Controle programável com componentes comuns

Escrito por Newton C. Braga

O circuito que descrevemos pode ser utilizado em diversas aplicações práticas importantes. Uma primeira aplicação é como controle lógico programável de pequena capacidade para uma sequência de operações simples que não necessite de um circuito mais sofisticado. Uma segunda aplicação é em robótica e mecatrônica no controle de dispositivos sequencialmente a partir de sensores ou programação do próprio circuito. Também podemos usá-lo como base para efeitos visuais ou mesmo um simulador de presença ligando e delsigando dispositivos elétricos em tempos programados, de modo a levar um intruso que vigie uma casa a pensar que existem pessoas em seu interior. É claro que existem outras aplicações possíveis que certamente os leitores mais habilidosos e imaginosos em pouco tempo vão descobrir.
Ligar ou desligar dispositivos em tempos programados é o que podemos fazer basicamente com este projeto. Com esse recurso automático podemos:
Simular a presença de pessoas numa casa, evitando assim a ação de ladrões.
Controlar pequenos automatismos que precisem de ações seqüenciais programadas em tempos fixos.
Produzir efeitos de luz e som a partir de uma programação prévia.
Ensinar como funciona um CLP baseado num circuito simples de finalidade didática.


Evidentemente, o leitor que desenvolve algum tipo de projeto que precise de uma ação seqüencial programada usando componentes comuns poderá aproveitar bastante a idéia explorada neste projeto, alterando ou mesmo ampliando-o para maior número de funções.
O aparelho que descrevemos possui um ciclo de operação ajustável que pode ir de alguns minutos até vários dias.
A alimentação é obtida da rede de energia local, com perfeito isolamento dos dispositivos controlados, pois são utilizados para essa finalidade relés. O número de equipamentos que pode ser controlado depende do montador. Podem ser usados de 2 a 10 relés normalmente. O tipo de relé depende apenas da corrente das funções externas que devem ser controlados.
Os componentes empregados neste projeto são acessíveis, de baixo custo e não existe nenhum ponto crítico na montagem.

CARACTERÍSTICAS

Número de circuitos integrados: 4
Tensão de alimentação: 110/220 VCA
Carga máxima por saída: depende apenas dos relés usados
Modo de programação: chave seletora 1 x 10 ou jumpers
Faixa de tempos por saída: 1 minuto a 100 horas
Controles: 2 (tempo e programa)


COMO FUNCIONA
Na figura 1 temos o diagrama de blocos deste aparelho.




Conforme podemos ver, o primeiro bloco determina o compasso ou ritmo de funcionamento do aparelho, ou seja, o tempo de ação de cada saída.
Usamos nesta etapa um circuito integrado 555 configurado como multivibrador astável. Conforme o valor do capacitor C1 este circuito pode produzir pulsos em intervalos que variam entre alguns segundos e aproximadamente 40 minutos. O valor máximo recomendado para C1 e para o resistor em série está limitados à fugas que podem instabilizar a temporização. Não recomendamos valores maiores que 1 500 µF e para o resistor o limite é 1,5 M Ω.
Os pulsos deste circuito integrado são usados para excitar a etapa seguinte, que consiste num divisor programado de freqüências com base no circuito integrado 4017, conforme mostra a figura 2.




Conforme a posição da chave seletora (divisor de tempo) a freqüência dos pulsos poderá ser dividida por valores entre 1 e 10. Com este circuito integrado (4017), podemos obter na saída (pino 12) pulsos em intervalos muito longos, sem precisar utilizar no oscilador capacitores de valores "impossíveis" ou grandes demais quando as fugas podem comprometer seu funcionamento.
Com uma freqüência no 555 de 1 pulso a cada 10 minutos o que corresponde a 1,6 vezes 10 elevado à -3 hertz, por exemplo, e com a divisão por 10 na segunda etapa, podemos ter na sua saída, um pulso a cada 100 minutos, o que equivale a 1 hora e 40 minutos.
Cada aparelho ligado na saída do circuito ter então um ciclo de funcionamento com este valor.
Para assegurar que a contagem ou ciclo de funcionamento comece em zero, existe um circuito de reset (RST) no pino 15 deste circuito integrado, cuja finalidade é levá-lo momentaneamente ao nível alto, quando a alimentação é estabelecida.
A terceira etapa consiste em outro circuito integrado 4017 que funciona como um contador divisor até 10.
Nas suas saídas teremos o nível 1 em seqüência, por tempos que serão dados pela etapa anterior. A tabela dada a seguir mostra como opera este terceiro circuito integrado.





