terça-feira, 17 de dezembro de 2013

Como Acionar um Relé com Arduino ou PIC - Projeto e Funcionamento

Em muitos projetos de eletrônica há a necessidade de ligar ou desligar cargas externas como lâmpadas, motores e sirenes. Entretanto a maioria dos circuitos de controle funcionam com tensões baixa geralmente em 5V e 12V. Como ligar um motor ou uma lâmpada que funciona em outros níveis de tensão e potência com um microcontrolador PIC, arduino ou até mesmo amplificadores operacionais? Confira como acionar um relé com transistor corretamente e a dimensionar os componentes!




1.0 Introdução


Em muitas situações tem-se a necessidade de comandar uma carga através de um circuito eletrônico. Em geral a carga a ser acionada pode exigir uma corrente e ou tensão muito maior que o circuito de lógica (micro controladores PIC, Arduino ou AOp) pode fornecer.

Em outras palavras, o problema se resume na potência que o circuito controle pode fornecer para acionar uma determinada carga. Na maioria das vezes a potência exigida para ligar um motor ou uma lâmpada é muito maior que a potência de uma saída do circuito de controle (Microcontrolador) fornece. Assim surge a necessidade de uma interface de potência que compatibiliza os níveis de potência entre o circuito de controle e a carga a ser controlada.

Interface de potência com arduino e relé
Figura 1 - Interface de potência com relé.

Uma maneira interessante e de baixa complexidade de fazer uma interface entre o circuito de comando e a carga é a utilização das chaves eletromecânicas conhecidas como relês. Outros dispositivos podem ser utilizados como transistores em geral e SCR, porem a complexidade de funcionalmente e dimensionamento aumentam.


2.0 Como Funciona um Relé


O relé é uma chave eletromecânica (chave mecânica acionada por eletricidade), constituído por uma bobina e de contatos elétricos que podem estar normalmente abertos (NA) ou normalmente fechados (NF).

Quando uma corrente elétrica circula na bobina ela produz um campo magnético que produz uma força eletromagnética que atrai os contatos elétricos fechando ou abrindo os circuitos conectados a ele. Quando a corrente que circula na bobina é interrompida o contato elétrico volta para o seu estado normal com o auxilio de uma mola interna.

Os relés podem possuir várias chaves internas. A figura 1 apresenta de forma esquemática a estrutura interna de um relé que possui duas chaves com um terminal em comum e na figura 2 um relé com apenas uma chave.

Figura 2 - Estrutura do relé chave dupla.

Figura 3 - Estrutura do relé chave simples.

2.1 Características elétricas de um Relé


Como acionar um relé? Que tipos de circuitos externos podem ser controlados por um relé?
Quando utilizamos um relé num projeto é de fundamental importância ter a respostas para as duas perguntas acima. As informações que permitem avaliar do que um relé pode fazer e como deve ser usado se encontram nos manuais dos fabricantes, como os produtos da METALTEX (Principal fabricante de relé no Brasil). Entretanto, a correta interpretação dessas informações se torna necessário para que não aconteçam surpresas desagradáveis. As características elétricas de um relé devem ser muito bem observadas.

Para energizar um relé corretamente e fazer com que as chaves internas atuem, é necessário que uma corrente de intensidade mínima circule pela sua bobina. Portanto, devemos aplicar uma tensão de um determinado valor, que em função da resistência do enrolamento, permita que a corrente mínima circule nos terminais da bobina. Na prática os relés são especificados em termos da corrente que deve passar em sua bobina para uma determinada tensão (Tensão nominal de funcionamento).

Como funciona um relé
Figura 4 - Medição da resistência interna da bobina de um relé

O valor da tensão nominal da bobina e da tensão e corrente máxima da chave é geralmente informado no próprio relé como mostrado na figura 3. Porem o valor da corrente que deve circular na bobina é somente informado nos manuais de fabricante figura 5, mas podem ser facilmente calculadas pela lei de Ohms já que se pode medir a resistência interna da bobina com um multímetro na função ohmímetro figura4.

As características elétricas das chaves do relé, tensão e corrente máxima suportada, também devem ser observadas em função da aplicação, para evitar a redução da vida útil do relé ou até mesmo sua queima imediata.

Projeto de interface com relé
Figura 5 - Característica elétricas de um relé

Outra especificação importante em algumas aplicações é o tempo que o relé domara para fechar e abrir seus contatos. O tempo mínimo dos intervalos é indicado pelo fabricante que está em função da dinâmica elétrica e mecânica determinada pelas características da bobina e dos contatos respectivamente. Este valor varia de tipo para tipo e é informado tipicamente em milissegundos (ms).

Quando ocorre a interrupção da corrente na bobina as linhas de campo magnético na bobina se contraem gerando uma tensão de polaridade invertida em seus terminais, esse fenômeno bem definido pela lei de Lenz, figura 6.

Figura 6 - Efeito de desmagnetização da bobina do relé.

3.0 Projeto de Interface de Acionamento com Relé


Partindo de um caso prático onde se quer controlar uma lâmpada incandescente através de um circuito microcontrolado utilizando um relé.  Na tabela abaixo se tem as especificações da carga e do circuito de controle a ser utilizado.

Como ligar um relé com arduino PIC

Para o acionamento da carga utiliza-se um relé AY1RC2 da METALTEX de bobina 12V 30mA com contato 250V/10A para carga resistiva. O comando do relé através do microcontrolador é feita por um transistor. Pelo fato do relé necessitar 30mA para fechar seus contatos optou-se pelo transistor BC547A que atende a corrente de condução. As principais característica do BC547A estão listados na tabela abaixo.

