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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.