmpada ou LED que incide no foto-transistor dispara o relé. O circuito é de curto raio de ação (alguns centímetros) servindo em controles ópticos ou chave óptica. Uma aplicação possível é numa chave de fim de curso ou num detector de posição de uma peça mecânica. O circuito é alimentado por 9 V, usando um relé de 6 V já que o resistor de 10 Ω proporciona a queda de tensão para este componente. Os transistores podem ser substituídos por equivalentes como o BC548 e para o foto-transistor também podemos usar equivalente. Este circuito é sugerido pela Texas Instruments. Como shield isolado, use um LED como emissor, em série com um resistor de 100 a 330 Ω conforme a saída do microcontrolador.
Shield com Acoplador Óptico
Este circuito dá uma ideia de como podemos usar um acoplador com um transistor para interfacear com uma entrada TTL ou um microcontrolador. A alimentação deve ser feita com 5 V e a entrada de excitação pode vir de qualquer circuito lógico de 3,3 ou 5 V com o uso de R1 de valor apropriado. A alimentação deve ser feita com 5 V e amplificadores operacionais equivalentes podem ser utilizados.
Shield com Acoplador Óptico e Transistor
Este circuito foi obtido no meu livro Mechatronics Sourcebook. Ele mostra como usar um acoplador óptico comum como o 4N25 para disparar um relé, numa aplicação como shield óptico isolado. O transistor driver é o BC548 ou equivalente e relés de 6 a 24 V podem ser controlados. A vantagem deste circuito é que o terra do LED emissor do acoplador pode ser diferente do terra do drive com transistor, garantindo isolamento entre os circuitos. O resistor pode ser de 220 Ω ou menos para microcontroladores com saída de 3,3 V e 330 Ω para saídas de 5 V.
Shield de Potência Para Disparo Isolado de Triac
Como a maioria dos shields este consiste num relé de estado sólido (SSR) resultando num shield isolado. O transistor pode ser o BC548 e o Triac qualquer da série TIC de acordo com a tensão da alimentação e corrente da carga alimentada. O acoplador óptico pode ser qualquer um que tenha foto-transistor como sensor interno. O Triac deve ser dotado de um bom radiador de calor. O circuito serve para 110 V e 220 V, conforme o Triac. O circuito pode ser controlado por saídas TTL e CMOS com a alteração de R1, quando necessário. Em lugar de S1 o sinal pode vir de um microcontrolador com o uso de R1 de valor apropriado.
Shield de Potência Isolado para disparo de Triac (II)
Este shield ou relé de estado sólido (SSR) foi encontrado numa Electronics Now de 1995. O transistor pode ser o BC548 e o Triac qualquer da série TIC de acordo com a tensão da alimentação e corrente da carga alimentada. O acoplador óptico pode ser qualquer um que tenha foto-transistor como sensor interno. O Triac deve ser dotado de um bom radiador de calor. O circuito serve para 110 V e 220 V, conforme o Triac. O circuito pode ser controlado por microcontroladores, saídas TTL e CMOS com a alteração de R1, quando necessário.
Shield de Potência Isolado para disparo de Triac (III)
Este circuito de relé ou shield de estado sólido (SSR) é de uma Electronics Now de 1995. Com ele podemos ligar cargas de potência usando sinais CMOS ou TTL de entrada. Eventualmente R2 deve ser alterado conforme o sinal de disparo. TR1 pode ser qualquer Triac da série TIC com corrente de acordo com a carga e tensão de acordo com a alimentação, que também pode ser de 220/240 V. O transistor pode ser o BC558 e o transformador de 6 V x 100 mA ou mais. Neste circuito temos um circuito que deriva a tensão de controle da rede de energia de modo que ela seja DC para alimentar o acoplador. O Triac deve ser dotado de radiador de calor. O resistor deve ter valor de acordo com o tipo de sinal de controle.
