RELÉ DE IMPULSO (COM FEED BACK DO STATUS) E ARDUINO NO ACIONAMENTO DE CARGAS ELÉTRICAS

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1 RELÉ DE IMPULSO (COM FEED BACK DO STATUS) E ARDUINO NO ACIONAMENTO DE CARGAS ELÉTRICAS A abordagem que será exposta neste pequeno informativo visa oferecer alguns subsídios às pessoas que se interessam em desenvolver seu próprio hardware para utilização em acionamento do tipo on / off de cargas elétricas: desde uma simples lâmpada até outras cargas como aparelhos de ar condicionado, sistemas de irrigação e etc. Poderá servir, também, como ponto de partida para desenvolvedores profissionais que queiram implementar sistemas de maior porte com relação ao número de cargas acionadas. Se você pretende implementar uma automação na sua instalação, poderá fazê-lo por etapas. Na primeira etapa deverá instalar os Relés de Impulso podendo usufruir dos benefícios da escolha por essa tecnologia (veja em Deve, durante a execução dessa etapa, prever a localização de um quadro onde futuramente será instalado o sistema eletrônico de gerenciamento da instalação. Para esse quadro devem convergir todos os condutores de comando dos diversos Relés de Impulso. Na segunda etapa será instalado o sistema (hardware + software) que irá comandar esses mesmos Relés e, se for essa sua intenção, executar as interfaces necessárias para uma comunicação via WIFI ou via Operadora de Celular. O texto que se segue é um encaminhamento a ser observado para uma correta implementação dessa automação quando se opta pelo uso dos Relés de Impulso da QUALIWATT. O HARDWARE BÁSICO O sistema de gerenciamento das cargas elétricas é constituído, aqui, por um kit Arduino. 1

2 TRANSDUTOR DE POTÊNCIA A interface de potência é implementada com o uso de um Relé de Impulso marca QUALIWATT. Dentre os diversos modelos oferecidos pela empresa (veja em o usuário poderá lançar mão do modelo QW144 se o sistema elétrico de alimentação onde for feita a implementação for do tipo trifásico 127 Y / 220 V (sistema CESP / CPFL) ou 115 Δ / 230 V (sistema LIGHT): isto quer dizer que a tensão entre qualquer condutor fase e o neutro é 127 V no primeiro caso ou é 115 V entre duas das três fases e o neutro no segundo caso. Para um sistema trifásico onde o padrão de distribuição secundária seja 220 Y / 380 V poderá ser utilizado o modelo QW145. Neste caso, a tensão entre qualquer fase e o neutro é 220 V. Veja a seguir o esquema de ligação dos Relés de Impulso nos dois casos: Figura 1: - Esquema básico de ligação em tensão de 127 V (sistema fase neutro) para um Relé de Impulso Com Sinalização modelo QW144 2

3 Figura 2: - Esquema básico de ligação em tensão de 220 V (sistema fase neutro) para um Relé de Impulso Com Sinalização modelo QW145 Note que a proposta é o desenvolvimento de um sistema para implementação de comando via uma interface digital que opera em tensão de 5,1 VDC. Até aqui apresentamos dois esquemas de ligação onde a alimentação, o comando e a sinalização são realizados em tensão de rede. Tudo bem. Isto não é um problema, pelo contrário, é uma vantagem, pois além de você implementar uma interface digital você continua podendo acionar suas cargas via pulsadores comuns e com a possibilidade de saber se o Relé de Impulso está ou não ligado, desde que seu pulsador disponha de um led para mostrar esse status. Essa etapa inicial, a qual poderíamos chamar de pré automação, é realizada integralmente em tensão de rede CA que alimenta o imóvel. Isto implica, ainda, que se eventualmente ocorrer uma pane no seu controle digital, basta interromper a alimentação desse hardware que o comando via pulsadores continua operando de forma autônoma. Apenas lembrando que tanto o modelo QW144 quanto o modelo QW145 estão configurados de modo que quando o dispositivo (Relé de Impulso) está desligado o led eventual de sinalização localizado no pulsador de comando, ou em um quadro sinóptico, fica apagado e quando o dispositivo está ligado o led fica aceso. Você poderá constatar no endereço eletrônico já citado, que esses modelos de Relé de Impulso são eletrônicos e possuem internamente, como elemento de comutação da carga, um 3

