Circuito de interface para microcontroladores

Circuito de interface para microcontroladores

Com a popularização dos microcontroladores em projetos eletrônicos, é cada vez mais comum a necessidade de acionar grandes cargas. Porém, esses dispositivos não são capazes de fornecer grandes correntes e tensões para alimentação de circuitos externos. Surge, então, a necessidade de utilizar um circuito de interface para microcontroladores a fim de adequar dos respectivos sinais.

 

Neste artigo abordaremos um circuito simples muito utilizado para o uso de interface que exige a proteção das saídas ou do circuito de controle. O circuito é mostrado na figura 1, abaixo.

 

Circuito de interface para microcontroladores
Figura 1 - Circuito interface para microcontrolador
Fonte: INSTITUTO NEWTON Braga - MECO10 (adaptação)

 

Esse circuito utiliza um optoacoplador como isolador entre os circuitos de controle e potência. Antes de explicarmos o funcionamento total desse circuito, estudaremos o optoacoplador utilizado.

 

Circuito de interface para microcontroladores: 4N25
Figura 2 – 4N25
Fonte: Datasheet 4N25

 

O optoacoplador é o 4N25, exibido na figura 2. É um circuito integrado de apenas um canal isolado. Esse tipo de circuito integrado é muito utilizado por ter uma isolação interna entre emissor e receptor de 7,5 kV e ainda possuir grande imunidade a ruídos e interferências eletromagnéticas. Outra grande vantagem do uso desse tipo de CI é a frequência de comutação e a segurança de acionamento, pois seu LED interno produz luz infravermelha e somente esse tipo de feixe luminoso pode disparar o fototransistor.

 

O funcionamento do optoacoplador é baseado no efeito fotoelétrico, onde um feixe de luz infravermelha, produzido pelo diodo LED, polariza a base do fototransistor, forçando a condução entre base e emissor. Dessa forma, eleva-se a tensão BE (base-emissor) a 0,7 V, colocando este semicondutor em saturação. Essa corrente de base para emissor diminui a resistência de canal entre coletor e emissor, então é produzida a corrente de coletor que assim aciona a carga.

 

A ligação dos terminais é feita da seguinte forma:

  • Pino 1 - Anodo do LED interno: Deve ser ligado em série a um resistor limitador de corrente para adequar os valores de funcionamento do LED;
  • Pino 2 - Catodo do LED interno: Ligado ao GND (terra) do microcontrolador e fonte simultaneamente, para evitar diferenças de potencial entre terras;
  • Pino 3 - Não conectar;
  • Pino 4 - Emissor do fototransistor: Ligado à carga ou ao GND do circuito;
  • Pino 5 - Coletor: Ligado ao potencial positivo do circuito;
  • Pino 6 - Base: Somente deve ser ligada quando se necessita de uma polarização prévia da base do fototransistor, pois, dessa forma, não necessitará de grandes feixes de luz para polarização da base do semicondutor.

 

 

Descrição total do circuito

 

Agora que já aprendemos como funciona um optoacoplador, podemos descrever o funcionamento geral do circuito apresentado na Figura 1.

 

O pino descrito como entrada do circuito fica ligado à saída do microcontrolador. O resistor R1 deve limitar a corrente, e, consequentemente, a tensão sobre o LED interno. 

 

Sendo R1 = 330 Ω (valor escolhido considerando a tensão HIGH de 5 V e uma corrente do LED de 10 mA), a tensão sobre ele é de 3,3 V e a tensão sobre o LED será de 1,7 V aproximadamente, perfeitamente aplicável.

 

Importante: A potência máxima do LED é de 120 mW e o valor do resistor R1 deve considerar essa grandeza.

