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Módulo de Controle - Construa um Mini-CLP para Controle de Automatismos (MEC11)

Descrevemos a montagem de um prático Módulo Universal de Controle, na verdade um Mini CLP (Controlador Lógico Programável) que possui relés capazes de operar tanto na configuração monoestável (temporizada) como biestável, funções selecionadas por chaves comutadores ou jumpers, servindo para uma infinidade de projetos interessantes de automação, controle e mecatrônica. A possibilidade de se programar os dois canais de controle nos permite dizer que se trata de um verdadeiro Mini CLP podendo ser usado com finalidades práticas e didáticas.

A ideia de se projetar um módulo único de controle, com relés que possam operar nos dois tipos básicos de configurações (monoestável e biestável), vem da necessidade constante que os projetistas de automatismos, robôs, dispositivos mecatrônicos e de controle têm de utilizar repetidamente essas configurações.

Com um módulo único, fácil de montar e de alterar a programação do modo de funcionamento, já contendo circuitos de disparo, precisamos de poucos elementos externos de interfaceamento para implementar um projeto.

Com isso, o leitor que gosta de criar projetos novos, que deseja fazer experimentações e desenvolvimento ou ainda que dá aulas, pode ter um recurso bastante útil para seu trabalho, que é um módulo com funções prontas.

O módulo que descrevemos tem as seguintes características:

Possui controle de temporização programável em duas faixas para a configuração monoestável. Com elas é possível gerar intervalos de tempo de acionamento de até 30 minutos.

Possibilidade de uso dos dois relés em configurações independentes: monoestável e biestável. Os dois circuitos possuem elementos separados de disparo.

Alimentação de 6 ou 12 V conforme o relé usado. Se for usado suporte para o relé, basta fazer sua troca para se poder usar o módulo com alimentação diferente.

Consumo na condição de repouso muito baixo, o que permite seu uso em aplicações alimentadas por pilhas ou baterias.

Monitoria opcional para o funcionamento.

Entradas e saídas conectadas por bornes ou terminais simples, facilitando o uso em montagens de desenvolvimento, didáticas ou experimentais.

 

Dentre os projetos em que podemos usar o módulo destacamos os seguintes:

Robôs

Braços mecatrônicos

Automatismos de esteiras ou linhas de montagem

Contagem de objetos

Elevadores experimentais

Abertura e fechamento de portas

Sistemas inteligentes de alarmes

Automatismos domésticos

 

Analisemos o seu princípio de funcionamento, pois entendendo-o ficará mais fácil o leitor desenvolver seus próprios projetos.

 

COMO FUNCIONA

O circuito de entrada, onde são aplicados os sinais de controle possui dois acessos, um para cada circuito integrado 555. Essas entradas são ligadas diretamente ao pino de disparo (2) do circuito integrado 555.

O disparo é feito por uma transição negativa da tensão aplicada a esses pinos.

Quando a tensão em qualquer dessas entradas cai para um valor abaixo de 1/3 da tensão de alimentação (Vcc) a saída do circuito integrado (pino 3) que estava em 0 V vai ao nível alto, próximo de Vcc.

O tempo que a saída permanece ativada, ou seja, com uma tensão positiva disponível depende da constante de tempo RC dada pelo resistor e capacitor ligados conjuntamente aos pinos 6 e 7 do circuito integrado 555.

Esse tempo é dado aproximadamente por:

 

t = 1,1 x R x C

 

Como R é um trimpot em série com um resistor, podemos ajustar o tempo numa ampla faixa de valores.

Indo além, dois capacitores montados na placa permitem selecionar a faixa de tempos de atuação por uma chave ou por um jumper, dependendo apenas de qual componente o leitor deseja usar.

Para uma simples conformação do pulso de saída (circuito anti-repique), escolhemos tempos menores (capacitor de menor valor) quando então temos na saída um pulso retangular de curta duração.

Para uma saída de longa temporização, escolhemos o capacitor de maior valor.