4 relé mono estável em cujo terminal ligado ao condutor vermelho está o contato central desse relé, enquanto que ligado ao condutor preto está o contato NA. Devido ao fato desses Relés de Impulso serem eletrônicos eles necessitam de alimentação para seu circuito interno. Daí, se a diferença de potencial que alimenta esse circuito interno for 127 V você usa o modelo QW144 (fios vermelho e azul) e se essa diferença de potencial for 220 V você usa o modelo QW145 (fios vermelho e amarelo). Note que nos dois esquemas apresentados (Figuras 1 e 2) o comando é feito utilizando como referência o condutor neutro: potencial onde será ligado o pulsador de acionamento e a sinalização. Essa condição não é obrigatória quando se executa o acionamento apenas através de pulsadores (embora seja recomendável: veja a publicação citada). No entanto, como nosso objetivo é a implementação também de uma interface digital a adoção dessa solução torna-se impositiva. Uma vez colocadas estas considerações iniciais veja o esquema mostrado na Figura 3: Figura 3: - Esquema de ligação em sistema de alimentação 127 Y / 220 V (ou 115 Δ / 230 V) para um Relé de Impulso Com Sinalização modelo QW145 e comando executado através do potencial de neutro. A Figura 3 mostra que o Relé de Impulso pode ser ligado entre duas fases (diferença de potencial igual a 220 V, portanto fios vermelho e amarelo no Relé de Impulso), enquanto o 4

5 comando pode ser feito utilizando o potencial de neutro como referência. Veja na publicação citada, que para que o Relé de Impulso QUALIWATT seja acionado basta existir uma diferença de potencial entre os condutores vermelho e branco (via pulsador) e essa diferença de potencial pode variar entre 90 e 230 V. A INTERFACE DIGITAL A execução da interface digital para acoplamento ao Arduino poderá ser simplificada com a adoção das sugestões a seguir. Você poderá utilizar como fonte de alimentação para o seu kit Arduino uma fonte de telefone celular (saída de 5,1 VDC). Certifique-se que a saída dessa fonte seja isolada em relação à entrada de energia (ou seja, não deve existir nenhuma conexão galvânica entre entrada e saída da sua fonte: isso normalmente ocorre com essas fontes chaveadas disponíveis no mercado). Identifique o terminal negativo dessa fonte e conecte-o ao potencial de Neutro da rede CA de alimentação. É importante que a instalação elétrica onde será feita a implementação do comando seja protegida com D.P.S. (Dispositivo de Proteção contra Surtos) conforme prevê a Norma NBR5410 (Instalações Elétricas de Baixa Tensão), além de ser conveniente também o uso de um D.P.S. de menor capacidade junto ao seu circuito eletrônico. Uma vez feito isso, você poderá executar o seu hardware de modo que a Célula de Acionamento e Aquisição do Status do Relé de Impulso seja implementada como mostrado nas Figuras 4A, 4B ou 4C. Alimentação Padrão CESP / CPFL Se o fornecimento de energia na sua instalação é padrão 127 Y / 220 V: (onde a tensão entre qualquer fase e neutro é 127 V e a tensão entre duas fases quaisquer é 220 V) adote o esquema da Figura 4A ou da Figura 4B, conforme você vá ligar o Relé de Impulso em 127 V ou em 220 V, respectivamente. 5

6 Alimentação Padrão LIGHT Se o fornecimento de energia na sua instalação é padrão 115 Δ / 230 V (onde a tensão entre qualquer de duas fases e neutro é 115 V e a tensão entre duas fases quaisquer é 230 V) adote também o esquema da Figura 4A ou da Figura 4B, conforme você vá ligar o Relé de Impulso em 115 V ou em 230 V, respectivamente. Figura 4A: - Célula de acionamento e aquisição do status do Relé de Impulso (QW144) (Neutro da rede CA e Terra interno do circuito eletrônico em comum) Figura 4B: - Célula de acionamento e aquisição do status do Relé de Impulso (QW145) (Neutro da rede CA e Terra interno do circuito eletrônico em comum) 6

