Automatismo Para Relé de Trava (ART2151)

O relé de trava, um componente que apresenta características que muitos leitores não conhecem, pode ser a solução para inúmeros problemas de automatismo e controle de potência, onde semicondutores comuns como SCRs, Triacs e mesmo transistores não podem ser usados diretamente. Neste artigo apresentamos um interessante automatismo óptico para relé de trava que pode ser usada em diversas aplicações domésticas, mas também em automatismos industriais e até mesmo como parte de controles por micro-computadores. A partir de nosso projeto básico as aplicações do componente podem ser estendidas indefinidamente.

Diferentemente de um relé comum, um relé de trava não precisa manter sua bobina energizada para que seus contatos se fixem na posição de acionamento.

O relé de trava é um componente eletro-mecânico bi-estável que opera com pulsos e por estas características é que serão analisadas em pormenores, ele pode ser empregado em aplicações importantes que envolvem alarmes; automatismos, controles de processos, etc.

Dentre as aplicações que podem ser encontradas especificamente para o projeto aqui descrito temos as seguintes:

- Alarmes residenciais e industriais

- Controles remotos por pulsos

- Controles de processos industriais

- Controles de robôs a partir de microcomputadores

- Controles de potência por micro-computadores

- Sistemas de detecção e contagens de pessoas ou objetos

O circuito que apresentamos excita um relé de trava de 12 volts a partir de um integrado CMOS de alta sensibilidade ou então a partir de acopladores ópticos.

Na versão básica podemos controlar o relé a partir de circuitos digitais diversos, sensores, interruptores de ação momentânea, reed-Switches, etc.

Na versão óptica podemos controlar o relé a partir de feixes de luz ou então a partir de sinais do barramento de saída paralela de um microcomputador já que o acoplador óptico indicado é compatível com as característica destes equipamentos.

A análise .dada a seguir do principio de funcionamento, inicialmente do relé de trava e depois do nosso circuito certamente servirá de base para que o leitor entenda como usar os elementos aqui apresentado nas aplicações que sugerimos ou então em muitas outras que podem lhe vir à mente.

Características do Circuito

Tensão de alimentação: 12 Volts

Consumo em repouso: inferior a 1 mA

Consumo no acionamento:100 mA (tip)

Carga máx. resistiva: 10 A (250 VCA)

Podemos dizer que o relé de trava consiste num flip-flop tipo R-S eletromecânico com acionamento feito por pulsos aplicados as suas duas bobinas.

Na figura 1, temos a estrutura básica de um relé deste tipo, observando-se que ele possui duas bobinas com terminais de acionamento independentes.

Figura 1 – Estrutura de um relé biestável

A quantidade de contatos reversíveis ou simples, pode variar de 1 a 6.

No nosso exemplo temos dois contatos reversíveis, o que corresponde ao relé TRF2RC2 da Metaltex, usado também no projeto final.

Partindo de uma situação inicial em que o contato móvel junto a cada bobina encosta em A, temos a circulação de uma corrente entre C e A.

Aplicando por um instante um pulso de corrente na bobina (1) o relé muda de estado com os dois contatos móveis encostando agora em B. O relé trava nesta nova posição, o que quer dizer que mesmo depois de interrompida a corrente na bobina (1) ele continua nesta posição, e a corrente flui agora de C para B.

Para voltar à situação inicial é preciso aplicar por um instante uma tensão na bobina B de modo que ela seja energizada e atraia a armadura que modificará a posição dos contatos móveis.

Neste caso também, basta que o pulso dure o suficiente para que a mudança de estado ocorra. O relé trava na nova posição aguardando um pulso na outra bobina para alterar seu estado.

Veja que, para um relé de trava não tem sentido falarmos em contatos NA (normalmente aberto) ou NF (normalmente fechado) pois as duas posições são normais.

VANTAGENS

Um dispositivo que opere segundo o princípio indicado pode ser usado em que aplicações e com que vantagens?

