A maioria dos leitores que realiza projetos usando microcontroladores e precisa fazer um relatório técnico consistente precisa explicar exatamente como funciona um shield de acionamento de relé. O uso de uma linguagem técnica apropriada e de uma explicação completa é fundamental para quem deseja tirar nota máxima num TCC ou ainda num simples trabalho para apresentação em classe. Neste artigo procuraremos analisar de forma bastante concisa como funciona um shield de relé.
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Evidentemente, procuraremos dar as explicações para os que já tenham um conhecimento básico de eletrônica e se entrarmos no detalhamento de cálculos, esta parte pode perfeitamente ser omitida se o nível do projeto apresentado não exigir isso.
O que é um shield
Um microcontrolador não pode fazer tudo sozinho. Ele precisa então de circuitos de apoio ou interfaces que complementem sua ação.
Assim, nas saídas de um microcontrolador só podemos contar com tensões fixas e correntes máximas que não são suficientemente intensas se quisermos acionar um motor potente, um solenoide ou outro dispositivo que exija mais.
Para realizar então o que desejamos precisamos de um circuito adicional denominado shield. No caso temos um shield de saída ou atuador. Na internet temos uma infinidade de tipos, de muitos fabricantes e com as mais diversas características.
Temos também shields que são ligados na entrada dos microcontroladores transferindo para eles sinais de sensores e outras fontes.
Shield de relés
Um dos shields mais comuns e também mais usados é o que faz acionamento de relés.
O relé é um interruptor eletromecânico, ou seja, um dispositivo que pode ligar ou desligar alguma coisa a partir de um sinal elétrico. Ele também pode ser usado para comutar circuitos.
O interessante para o nosso caso é que podemos usar uma corrente muito pequena, como a fornecida por um microcontrolador para ligar ou desligar um circuito que opere com tensão maior e também corrente maior.
Assim, um shield com relé pode ser usado para que um microcontrolador, que tem uma corrente limitada em sua saída, controle um motor de grande potência.
Na figura 1 temos um exemplo de circuito de shield que controla uma lâmpada ligada a uma fonte de 12 V ou mesmo à rede de energia a partir de um Arduino.
Este circuito típico pode ser reproduzido várias vezes e vendido numa única placa, conforme mostra a figura 2.
Mas, como explicar exatamente o que ocorre no circuito? Como mostrar como funciona cada componente do circuito acima e como calcular o circuito.
Analisemos
Tomemos como base o circuito da figura 3 que o leitor pode montar numa matriz de contatos com o transistor BC548 e um relé de 12 V acionado por uma corrente de até 100 mA. Em lugar de L1 pode ser usado um pequeno motor ou ainda um LED em série com um resistor de 470 ohms.
Observe inicialmente que neste tipo de circuito o relé não precisa ter necessariamente a mesma tensão da saída do microcontrolador, normalmente de 5 V.
Se bem que existam pequenos relés de 5 V que possam ser ligados diretamente às saídas do microcontrolador, normalmente são pequenos e de baixa corrente e uma quantidade maior deles em conexão direta não é recomendável.
a) R2 e o LED
Começamos por estes componentes. A finalidade deste circuito é indicar quando o sinal de comando do relé aparece na saída correspondente, ou seja, quando ela vai ao nível alto.
Observe que o LED está polarizado no sentido direto, ou seja, o anodo do lado positivo para acender quando a tensão for positiva, ou seja, quando houver 5 V.
O resistor R2 é calculado de tal forma a limitar a corrente do LED quando a tensão for 5 V. Podemos calcular a corrente neste circuito pela seguinte formula:
Vin = tensão de entrada = 5 V
R2 = 1 k = 1000 ohms
Vled = queda de tensão no LED = podemos adotar 1,8 V para um LED vermelho
Temos então:
I = (Vin – Vled)/ R2
I = (5 – 1,8)/1 000
I = 3,2/1 000
I = 3,2 mA
Evidentemente, podemos inverter as coisas, e em lugar de fixar R2 para calcular a corrente, fixar a corrente e calcular R2. Teremos então a fórmula:
R2 = (Vin – Vled)/I
Será útil se quisermos uma corrente maior no LED, desde que não ultrapasse a saída máxima possível para o microcontrolador. Resistores de 330 ohms, por exemplo, podem resultar numa corrente próxima de 10 mA para o LED.
Mas, precisamos ainda ter uma corrente para acionar o transistor.
b) Corrente de base do transistor
No circuito, R1 determina a corrente de base do transistor. Este resistor é calculado de tal forma que a corrente que circula por ele, levando em conta o ganho do transistor deve ser suficiente para se obter no coletor a corrente mínima de acionamento do relé.
Normalmente para este caso, como o transistor trabalha saturado, calculamos de tal forma que a corrente seja pelo menos uma duas vezes maior que a necessária ao acionamento levando em conta o ganho mínimo do transistor.
Vamos ver como cálculo foi feito.
Se o sinal de saída do microcontrolador é uma tensão de 5 V, levando em conta que na junção base-emissor há uma queda da ordem de 0,6 V e que o resistor R1 é de 1k ohms temos:
Ib = corrente de base do transistor
Vin = 5 V - tensão de entrada
Vbe = 0,6 V - queda de tensão base/emissor no transistor
R2 = 1 000 ohms
Calculamos então Ib neste caso que também é a corrente em R2 que é dada pela queda de tensão neste componente dividida pela resistência de R2:
Ib = (Vin – Vbe)/R
Ib = 4,4/1000
lb = 4,4 mA
Supondo que o relé tenha uma corrente de acionamento de 50 mA isso significa que o ganho mínimo do transistor deve ser:
G = Ic/Ib
G = 50/0,4,4
G = 11,3
Evidentemente, qualquer transistor que tenha um ganho maior que isso servirá. E, se precisar de uma corrente maior de acionamento, use um transistor de maior ganho.
Outra alternativa consiste em se reduzir o valor de R2 para se obter uma corrente maior de base.
Conclusão
Neste tipo de shield o cálculo empírico pode ajudar a encontrar com facilidade os melhores valores para um bom funcionamento. Conforme vimos, o circuito não é crítico, o que significa que uma boa tolerância nos valores são admitidas.
A precaução maior é trabalhar com valores acima dos mínimos exigidos mas sem provocar sobrecarga nos circuitos. Bom senso pode ajudar muito.