Como ligar relé ao arduino

Com as informações fornecidas pelo fabricante pode-se dimensionar o valor da resistência a ser colocada no terminal de base do transistor. Pela tabela acima é possível determinar o valor da corrente Ib que proporciona a corrente de coletor desejada (30mA). Dessa forma pode-se calcular o valor do resistor pela Lei de Kirchhoff em tensão como na figura 7.

Como ligar um relé com Arduino PIC
Figura 7 - Projeto da interface de acionamento com relé.


A tensão Vs=5V corresponde ao estado lógico 1 que o microcontrolador PIC ou Arduino fornece, a tensão Veb é a queda de tensão entre base e emissor do transistor. Uma vez que o valor de Beta vária em função da tensão Vce e da temperatura é conveniente escolher um valor de resistência menor que o calculado, um valor de 10KΩ se torna ideal para a aplicação proposta. Vale lembrar que o mesmo procedimento pode ser aplicado a outros tipos de relês e transistores sendo esse escolhidos em função do projeto.

O diodo D1 pode ser o 1N4148 que possui uma ação rápida e suporta picos instantâneos de corrente de até 0,5A. A utilização do diodo em paralelo com a bobina do relé tem a função de suprimir a corrente induzida quando se desliga o relé. O diodo encontra-se inversamente polarizado quando o transistor conduz, mas quando o transistor é desligado o diodo é polarizado diretamente pela tensão induzida na bobina fornecendo um caminho para a corrente de desmagnetização. O caminho para a corrente induzida oferecido pelo diodo evita a queima de componentes e interferência no circuito de controle. A utilização do diodo é extremamente importante.

Como acionar um relé


4.0 Downloads


Relé - AY1RXX
Transistor - BC547A
Diodo - 1N4148


5.0 Conclusão


Os relês são uma boa alternativa para o controle de cargas, pois possuem uma baixa complexidade de funcionamento. O dimensionamento dos componentes é simples e essencial para diminuir custos e garantir o correto funcionamento da interface de acionamento.


12 comentários:
  1. Gostei muito do seu trabalho.... excelente projeto, mais tenho uma duvida sobre a corrente Ic = 30mA, no data sheet esta marcando Ic = 100mA. obrigado

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    1. Boa noite amigo,
      A corrente Ic=30mA é a corrente desejada para acionar o relé... quando relé é ligado a corrente do coletor do transistor deve ser de 30mA. De fato no datasheet a corrente Ic MÁXIMA é igual 100mA, ou seja é a corrente máxima recomendada que o transistor pode conduzir.

      Obrigado pele visita e por contribuir com o blog !

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  2. Boa tarde Guilherme. No ganho você considerou 110, contudo o correto não seria considera 10 (saturação forte)?

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    1. Boa noite Amigo,
      Não amigo o transistor utilizado possui um beta mínimo de 110 que é garantido pelo fabricante. Esse é o ganho mínimo que o transistor pode fornece em sua condições normais de operação. Betas na faixa de 10 são comuns somente para TBJ's de alta potência que não é o caso...

      Obrigado pela contribuição amigo !

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  3. Bom dia Guilherme,

    Excelente projeto, gostaria de saber se os componentes utilizados no projeto para o relé AY1RXX podem ser utilizados em um Relé 5v 10A ?

    10A 250VAC 10A 125VAC
    10A 30vdc 10A 28VDC
    SRD-05VDC-SL-C

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  4. Boa tarde Amigo,

    Você pode usar o raciocínio descrito no posto para dimensionar seu circuito.
    Meça a resistência interna da bobina do relé para determinar a corrente nominal da bobina e assim prosseguir com o dimensionamento dos demais componentes.

    Obrigado pela visita e o elogio !

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  5. Bom dia Guilherme!
    obrigado pela dica, vou fazer um circuito igual a este,
    Tenho duvida sobre a fonte de 12 v., como ligo no circuito e no arduino?
    e pretendo ligar a lampada com ciclos de 5 segundos, apaga, liga, como faço o sketch dessa programação do arduino?
    Se puder me ajudar nessa resposta, já lhe agradeço antecipadamente. Rene.

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    1. A ligação para o relé é ilustrada na figura 7. Vc pode usar a mesma fonte de alimentação do arduino ou utilizar uma fonte separada exclusiva para o relé sendo necessário referenciar o 0V do circuito do rele com o 0v do arduino.

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  6. Oi.. Queria saber como funciona a saída do relé. Você acionou uma carga de 127V e 100/127=0.78A com um relé de 250V e 10 A! Isso dá uma potência de 2500VA enquanto a lâmpada possui apenas 100W. Por que acionar a lâmpada dessa maneira nao danifica ela? O relé de alguma maneira ''sabe'' que tem que alimentar a carga de maneira apropriada? Como isso acontece?

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    1. Olá Gustavo. O relé funciona como um interruptor para a lâmpada. Não controlando sua carga, mas liberando a corrente para a mesma. A corrente que percorre o circuito é relativa ao consumo desta lâmpada. Espero ter sido claro! Sucesso em seus projetos!

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    2. Exatamente! Obrigado Cris Ribeiro !
      Como Cris mencionou a corrente que vai percorrer o circuito quando o relé é acionada é relativa ao consumo da lampada! Por exemplo, uma lampada de 100W ligada em 127V RMS vai consumir uma corrente de 1,27A RMS (Lembre-se das leis de Ohm e do pelo efeito Joule P=VI).

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