O primeiro fato importante que salta a vista de um projetista é que para mantermos os contatos em qualquer das posições num relé de trava não precisamos manter as bobinas constantemente energizadas, como ocorre num relé comum e conforme mostra a figura 2.

Figura 2 – Condições de funcionamento

Num relé comum existe então uma posição em que o consumo é muito baixo (desenergizado) e uma posição em que o consumo é máxima (bobina energizada) o que deve ser mantido pelo tempo que precisarmos do relé nesta condição.

Para um relé de trava as posições são obtidas com pulsos de igual duração e depois da comutação em nenhuma das posições há consumo de energia.

Este fator é importante nas aplicações alimentadas por bateria em que tenhamos um ciclo ativo na faixa dos 50%, conforme mostra a figura 3.

Figura 3 – Os ciclos de operação comparados

E, finalmente devemos citar a vantagem principal que todos os relés levam em relação aos semicondutores no controle de potência que é o total isolamento da carga.

O circuito de controle pode operar com tensões bem diferentes das usadas pela carga e com total segurança.

NOSSO CIRCUITO

O circuito básico que propomos é um automatismo CMOS para acionamento a partir de controles ópticos de um relé de trava.

A versão inicial que terá duas variações é mostrada na figura 4 e a partir delas podemos facilmente analisar o seu principio de funcionamento.

Duas portas disparadoras de um integrado 4093B excitam diretamente dois transistores PNP de modo que, com a saída no nível baixo de cada uma das portas, a bobina correspondente do relé é energizada.

Desta forma, um pulso de duração constante na entrada E1 leva o relé a uma posição estável que pode depois ser alterada com a aplicação de outro pulso na entrada E2.

Os pulsos, compatíveis CMOS, devem ter uma duração mínima de 0,1 segundo para que o relé mude de estado, nesta aplicação.

Nos nossos circuitos finais, para obter um pulso de disparo de duração constante, mínima para a mudança de estado do relé, utilizamos as outras duas portas disparadoras disponíveis no 4093 para obter um monoestável.

Desta forma, para as aplicações em que os pulsos disponíveis são de boa duração, permitindo sua utilização direta no disparo do relé, o leitor pode usar o circuito da figura 4.

Figura 4 – O circuito de pulsos

No entanto, para aplicações em que isso não ocorra, com pulsos de menor duração ou variáveis, sugerimos adaptar os circuitos finais com os monoestáveis.

Estes circuitos funcionam da seguinte maneira:

Os pulsos enviados pelos sensores (acoplador óptico ou foto-resistor) levam a saída das portas Cl-1a ou b ao nível alto de modo a carregar os capacitores C1 ou C2 com as tensões de alimentação do aparelho;

Desta forma, mesmo que o pulso de entrada desapareça num curto intervalo de tempo, o capacitor descarregando-se através de R1 ou R2 conforme o caso, proporciona a temporização para que as saídas dos inversores CI-1c ou d levadas ao nível baixo excitem convenientemente as bobinas do relé de trava.

R1 e R2 podem ser alterados para se obter modificação na largura dos pulsos de disparo.

No nosso caso temos dois tipos de sensores usados.

A primeira possibilidade consiste no uso de LDRs para detectar cortes de luz, obtendo-se assim um detector de posição ou passagem.

O corte de luz no LDR1 leva o relé a primeira posição estável. Para mudar de posição, cortamos por um instante a luz no LDR2.

Nova mudança de estado é obtida com o corte de luz em LDR1.

A sensibilidade do circuito é ajustada em P1 ou P2 para maior diretividade e sensibilidade podemos montar os LDRs em tubos opacos dotados de Ientes convergentes.

Trabalhando com fontes muito fracas de luz, aumente os trimpots para 1M.

Com intensidades de luz maiores podemos usar em lugar dos LDR foto-transistores. Para isso devemos trocar os trimpots por unidades de 2M2.

