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AUTOMAÇÃO COM RELÉS DE IMPULSO
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 www.qweletronicos.com.br). 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 QW Eletrônicos.

O HARDWARE BÁSICO

O sistema de gerenciamento das cargas elétricas é constituído, aqui, por um kit arduino.

O TRANSDUTOR DE POTÊNCIA

A interface de potência é implementada com o uso de um Relé de Impulso marca QW Eletrônicos. Dentre os diversos modelos oferecidos pela empresa (veja em www.qweletronicos.com.br) o usuário poderá lançar mão do modelo QW808 (Figura 1), independentemente de o sistema elétrico de alimentação ser 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. Esse mesmo modelo, QW808, também poderá ser utilizado caso o padrão de distribuição secundária seja um sistema trifásico do tipo 220 Y / 380 V. Neste caso, a tensão entre qualquer fase e o neutro é 220 V.
Veja a seguir o esquema de ligação dos Relés de Impulso nas duas situações:

Figura 1 - QW808 – Relé de Impulso Eletrônico Compacto Com Sinalização de Carga Ligada e Efeito Memória (Dimensões: 52 x 42 x 28 mm)

Veja a seguir o esquema de ligação dos Relés de Impulso nas duas situações:

Figura 2: - Esquema básico de ligação em tensão de 127 V (sistema fase – neutro) para um Relé de Impulso Com Sinalização de Carga Ligada modelo QW808

Figura 3: - Esquema básico de ligação em tensão de 220 V (sistema fase – neutro) para um Relé de Impulso Com Sinalização de Carga Ligada modelo QW808

Note que a proposta é o desenvolvimento de um sistema para implementação de comando via uma interface digital que opera em tensão de 5 VCC. 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.
É preciso salientar que o modelo QW808 é configurado 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 todos os modelos de Relé de Impulso da QW Eletrônicos são eletrônicos e possuem internamente, como elemento de comutação da carga, um relé mono estável – com capacidade de comutação de 10 A x 250 V - 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, circuito este alimentado pelos condutores vermelho e lilás. Não importa que a rede elétrica em que o Relé de Impulso está conectado apresente tensão de 115, 127 ou 220 V, o modelo QW808 poderá ser ligado, pois trata-se de um modelo bivolt automático.
Note que nos dois esquemas apresentados (Figuras 2 e 3) o comando é feito utilizando como referência o condutor neutro: potencial onde serão ligados o pulsador de acionamento e a sinalização (quando existente). 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 4:

Figura 4: - Esquema de ligação em sistema de alimentação 127 Y / 220 V (ou 115 Δ / 230 V) para um Relé de Impulso Com Sinalização de Carga Ligada modelo QW808 e comando executado através do potencial de neutro.

A Figura 4 mostra que o Relé de Impulso pode ser ligado entre duas fases – diferença de potencial igual a 220 V entre fios vermelho e lilás – enquanto o comando pode ser feito utilizando o potencial de neutro como referência. Veja na publicação citada, que para que o Relé de Impulso QW Eletrônicos 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 250 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 VCC). 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 5A, 5B ou 5C.

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 5A ou da Figura 5B, conforme você vá ligar o Relé de Impulso em 127 V ou em 220 V, respectivamente.

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 5A ou da Figura 5B, conforme você vá ligar o Relé de Impulso em 115 V ou em 230 V, respectivamente.

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 também é o QW808 e a instalação deverá seguir o esquema mostrado na Figura 5C.

Não importa o padrão de alimentação da 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 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 microcontrolador 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 (terminal do microcontrolador configurado como saída), 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 durante 190 ms (para redes de que operam em 60 Hz, ou 220 ms para redes que operam em 50 Hz). Durante esse intervalo de tempo, a porta digital que monitora o status do Relé de Impulso, (terminal do microcontrolador configurado como entrada), deve ficar desabilitada.
Internamente, o Relé de Impulso QW808 tem o potencial do fio de comando (fio branco ou borne P1)), associado ao potencial de um dos condutores fase da rede elétrica CA (fio vermelho ou borne A1) e em decorrência esse condutor de comando (fio branco) deve ter isolação adequada para o nível de tensão dessa rede CA. A Norma NBR5410 exige que essa isolação seja classe 450 / 750 V, embora admita uma bitola mínima de 0,5 mm² para esse condutor.
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 desde que o condutor neutro da rede CA seja utilizado como referência e ligado juntamente com o potencial de terra do circuito digital. Além disso, os pulsadores para comando manual dos diversos Relés de Impulso também devem ser ligados a esse mesmo potencial de neutro.
Quando for feita uma implementação para gerenciamento de cargas elétricas utilizando a solução aqui proposta obtém-se pelo menos três ganhos em relação às soluções tradicionais que empregam relés convencionais (mono estáveis) como estágio de comutação dessas cargas:

1º - Já citado anteriormente – o sistema de comando manual via pulsadores opera de modo independente e autônomo em relação à interface digital. Isso significa que se ocorrer qualquer pane elétrica na sua placa microprocessada (por exemplo, devido a uma descarga atmosférica, ou falha de componente) você continua utilizando o sistema de acionamento das cargas no modo local, através dos pulsadores, bastando desligar a placa de interface;

2º - os transdutores de potência (os elementos que efetivamente comutam a carga – os Relés de Impulso) podem ser instalados junto à carga e não na placa de interface do seu kit arduino. Portanto, não existe um condutor de bitola elevada (pelo menos 1,5 mm², por exigência da norma NBR5410) vinculando o relé mono estável, localizado na placa arduino e a carga. Isso pode significar um alívio na taxa de ocupação de eletrodutos e economia de fios;

3º - uma vez que a placa de interface sugerida neste material de divulgação não drena da fonte que alimenta o kit arduino nenhuma corrente elevada (como por exemplo, as correntes necessárias para acionar as bobinas dos relés mono estáveis localizados junto ao microcontrolador) a fonte necessária para alimentar o hardware é extremamente leve e de tamanho reduzido.

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 QW808. Caso sua demanda exceda esse limite será necessário executar um circuito mais elaborado lançando mão de circuitos MUX e DEMUX.
Para facilitar a implementação desse hardware a QW Eletrônicos disponibiliza ao mercado além do Relé de Impulso código QW808 também a Interface Digital comercializada com o código QW174. Veja na Figura 6 uma imagem desse dispositivo.

                                                                     Figura 6 – Interface Digital – QW174