7 Alimentação Padrão 220 Y / 380 V Neste padrão a tensão entre qualquer condutor fase e o neutro é 220 V e a tensão entre quaisquer duas fases é 380 V. O Relé de Impulso a ser utilizado é o QW145 e a instalação deverá seguir o esquema mostrado na Figura 4C. Figura 4C: - Célula de acionamento e aquisição do status do Relé de Impulso (QW145) (Neutro da rede CA e Terra interno do circuito eletrônico em comum) Não importa o padrão de alimentação da sua instalação, qualquer que seja o caso a implementação da Célula de Acionamento e Aquisição do Status do Relé de Impulso é bastante simples e permite ao mesmo tempo, realizar tanto o acionamento quanto a aquisição do estado em que o Relé de Impulso se encontra. O ramo destinado ao acionamento é composto por um SCR de baixa corrente (MCR 100-8, por exemplo) que possui um resistor R1, limitador da corrente no seu gatilho, e um diodo D1 (1N4007) para prevenir qualquer retorno de potencial da rede de alimentação em corrente alternada à placa eletrônica. O ramo destinado à aquisição do status do Relé de Impulso é constituído de um opto acoplador com saída a transistor (4N25, por exemplo) que terá seu primário excitado por uma corrente proveniente do Relé de Impulso, limitada pelo resistor R2 e direcionada pelo diodo D2 (1N4007). No secundário do opto acoplador seu terminal 5 é ligado no potencial VDD da fonte enquanto o terminal emissor é ligado a um resistor R3. Durante o tempo em que o Relé 7

8 de Impulso se mantiver no estado ligado o sinal na saída do secundário do opto acoplador (terminal 4) será pulsado. Quando o Relé de Impulso passar para o estado desligado esse sinal vai ao potencial de terra interno do circuito eletrônico. Caso você prefira trabalhar com o monitoramento do status do Relé de Impulso terminal 4 do opto acoplador utilizando a porta do microprocessador ajustada para ser sensível a nível, ao invés de ser sensível a borda, será necessário acrescentar o capacitor C ligado em paralelo com o resistor R3. Operação da Célula Para que a Célula funcione corretamente o terminal B será ligado ao potencial de Neutro da rede CA de alimentação. O terminal de terra do circuito eletrônico interno está conectado a esse mesmo potencial Neutro. Quando houver nível lógico alto na saída do circuito digital esse sinal será aplicado ao gatilho do SCR e daí fluirá ao potencial de terra do circuito eletrônico, abrindo um caminho de condução entre o ponto A (ligado ao condutor branco fio de comando do Relé de Impulso) e o Neutro da rede CA. Nessa condição o Relé de Impulso irá comutar. Para garantir com segurança a mudança de estado do Relé de Impulso, o nível alto na saída do circuito digital deve ser aplicado aproximadamente durante 100 ms. Durante esse intervalo de tempo, a porta digital que monitora o status do Relé de Impulso deve ficar desabilitada. Internamente, os Relés de Impulso QW144 e QW145 têm o potencial do fio de comando (fio branco), associado ao potencial de um dos condutores fase da rede elétrica CA (fio vermelho do Relé de Impulso) e em decorrência esse condutor de comando deve ter isolação adequada para o nível de tensão dessa rede CA. A Norma NBR5410 exige que essa isolação seja classe 450 / 750 V. Outro detalhe, a instalação fatalmente terá cargas ligadas a fases diferentes e em consequência os Relés de Impulso utilizados terão seus condutores vermelhos ligados a qualquer uma das fases da rede CA. Essa condição de conexão não causa qualquer tipo de problema. 8

9 Os modelos de placa Arduino disponíveis no mercado variam muito em termos de capacidade de processamento e número de terminais I/O. Numa rápida busca pode-se encontrar versões com até 54 terminais de acesso digital. Isso seria suficiente para o acionamento e monitoramento de até 27 cargas elétricas comandadas por Relés de Impulso QW144 e / ou QW145. Caso sua demanda exceda esse limite será necessário executar um circuito mais elaborado lançando mão de circuitos MUX e DEMUX. 9