 

Quando o pino de saída do microcontrolador estiver em nível HIGH (vamos adotar a tensão de alimentação de 5 V) o LED produzirá uma luz infravermelha e polarizará a base do fototransistor, fazendo com que ele entre em condução. Assim, colocará o potencial positivo da fonte na junção dos dois resistores. O resistor R2 = 22 kΩ foi calculado usando a seguinte fórmula:

 

formula1

 

A tensão da fonte cai 0,5 V pela saturação do fototransistor e 0,7 V é utilizado por ser a tensão entre base – emissor do BC548. Usando uma corrente de base de 0,5 mA, encontramos o resistor de 22 kΩ:

 

formula2

 

O resistor de 47 kΩ restringe a corrente a um valor máximo de 2,5 mA, ideal para o disparo da base do transistor BC548 (utilizando uma tensão máxima de 12 V do circuito) e também evita o curto circuito, pois o fototransistor opera como chave, estando ligado ao GND e +Vcc em seus terminais. Assim a necessidade de uma carga prévia.

 

Por sua vez, o transistor BC548 entrará em condução forçando uma corrente de base do transistor BC558. Fazendo esse transistor entrar em saturação e criar uma corrente de coletor que irá acionar a carga.

 

 

Pontos importantes do circuito

 

É importante colocar o diodo de roda livre em antiparalelo com a carga conforme o circuito, pois esse diodo evita tensões reversas ocasionadas por cargas indutivas quando o transistor BC558 entrar em corte. O diodo pode ser o 1N4001.

 

Outro parâmetro para se ressaltar é a corrente de coletor máxima que o transistor BC558 pode suportar, cerca de 100 mA. Então, para acionar cargas com valores de correntes maiores de 100 mA, deve-se colocar um relé ou colocar um transistor com maior capacidade de corrente de coletor.

 

A tensão máxima VCE para os dois transistores é de 30 V máximos, este parâmetro deve ser respeitado para que o circuito funcione corretamente e a velocidade de comutação máxima seja de 1 MHz.

 

Este circuito protege totalmente o microcontrolador, pois a tensão da isolação do CI 4N25 é de 7500 V.

 

 

Conclusão

 

Esse circuito funciona perfeitamente para acionamento de cargas elevadas tendo grande proteção tanto para o microcontrolador quanto para os transistores de potência, pois possui proteções como: diodo roda livre e optoacoplador com alta tensão de isolação.

 

Esse circuito é ideal para interface de I/O, pois apresenta elevada frequência de comutação.

 

 

Referências

 

Fonte da imagem destacada: http://microcontrolandos.blogspot.com.br/2012/12/apostilas-e-livro-sobre-microcontroladores.html

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jacks spRogério Nogueira de moraestiago pereiraChristian SchultzLucas Malakin Recent comment authors
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jacks sp
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jacks sp

O único erro. é um erro GRÁFICO do símbolo da referencia (GND) do circuito acionador. deveria ser diferente da do circuito interface. só isso.

Rogério Nogueira de moraes
Visitante
Rogério Nogueira de moraes

Tenho uma duvida alguém pode tirar preciso substituir um opto acoplador de numero R2501ALK302 . Qual é o compatível e onde posso encontrar.

Lucas Malakin
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Lucas Malakin

O circuito exemplificado dessa matéria possuí alguns problemas. Ele não é isolado, pois os circuitos digital e analógico usam do mesmo referencial. Faz-se o uso do 4N25 que necessita do acoplamento de um amplificador de potência na saída, além da demanda de uma corrente para acionamento relativamente alta, inviabilizando sua presença para várias saídas do microcontrolador.

O Xultz comentou o mesmo há algum tempo atrás.

Christian Schultz
Visitante
Xultz

Eu não consigo entender a vantagem de se utilizar um optoacoplador, que serve para interligar circuitos isolados, num circuito não-isolado. No circuito da matéria, a parte digital e de potência estão no mesmo referencial, ou seja, não há isolação. O 4N25 não é um circuito "econômico", ele demanda uma corrente considerável para acionar seu led interno e polarizar o transistor de saída. Desta forma, o microcontrolador não tem capacidade de acionar muitos 4N25 simultaneamente, necessitando de buffer amplificador de potência. O 4N25 também não tem muita potência de saída, necessitando de buffer de potência de saída, feito pelo para BC548/558… Leia mais »

tiago pereira
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tiago pereira

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