No décimo pulso, voltamos à primeira linha da tabela e um novo ciclo de funcionamento é iniciado. O tempo em que cada saída permanece no nível alto (1) é dado pelo ciclo do 555, ajustado em P1. Este ciclo corresponde a 1/10 do tempo total de funcionamento do aparelho.
Assim, como no exemplo, se o ciclo for de 1 hora e 40 minutos, cada saída permanecerá no nível alto durante esse tempo e o ciclo completo, de 0 a 9 pulsos, ocorrerá em 1000 minutos (16 horas e alguns minutos).
Com capacitores de valores maiores para C1 (até 1 500 µF) podemos obter tempos muito mais longos. No entanto, como explicamos, existe um limite para o valor deste componente.
O acionamento programado dos aparelhos se faz pela ligação das chaves rotativas numéricas de 1 pólo x 10 posições, cada qual com uma etapa excitadora de potência com transistor para acionar um relé.
Com estas chaves selecionaremos o instante em que queremos o acionamento do aparelho controlado correspondente, podendo o mesmo ser alterado a qualquer momento. Se usarmos 3 módulos com 3 destas chaves e ajustarmos para um ciclo de 10 horas (1 hora por saída), podemos ter a seguinte programação: 1 5 7.
Essa programação significa que o primeiro relé será ativado depois de uma hora e assim permanecerá por 1 hora; o segundo relé ativado na quinta hora e assim permanecerá por mais uma hora e o terceiro na sétima hora do ciclo, ficando também por mais uma hora ativado.
Para o caso em que o tempo de acionamento dos relés deva ser menor do que uma hora podemos agregar monoestáveis em cada um com programação separada de tempos. Esses monoestáveis podem usar o circuito integrado 555 em cada chave, caso em que o tempo de fechamento de cada relé pode ser programado independentemente, até aproximadamente 40 minutos.
A alimentação para o sistema vem de uma fonte estabilizada de 12 V x 1 A, que possibilita o acionamento de até 10 blocos de programa (com no máximo 5 pontos coincidentes de tempos).

MONTAGEM
Na figura 3 temos o diagrama completo do controle cíclico programável.




Na figura 4 mostramos a placa de circuito impresso para esta montagem.



A placa de circuito impresso de um módulo de controle com relé é mostrada na figura 5.




Ao realizar a montagem o leitor deve observar os seguintes pontos importantes que exigem mais cuidados:
Observe bem a posição de todos os circuitos integrados e para CI-4, estabilizador de tensão, use um radiador de calor. Será recomendável usar soquetes para os demais circuitos integrados, para facilitar sua troca e evitar o aquecimento na soldagem.
Observe também as posições dos diodos da fonte que, tanto podem ser 1N4002 ou equivalentes de maior tensão. Os diodos em paralelo com os relés não são críticos, podendo ser de qualquer tipo de uso geral de silício.
Os capacitores devem ter as tensões mínimas e tipos indicados na lista de material.
O transformador tem enrolamento primário de acordo com a rede de energia, e secundário de 12 + 12 V com 1 A de corrente. Os relés dependem da carga controlada podendo ser usados os tipos de baixo custo para 12 V que possuem um ou dois contatos reversíveis, conforme o tipo de controle que se deseja.
Os resistores são de 1/8W ou maiores e o potenciômetro P1 de ajuste do ciclo de funcionamento pode ter um interruptor geral incorporado.
Para cargas de correntes elevadas o interruptor do potenciômetro não deve ser usado por não ter capacidade de corrente suficiente para este tipo de aplicação.
O fusível de proteção deve ser dimensionado em função da carga a ser controlada.
Na figura abaixo temos uma sugestão de caixa para a montagem, onde destacamos as tomadas de força onde são ligados os aparelhos controlados.



PROVA E USO
Para testar o aparelho use o tempo mais curto, que é obtido com o potenciômetro P1 na posição de menor resistência e S1 do divisor de freqüência na posição "dividido por 1".
Ligue nas tomadas de saída lâmpadas comuns ou eletrodomésticos com consumos suportados pelos contatos dos relés.
Acionando o aparelho, pela conexão da tomada e ressetando-o em S1 (interruptor duplo de pressão) os aparelhos devem ser ativados sem seqüência rápida e depois desligados conforme as posições das chaves de programa (figura abaixo).



Ajuste gradualmente o tempo em P1 até verificar que os intervalos obtidos estão de acordo com o desejado. Depois é só usar o aparelho.
Numa aplicação recreativa mais imediata podemos usar este sistema como um seqüencial de 10 canais.

Lista de Materiais:

Semicondutores:
CI-1 - 555 - circuito integrado, timer
CI-2, CI-3 - 4017 - circuitos integrados CMOS
CI-4 - 7812 - circuito integrado, regulador de tensão
D1, D2 - 1N4002 ou equivalente - diodos de silício

Resistores: (1/8W, 5%)
R1 - 2,2 kΩ
R2 - 10 kΩ
P1 - 1 MΩ - potenciômetro (com ou sem chave - ver texto)

Capacitores:
C1 - 470 µF/16 V - eletrolítico
C2 - 100 µF/16 V - eletrolítico
C3 - 1 500 µF/25V - eletrolítico

Diversos:
T1 - Transformador com enrolamento primário de acordo com a rede local e secundário de 12 + 12 V x 1 A
S1 - Chave de 1 pólo x 10 posições (programável de painel)
S2 - Interruptor de pressão duplo
F1 - Fusível de 5 A - ver texto
Placa de circuito impresso, caixa para montagem, soquetes para os integrados, radiador de calor para CI-4, tomadas para as cargas externas, botão para o potenciômetro, fios, solda, etc.


Material para um módulo:

Semicondutores:
Q1 - BC548 ou equivalente - transistor NPN de uso geral
D3 - 1N4148 - diodo de uso geral de silício

Resistor:
R3 - 1 kΩ x 1/8 W

Diversos:
K1 - Relé de 12 V - Metaltex ou equivalente - ver texto
S3 - Chave programável de 1 pólo x 10 posições - ver texto
Placa de circuito impresso, fios, solda, etc.



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