Shields Isolados para Arduino e Outros Microcontroladores (MIC109)

O interfaceamento entre um Arduino ou qualquer outro microcontrolador como os PICs, MSP430 e qualquer circuito a ser controlado apresenta algumas dificuldades técnicas que envolvem principalmente segurança. As altas tensões que são usadas para alimentar os equipamentos controlados podem ser perigosas para a placa do microcontrolador e qualquer descuido pode significar a queima completa dos delicados circuitos digitais desta placa. Para isolar os circuitos controlados a melhor solução e a óptica. Neste artigo focalizamos diversos circuitos integrados de acopladores ópticos que podem ser usados em projetos envolvendo o interfaceamento e portanto a elaboração de Shields para microcontroladores e mesmo a porta paralelo de um computador, caso você deseje usá-lo em algum projeto de controle.

Os circuitos integrados que formam uma placa de microcontrolador, como o Arduino, são extremamente delicados e qualquer pulso de tensão mais elevada pode causar danos imediatos e irreparáveis.

Por outro lado, os circuitos controlados,principalmente em ambientes hostis ou ligados à rede de energia, em experimentos de robótica e mecatrônica envolvem normalmente o uso de cargas indutivas como motores, solenóides e relés que são dispositivos que, além de operarem com tensões elevadas são responsáveis pela produção de pulsos de alta tensão quando comutam.

Como isolar os dois equipamentos sem, entretanto, perder as informações que devem ser transferidas?

Meios físicos, como circuitos mesmo que dotados de elementos de proteção não são muito seguros, e devem ser evitados. Isso significa que o uso de conexões diretas não é recomendado.

Isso leva a uma solução adotada quase que totalmente em todas as interfaces digitais ou shields: o uso do acoplamento óptico.

O ACOPLADOR ÓPTICO

Um acoplador óptico é formado por uma fonte de luz que pode ser modulada ou controlada com facilidade como, por exemplo, um LED infravermelho e um receptor que possa receber e produzir um sinal a partir do sinal de luz modulado.

Os dois elementos são montados numa câmara hermética sem contacto físico, conforme mostra a figura 1.

Figura1 – Um acoplador óptico

Esta separação física ao mesmo tempo em que não impede a passagem do sinal de um para outro na forma de radiação eletromagnética proporciona um isolamento de milhares de volts entre os circuitos dos dois componentes.

Os projetistas de circuitos de interfaceamento ou shields podem contar com uma grande quantidade de acopladores que basicamente se diferenciam pelo tipo de dispositivo receptor usado.

O tipo de sinal que deve ser transferido do circuito de controle (Arduino, por exemplo) para o circuito controlado (carga externa) é que vai determinar as características deste elemento.

A seguir vamos abordar diversos tipos de acopladores que podem ser usados em interfaceamento com seus circuitos típicos.

a) ACOPLADORES COM FOTOTRANSISTORES

Estes são os mais comuns já que os sinais obtidos na sua saída podem ser recuperados na forma original.

Na figura 2 temos o símbolo usado para um acoplador deste tipo em que temos um LED emissor de infravermelho como transmissor e um foto-transistor (que pode ser simples ou Darlington, dependendo do tipo) que recebe os sinais.

Figura 2 – Acoplador com foto-transistor

O LED é ligado à saída digital de um Arduino, por exemplo de 3,3 ou 5 V a qual fornece o sinal de acionamento. O resistor usado neste tipo de acoplamento é normalmente de 330 Ω para 5 V e 220 ou 330 Ω para 3,3 V.

Variações para este tipo de acoplador incluem os tipos com transistores foto-Darlington e os tipos com LEDs em oposição que podem funcionar com sinais alternados. Estes tipos de acopladores têm seus símbolos mostrados na figura 3.

Figura 3 – Com Darlingtons e LEDs em oposição

Com o uso de uma etapa amplificadora com um ou mais transistores é possível excitar diretamente um relé ou outro tipo de carga com este tipo de acoplador, conforme mostra a figura 4.

Figura 4 – Usando uma etapa amplificadora

Na tabela 1 damos uma relação de acopladores ópticos com transistores com suas características.

TABELA 1

(*) do transistor

Um dos componentes mais populares desta família e que pode ser encontrado com facilidade é o 4N25 cuja pinagem é mostrada na figura 5.

