Entrada 24V para Arduino e PIC 2

Em máquinas e dispositivos industriais, é muito comum utilizar a tensão de 24Vcc em sensores e atuadores. Esse artigo te ensinará um circuito eletroeletrônico capaz de ler esses sinais de maneira segura, eficaz, com baixo consumo e opto isolada.

Entrada 24V para Arduino e PIC

A proposta desse circuito é que você possa monitorar sinais e fazer seu próprio sistema supervisório ou sua lógica de operação! Isso mesmo! Agora você poderá fazer a interface lógica entre dispositivos gerais e o seu microcontrolador.

Material necessário

Para reproduzir o projeto, você precisará de:

  • 01 x Fonte de alimentação 24Vcc (ou um sensor instalado em máquina que tenha esse nível de tensão);
  • 01 x Fonte de alimentação 5Vcc (deve ser a mesma fonte do seu microcontrolador ou Arduino e obrigatoriamente com GND separado da primeira fonte);
  • 01 x 74HC14;
  • 01 x 4N25;
  • 01 x LED Verde;
  • 01 x Diodo Zener 12V 1N4742A;
  • 01 x Resistor 1k;
  • 01 x Resistor 4k7;
  • 01 x Diodo Supressor SMBJ40A;
  • Jumpers (macho-macho).

Entrada 24V para Arduino e PIC

Explicação do circuito

O princípio de funcionamento é tranquilo de entender. Quando houver 24Vcc na entrada do circuito, a partir da chave fechada, a saída do circuito terá 5Vcc para o acionamento da entrada digital do seu microcontrolador. Quando houver ausência de tensão ou 0V na entrada do circuito, seu microcontrolador receberá 0V no pino digital. Esse ponto é bem interessante, pois ausência de tensão (flutuante) e 0V são coisas distintas, mas este circuito é capaz de detectar ambas as condições e interpretar como nível lógico baixo.

Com exatos 7 componentes (exclusos as fontes e chave simulando sensor), o circuito é bem simples e explicarei separadamente a função de cada componente.

Entrada 24V para Arduino e PIC

  • V1 + Chave 02 estados – A fonte de alimentação 24Vcc e a chave ON-OFF estão simulando um sensor em máquina ou dispositivo industrial. Importante atentar-se que o 0V da fonte não está misturado ao GND do microcontrolador. Essa característica é muito importante, qualquer anormalidade como sobre tensão ou ruído externo não influenciará seu PIC, ATmega ou Arduino (qualquer que seja o microcontrolador que deseja utilizar);
  • R1 | 1kΩ – Esse resistor funciona como limitador de corrente para o circuito;
  • D1 | 1N4742A – O diodo zener funciona como divisor de tensão para o circuito. Sua tensão de zener é 12V, então podemos considerar que metade do valor nominal do sinal de leitura ficará sobre o diodo;
  • D2 | LED Verde – Esse diodo emissor de luz tem a função de ser indicativo de sinal ON ou OFF. Se o sensor estiver acionado, o LED estará aceso. Se o sensor estiver desacionado, o LED estará apagado;
  • D3 | Diodo Supressor SMBJ40A – Tem a função de proteger seu circuito de sobre tensão. Se o surto for breve, o diodo “drena” sem danos permanentes. Se a tensão permanecer alta por muito tempo, ele entrará em curto circuito permanente e toda a tensão V1 ficará sobre R1;
  • U1 | 4N25 – O Optoacoplador opera por meio de um feixe de luz. Consegue acionar o transistor da saída somente acendendo o LED de sua entrada, sem necessidade de corrente elétrica entre sua entrada e sua saída. Daí a origem do nome acoplador ótico. Utilizamos então para fazer o interfaceamento lógico de maneira segura e eficaz entre a entrada 24V e o sinal que acionará o pino do seu microcontrolador;
  • R2 | 4k7Ω – Resistor de Pullup para entrada do U2 74HC14. Quando não há tensão na entrada do circuito (chave aberta), o resistor R2 tem a função de manter o nível lógico alto na entrada da porta inversora. Esse resistor também funciona como carga para o transistor interno do opto acoplador;
  • U2 | 74HC14 – Ele é uma porta inversora com Schmitt Trigger. Idealmente V1 tem 24Vcc, mas na prática isso pode variar + ou – 20%, o que significa que V1 pode ter entre 19,2Vcc e 28,8Vcc. Então uma das funções deste CI é manter 5V para o seu microcontrolador independentemente de qual valor, dentre essa faixa, estará a fonte V1. Outra função do 74HC14 é fazer um filtro evitando transições abruptas quando houver algum tipo de ruído no sinal.

Entrada 24V para Arduino e PIC

Resultados na bancada

Realizei algumas medições elétricas no circuito após montado e vou compartilhar aqui com vocês.

  • Consumo: A corrente na entrada do circuito foi aproximadamente 10mA. Relativamente baixa, visto que a proposta do projeto é ler um sinal de automação 24Vcc. Observação: Essa não é a corrente que entra no pino digital do microcontrolador! Ela é do circuito de entrada digital 24V, não de saída;
  • Tempo de resposta: Realizei um comparativo entre o sinal de estímulo (entrada) e de saída (que irá para o microcontrolador). A resposta ao degrau unitário demorou 3,1~3,4ns. Dê uma olhadinha na imagem da tela do osciloscópio e comente o que achou.

Em verde a entrada 24V e em amarelo a saída 5V.

Entrada 24V para Arduino e PIC

Sugestões de aplicações para o projeto:

  • Monitoramento de sinais: Coletar dados de forma redundante (em paralelo) de sinais críticos para o processo da produção de produtos e enviar a informação para a Internet utilizando o microcontrolador ESP8266, aplicando assim conceitos de IoT (Internet of Things – Internet das Coisas);
  • Montar um sistema supervisório: Monitorar quantas vezes o ciclo de uma máquina foi interrompido e acompanhar outro sinal, de quantos ciclos foram completos, complementando informações para gerar um relatório final de OEE (Overall Equipment Effectiveness – O Principal indicador de efetividade global de um equipamento).

Embora seja um circuito sem alta complexidade de compreensão, sua aplicação é bem ampla e sólida. Já utilizei para monitorar sinais em máquinas e dispositivos reais e sua robustez pôde ser testada em ambientes industriais.

Entrada 24V para Arduino e PIC
Funcionamento e testes do protótipo | Fonte: Autoral

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2 Comentários

  1. Eduardo, gostei muito do circuito. Seria possível eliminar o circuito e colocar o sensor -qualquer com SSR 3_24V e o mesmo controlando um motor 3~ ou 2~ ( N+F ou F+F) , ou motor DC (- e +) que liga um SSR, na linha AC ou DC de alimentação, através da bobina de um contactor ou através de corte na linha de alimentação das cargas .
    A intenção é simplificar o circuito sugerido e fazer a interface direta sem Arduino ou, ESP32XX ou, PIC ou, Raspberry , ou CIs sem internet, um controle direto entre o opto acoplador do SSR e o sensor com sua própria fonte.
    É possível e com segurança?

    1. Olá Cid. Obrigado pelo comentário, fico feliz que você tenha gostado.

      Sobre a sua necessidade, é difícil eu dar uma opinião técnica assertiva somente com a visão macro.
      Quando você tiver encontrado a solução, peço que compartilhe-a conosco.
      Grande abraço.

      Eduardo de Castro Quintino