A segunda possibilidade consiste no uso de acopladores ópticos como os 4N25 ou 4N28 que são dotados de um foto-emissor infravermelho e um foto-transistor, conforme mostra a figura 5.

Figura 5 – Usando acopladores ópticos

Chaves ópticas que possuem as mesmas características elétricas também podem ser usadas neste circuito para a detecção de passagem e posições.

Com a energização do LED (emissor) do foto-acoplador, o inversor correspondente do 4093 tem sua saída levada ao nível alto, o que carrega o capacitor (C1 ou C2) produzindo-se na saída um pulso de duração mínima dada pelo tempo de descarga destes capacitores.

O acionamento das bobinas deve ser feito alternadamente (Set e Reset).

No caso de um microcomputador, basta conectar os pontos indicados de 1 a 4 no circuito correspondente às saídas paralelas e elaborar um programa para os comandos desejados.

Como o que precisamos para o acionamento do circuito são pulsos de curta duração, o programa pode ser liberado para realizar outras tarefas e não só controlar os dispositivos externos.

MONTAGEM

O primeiro diagrama, usando LDRs é mostrado na figura 6.

Figura 6 – Circuito usando LDRs

Os componentes principais podem ser instalados numa placa de circuito impresso, exceto o relé que deve ter o suporte (soquete) apropriado, conforme mostra a figura 7.

Figura 7 – Placa de circuito impresso e suporte do relé

A fonte de alimentação de 12 V pode ser formada por pilhas, bateria ou então a partir de um conversor CA/CC com capacidade para pelo menos 500 mA.

Os resistores são de 1/8 ou ¼ W com 5 a 20% de tolerância e os capacitores eletrolíticos devem ter uma tensão de trabalho de pelo menos 12 volts.

Os diodos são 1N4148, 1N914 ou equivalentes e os LDRs podem ser de 1 a 2,5 cm, conforme a aplicação visada. O circuito integrado deve ser montado em soquete apropriado.

No caso de LDRs como sensores os fios de conexão a estes componentes podem ser relativamente longos (até 10 m) sem blindagem.

Para foto-transistores, ou trabalhando com níveis de luz muito baixos, o fio de conexão deverá ser blindado.

Para uma aplicação isolada o aparelho pode ser instalado em caixa plástica apropriada, mas fazendo parte de um sistema de controle ele pode ser instalado junto à máquina ou microprocessador com que deve operar.

Na figura 8, temos a segunda versão que faz uso de acopladores ópticos.

Figura 8 – Circuito com acopladores ópticos | Clique na imagem para ampliar |

A disposição dos componentes numa placa de circuito impresso para esta versão é mostrada na figura 9.

Figura 9 – Placa para a versão com acopladores

Tanto os acopladores ópticos como o circuito integrado pode ser instalado em soquete DlL apropriado.

Os demais componentes são como na montagem anterior, inclusive a fonte de alimentação. Para acionamento TTL os resistores RX1 e RX2 devem ser de 330 ohms.

Para saídas de 6 V (pulsos) estes resistores são de 470 ohms,e para 12 Volts de 1 k. Eventualmente os resistores R1 e R2 devem ser alterados para se obter a sensibilidade ideal de acionamento.

Prova e Uso

Para provar o aparelho, basta ligar na fonte de alimentação de 12 V e depois proceder da seguinte forma:

a) Versão com LDR

Ajustar P1 e P2 para obter o acionamento alternado do relé quando fizermos sombra sobre um ou outro LDR. A comutação do relé pode ser facilmente ouvida.

b) Versão com foto-acoplador

Excite os LEDs com pulsos de 12 V de tensão da própria fonte usando para os resistores RX1 e RX2 unidades de 1 k x 1/8 W.

A excitação alternada dos LEDs fará com que o relé seja comutado normalmente.

Comprovado o funcionamento é só utilizar o aparelho na aplicação desejada.