Figura 5 – O 4N25

Este componente tem uma tensão de isolamento de 7 500 volts e é apresentado em invólucro DIP de 6 pinos.

Na figura 6 temos um circuito de aplicação para o 4N25 com um amplificador externo que pode ser usado para excitar cargas de potência ou um relé.

Figura 6 – Circuito amplificador para o 4N25

Circuitos sugeridos pela Texas Instruments utilizando o TIP102/103 ou TIL120 ou TIL121 são mostrados na figura 7.

Figura 7 – Outros circuitos

A figura 8 mostra o uso de um amplificador operacional do tipo 741 em conjunto com um acoplador óptico de modo a se obter um sinal de maior intensidade para excitação externa. Este circuito deve ser alimentado com fonte simétrica de 15 volts.

Figura 8 – Circuito com operacional

O interfaceamento com circuitos TTL é mostrado na figura 9.

Figura 9 – Interfaceamento TTL rápido

Na tabela 2 damos uma relação de acopladores ópticos com transistores Darlington.

TABELA 2

(Todos possuem tensão de isolamento de 7500 V)

Conforme podemos ver as tensões de isolamento são igualmente elevadas. A vantagem deste sistema é a possibilidade de se ter um sinal de maior intensidade na saída, com menos etapas de amplificação para acionamento dos dispositivos controlados.

Um circuito com foto-transistor Darlington é mostrado na figura 10.

Figura 10 – Acoplador com foto-transistor Darlington

O resistor usado como carga para o transistor (R1) pode variar bastante em função da tensão de alimentação usada e do ganho do transistor usado na etapa seguinte. O valor mostrado no diagrama é típico.

OPTO DISPARADORES

Uma série importante de acopladores que podem ser usado no interfaceamento de PCs com cargas de potência é a que permite o controle direto de triacs.

A série MOC da Motorola, tem dois componentes muito importantes nesta série que são o MOC3010 para o disparo de triacs na rede de 110 V e o MOC3020 para o disparo na rede de 220 V.

A pinagem destes dois circuitos integrados é mostrada na figura 11.

Figura 11

Com tensões típicas de isolamento de 7 500 volts os dois dispositivos proporcionam segurança ao circuito do PC em relação aos circuitos controlados.

O MOC3020, na verdade é o primeiro de uma série que tem como elementos adicionais os acopladores MOC3021, 3022 e 3023. A diferença principal entre os tipos é que os últimos da série precisam de correntes menores no LED para disparar. Numa aplicação de interfaceamento isso é importante dada a limitação da corrente disponível nas saídas paralelas.

Assim temos as seguintes correntes típicas de disparo:

Estes valores mostrados na tabela são importantes para o correto dimensionamento do resistor em série com o LED.

SAÍDAS COM DISPARADORES DE SCHMITT

As saídas com Schmitt Triggers são interessantes quando se faz o acoplamento do PC a um circuito digital de controle que exija sinais livres de transientes com uma subida e descida de tensão muito rápidas.

Para esta finalidade temos dispositivos como o MOC5007, MOC5008 e MOC5009 da Motorola, cuja pinagem é mostrada na figura 12.

Figura 12 – Opto-disparadores

Conforme podemos ver estes circuitos contém um receptor dotado de uma característica de histerese bastante acentuada com compatibilidade total com circuitos externos TTL e CMOS.

O que diferencia os três tipos da série é a intensidade da corrente no LED que provoca o disparo do circuito variando entre 1,6 mA para MOC5007 e 10 mA para o MOC5009 (max).

Isso permite aumentar os valores dos resistores em série para excitação. Podemos usar 1k para 5 V e 680 Ω para 3,3 V no caso do Arduino.

Construção de Shields e Interfaces

Aproveitando-se os circuitos básicos e os componentes indicados fica fácil projetar uma interface de controle ou shield com opto-isoladores ou acopladores-ópticos.

Basta repetir numa placa qualquer dos circuitos mostrados ou mesmo fazer sua mistura conforme a aplicação e controlá-los pelo número de saídas do Arduino ou outro microcontrolado, conforme sugere a figura 13.

Figura 13 – Montando um shield múltiplo

Os principais pontos a serem considerados no projeto são o correto dimensionamento dos resistores limitadores das portas e a separação das trilhas da placa do circuito controlado do circuito de controle.

A fonte para o circuito controlado também deve ser bem planejada de modo a não haver problemas de intensidade de correntes elevadas em trilhas estreitas.