Os valores limites para R e C nesse circuito são R = 2 200 Ω e C = 1 000 µF quando então obtemos temporizações que ultrapassam meia hora.

Na figura 1 temos as formas de onda nesse circuito.

 

   Figura 1 – Formas de onda no circuito
Figura 1 – Formas de onda no circuito

 

 

Uma opção interessante para o projeto consiste em se usar o equivalente CMOS do 555 bipolar. O TL7555 admite valores maiores de capacitores (que devem ser de baixíssima figa), ultrapassando 1 hora.

Um segundo sistema de programação, que pode ser feito por chaves ou jumpers, é ligado aos pinos 3 de cada CI. Com ele podemos disparar diretamente os transistores drivers dos relés em modo monoestável numa das posições.

Na outra posição da programação, temos a aplicação do pulso retangular de saída do 555 na entrada de flip-flops do tipo D, constantes do circuito integrado 4013, que forma o bloco seguinte.

Com esse recurso passamos a ter uma operação biestável.

O 4013 é um duplo flip-flop do tipo D, capaz de excitar diretamente os transistores drivers dos relés.

A cada pulso obtido na saída do 555 temos uma mudança de estado da saída do flip-flop, conforme mostra a figura 2.

 

 

Figura 2 – Divisão dos pulsos
Figura 2 – Divisão dos pulsos

 

 

Veja então que a cada dois pulsos de saída do 555 temos um pulso na base do transistor, o que significa que numa primeira ordem de comando o relé atraca, e numa segunda ordem ele desatraca. O ciclo de comando pode ser repetido indefinidamente.

O 555 utilizado com um pequeno tempo de saída serve como eficiente circuito anti-repique, isto é, capaz de evitar a produção de dois ou mais comandos de entrada num único acionamento, o que aconteceria se ligássemos na entrada do 4013 diretamente sensores dotados se contactos mecânicos.

Cada relé possui dois contactos que operam tanto na configuração NA (normalmente aberto) como NF (normalmente fechado). Ligamos na saída apenas um dos contactos de cada relé, deixando o outro como opcional para ativação de um LED indicador ou uma carga paralela.

Veja que na configuração NA o atracamento do relé energiza a carga, enquanto que na configuração NF, o atracamento do relé desenergiza (desliga) a carga.

A fonte de alimentação não está incluía no projeto, pois ela depende da aplicação.

Para relés de 6 V ou de 12 V os componentes são os mesmos. Na figura 3 damos uma sugestão de fonte de alimentação de 6 V que pode alimentar um módulo e também algumas outras cargas controladas como pequenos motores.

 

 Figura 3 – Fonte de alimentação
Figura 3 – Fonte de alimentação

 

 

O circuito integrado do regulador de tensão da fonte deve ser dotado de um radiador de calor.

 

MONTAGEM

O diagrama completo do Módulo de Controle é dado na figura 4.

 

Figura 4 – Diagrama completo do Módulo de Controle
Figura 4 – Diagrama completo do Módulo de Controle

 

 

A placa de circuito impresso é dada na figura 5.

 

 

Figura 5 – Placa de circuito impresso
Figura 5 – Placa de circuito impresso

 

 

Para a saída de controle existem diversas opções. Para uma versão experimental que facilite a conexão dos dispositivos externos e de disparo pode ser usada uma barra de parafusos.

No entanto, para uma montagem definitiva ou econômica, as ligações dos fios podem ser diretas.

Para as funções também temos duas possibilidades. Podemos usar chaves de 2 polos x 2 posições, como no protótipo da foto, como podemos usar jumpers que serão colocados nas funções que desejamos.

Os relés recomendados são os de uso geral, com corrente de bobina de no máximo 100 mA para 6 V e 50 mA para 12 V, com correntes de contacto de 1 A ou mais.

Esses relés têm base que se encaixa em soquetes DIL de 14 pinos para circuitos integrados. O uso do soquete facilita a substituição dos relés conforme a tensão de alimentação.

