Entradas e saída analógicas isoladas com Arduino

Esta shield acoplável nos modelos de CPB bem como em boa parte das placas Arduino, vem para atender uma demanda da indústria, mas principalmente uma demanda de robustez dos projetos que usam microcontroladores e necessitam fazer a leitura de um sinal analógico.

Agora vamos para o conteúdo.

Passo a Passo:

1. Explicação sobre o opto acoplador.

2. Criação da shield.

3. Circuito e características da shield.

1 - EXPLICANDO SOBRE O OPTO ACOPLADOR

Já é de praxe a utilização de opto acopladores para isolar o sinal elétrico do mundo exterior para o microcontrolador, mas o que significa isto?

O microcontrolador trabalha normalmente em 5 volts e não foi projetado para suportar tensões maiores, além disto ele é feito para responder rapidamente a variações de sinal, assim um ruído elétrico que é variação de sinal, será entendido pelo microcontrolador como um comando, e talvez isto seja indesejado. É possível minimizar o impacto do ruído em software, mas o ideal é trabalhar o máximo possível em hardware para minimizar os ruídos elétricos e ao final trabalhar em software.

Um componente muito usado para isolar o microcontrolador dos ruídos elétricos e altas tensões existentes em algumas aplicações é o opto acoplador mostrado abaixo:

Este exemplo é um PC817 de 4 pinos e representa a estrutura mais simples deste componente, podemos entender a entrada dele como sendo o LED (pinos 1 e 2) e a saída dele como o foto transistor (pinos 4 e 3). O datasheet deste componente diz que se houver uma tensão de 6.000 volts nos pinos 4 e 3, ela certamente queimará o foto transistor, mas não passará nenhum nível de tensão para o lado do LED, dessa forma estando protegido. Sendo assim, tendo uma saída digital do Arduino querendo acionar algo, colocamos um resistor na saída em série com o LED do opto e ao acender, o transistor de saída será polarizado como uma chave.

E caso queiramos ler uma entrada digital no microcontrolador, o elemento de fora do circuito acenderá o LED e o transistor acionará um pino do microcontrolador, e este conceito o protegerá, para mais detalhes assista o vídeo do link:

2 - CRIAÇÃO DA SHIELD

Assim está resolvido para entrada e saída digital, mas e quando queremos ler uma tensão variável e não somente 0 ou 5 volts? Ou quando queremos ligar algo em proporção variável e não somente em 0 ou 100%? Como isolar?

Isto é uma demanda de mercado, por exemplo ler a tensão da bateria de um carro ou trator e saber se precisa carregar ou não, se está tudo bem com o alternador. E se quisermos ter uma saída analógica controlando a velocidade de um motor AC através de um inversor? Da mesma maneira, o ideal seria isolar o circuito do microcontrolador e do inversor.

Então nós da Crescer pesquisamos uma séria de circuitos publicados mundo a fora, e levando em consideração a qualidade, disponibilidade de material no Brasil e preço, chegamos na placa abaixo:

Shield Optovar

Esta shield consiste em 2 entrada analógicas de 0 a 5 volts 1 uma saída analógica PWM para 0 a 5 volts. Sendo estes 3 circuitos opto acoplados, ou seja, capaz de fazer uma interface analógica entre o microcontrolador e outros sistemas elétricos de maneiro isolada (protegida).

3 - CIRCUITO E CARACTERÍSTICAS DA SHIELD

Para isto ocorrer, é preciso montar corretamente como mostraremos na sequência.

Vamos explicar agora as funções de cada conexão:

• Fonte: O Vin e GND são os pinos onde entra a fonte de alimentação de campo, exemplo, se for usar o Arduino ou a CPB em uma máquina industrial, é comum já ter uma fonte de 24Volts e provavelmente terá 100mA de sobra para alimentar este circuito. O outro GND e o pino 12V auxiliar, podem ser utilizados para alimentar um sensor de pressão por exemplo, ou outro sensor que não exceda 200mA e nem a corrente da fonte de 24V que estamos usando da máquina, caso não tenha esta fonte, poderá utilizar a fonte que alimenta a CPB ou ainda, outra fonte...

• Entradas analógicas: Os pinos In0 e In1 devem receber uma tensão de no máximo 12 Volts e esta tensão será aproximadamente a mesma nos pinos A0 e A1, podendo ser reduzida mediante os resistores R7 e R9 respectivamente, que estão com a função de divisor de tensão com outros resistores de 4k7 Ohm, sendo assim, caso entre com 10 volts no máximo, adicione resistores de 4k7 no R7 e R9 para ter 5 volts no A0 e A1. Isto deverá ser testado e validado pelo projetista que está utilizando esta shield. Os diodos Zener D1 e D2 são mais uma proteção ao microcontrolador, e se for usada a shield para o ESP32, o divisor de tensão deve ser projetado para 3,3 volts ou menos e os diodos devem ser de 3,6 volts para evitar danificar o ESP. Já para microcontroladores de 5v, como do Arduino Uno ou Mega, deve-se limitar em 5 volts e usar o zener para 5,1 volt.

• Saída analógica: A saída PWM no pino 6 do Arduino ou outro microcontrolador da sua preferência, controlará a saída de tensão no pino Out0 da shield, e será proporcional ao Duty Cicle da saída PWM. Caso precise baixar o valor máximo da tensão de saída, use o R16 onde, se colocar um resistor de 4k7 Ohms, reduzirá o valor máximo pela metade. A tensão de saída é 5 volts quando o Duty Cicle estiver em 0%, e quando estiver em 100% estará em 0 volts (zero) aproximadamente.

Vale lembrar que a placa não tem potenciômetros e os ajustes de calibração deverão ser feitos via software.

Por fim vou deixar um link do vídeo que fala um pouco mais e mostra os exemplos que explicamos aqui:

Bons estudos!