Usamos na placa apenas um dos contactos reversíveis do relé, podendo eventualmente o outro ser empregado em outra função caso em que os fios devem ser soldados por baixo da placa.

 

PROVA E USO

Inicialmente, confira toda a montagem, fixando os circuitos integrados e os relés nos soquetes se os usar. Observe bem suas posições, pois uma inversão pode queimá-los.

Se usar as chaves dos monoestáveis S3 e S4 coloque-as para os tempos menores. Se sua montagem for sem chave, solde jumpers para essa finalidade, colocando os capacitores de 4,7 µF no circuito.

Os trimpots devem estar nas suas posições de menor resistência. As chaves S1 e S2, se forem usadas, devem estar na posição mono. Se não forem usadas, coloque jumpers na posição correspondente.

Somente então é que você pode fazer a ligação da fonte de alimentação. O pólo positivo da fonte vai ao pino 4 da placa e o negativo ao 5.

Usando agora um pedaço de fio comum, aterre por um instante a entrada de cada monoestável. Para isso, basta encostar ao mesmo tempo as pontos do fio nos terminais 5 e 6 para disparar CI-1 ativando K1 e entre 5 e 7 para disparar CI-2 e ativar K2.

O disparo do relé pode ser percebido pelo estalo que seus contactos dão nesse momento. No entanto, o leitor pode ligar uma carga externa para essa finalidade. A figura 6 mostra como ligar um LED para fazer o monitoramento do acionamento na verificação do funcionamento.

Feito o teste na operação monoestável, podemos passar ao teste biestável. Para isso mudamos as posições das chaves S1 e S2 ou a programação por jumper desses locais da placa.

Os trimpots devem ser colocados nas posições de menor resistência com os capacitores menores no circuito.

Como no teste anterior, voltamos a excitar as entradas 5, 6 e 7 do módulo. Neste caso, entretanto, o relé deve estalar ao ser ativado, mas não deve desligar.

Para desligar devemos dar um novo toque nos terminais de entrada.

Para usar o módulo lembre-se que:

K1 é excitado pela aplicações de sinais na entrada 6 e P1 controla os tempos da versão monoestão. S3 é encarregado de selecionar os tempos e S1 modalidade (monoestável, biestável). As saídas de controla deste setor são os terminais 1 (NA) e 2 (NF). O pino 3 é o terminal comum.

K2 é excitado pela aplicação de sinais no pino 7. P2 controla os tempos monoestáveis selecionados por S4. S2 determina o modo de operação (monoestável ou biestável). As saídas são os pinos 8 (comum), 9 (NF) e 10 (NA).

Os ajustes são todos independentes para os dois setores.

Para intervalos muito curtos de acionamento, em aplicações mais críticas recomenda-se reduzir C1 e C3 para 100 nF (cerâmico ou poliéster).

 

Semicondutores:

CI-1, CI-2 – 555 – circuitos integrados, timers

CI-3 – 4013 – circuito integrado CMOS, flip-flop tipo D

Q1, Q2 – BC548 ou equivalente – transistores NPN de uso geral

D1, D2 – 1N4148 ou equivalentes – diodos de silício

 

Resistores: (1/8 W, 5%)

R1, R2 – 47 k Ω – amarelo, violeta, laranja

R3, R4 – 10 k Ω – marrom, preto, laranja

R5, R6 – 4,7 k Ω – amarelo, violeta, vermelho

P1, P2 – 220 k Ω ou 470 k Ω – trimpots

 

Capacitores:

C1, C3 – 4,7 µF x 12 V – eletrolítico

C2, C4, C5 – 220 µF x 12 V – eletrolítico

 

Diversos:

S1, S2, S3, S4 – Chaves de 2 polos x 2 posições – opcionais – ver texto

K1, K2 – Relés de 6 ou 12 V - conforme alimentação – ver texto

Placa de circuito impresso, ponte de 10 parafusos (opcional), soquetes DIL para os CIs e relés (opcional), fios, solda, etc.

 

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N° do componente 

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