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Conceitos NPN, PNP e Coletor Aberto: como usar na CPB

As nossas CPBs podem ser utilizadas em diversas aplicações, isso é possível graças ao conceito infinity aplicado nelas. Essa funcionalidade permite a configuração do hardware de formas diferentes, sem a necessidade de alterar o projeto.


Os optoacopladores das CPBs podem ser utilizados como entradas e saídas. As entradas podem ser usadas como PNP ou NPN e as saídas como coletor aberto, essas configurações podem ser alteradas realizando pequenas modificações no hardware.


Nesse blog vamos conhecer um pouco mais sobre as diferenças entre entradas PNP, NPN e saídas coletor e emissor aberto, com exemplos de aplicação.


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Sumário

  1. Entradas PNP e NPN

  2. Saídas Coletor e emissor abertos

  3. Configurações da CPB



1. Entradas PNP e NPN


A nomenclatura PNP e NPN está muito presente na automação, principalmente quando falamos de sensores, porém, também pode ser encontrada em outros dispositivos, como por exemplo, inversores de frequência. Mas o que de fato isso significa?


Essas siglas descrevem qual a polaridade do sinal de saída do sensor, ou seja, se ele manda VCC ou GND. Pensando a saída do sensor como uma chave, se ela for PNP liga o terminal de saída na sua alimentação positiva, enquanto as NPN ligam na alimentação negativa.


Na figura a seguir podemos ver um exemplo de um sensor indutivo PNP, quando o sensor não está detectando o objeto metálico a saída está em alta impedância. Quando o objeto está próximo ao sensor a saída será a tensão positiva de alimentação do sensor, VCC.



Na próxima figura temos um exemplo de um sensor indutivo NPN, quando o sensor não está detectando o objeto a saída fica em alta impedância. Porém, agora nesse quando o objeto está próximo ao sensor a saída será a tensão negativa de alimentação do sensor, GND.



Na figura a seguir temos um exemplo de como ligar uma carga em cada tipo de sensor.



A lógica é a mesma para as entradas, uma entrada NPN é ativada quando recebe GND, ou a tensão negativa de alimentação. Já uma entrada PNP é acionada quando recebe alimentação positiva. No caso das CPBs utilizamos optoacopladores, o que diferencia as duas entradas é a polaridade do LED, como pode ser visto na figura a seguir.



Utiliza-se optoacopladores nesse tipo de aplicação para isolar o microcontrolador do mundo externo, dessa forma, qualquer problema ou interferência gerada pelos equipamentos externos não chega a ele. Esse isolamento é possível pois as informações são transmitidas das entradas para a saída do optoacoplador pela luz, evitando contato elétrico entre elas.



2. Saídas Coletor e emissor abertos


Essas saídas comportam-se de forma muito parecida com as dos sensores já mencionados. O coletor aberto funciona de maneira similar ao sensor NPN, ligando a saída ao GND através do coletor do transistor e ela é bastante utilizada para acionar dispositivos industriais. Enquanto a saída emissor aberto é parecida com o sensor PNP, ligando a saída ao VCC e ela é usada para comunicação com dispositivos Arduino, por exemplo, módulos relé. Nas CPBs temos somente saída coletor aberto, implementadas utilizando optoacopladores, porém, aqui também vamos abordar as saídas emissor aberto.


Para uma saída coletor aberto é necessário ligar o emissor do fototransistor ao GND de campo (mundo externo) e o coletor será a saída, de modo que ela será ligada ao GND quando o optoacoplador for ligado. Na figura a seguir podemos ver um exemplo de circuito.



No gráfico em azul temos a saída da ESP32 e em vermelho a saída, em coletor aberto. Percebemos que quando a saída do microcontrolador vai para nível alto, ligando o led, a saída do optoacoplador vai para zero, ligando a carga ao GND de campo. Notamos também que existem dois GNDs diferentes, isso ocorre devido ao isolamento criado pelo optoacoplador, portanto, tem-se o GND do microcontrolador e o da carga.


Na figura a seguir podemos ver um exemplo de circuito emissor aberto. Agora temos o coletor do fototransistor ligado diretamente ao VCC de campo, enquanto a carga está colocada no emissor. Nos gráficos, em azul temos a saída do microcontrolador e em vermelho a saída do fototransistor, percebemos que quando o pino vai para nível lógico alto a carga recebe VCC.



Devemos sempre lembrar que estamos acionando um fototransistor, portanto, temos que tomar cuidado com a corrente necessária para acionar a carga, que no caso do PC817 fica em torno de 50mA.



3. Configurações da CPB


Os exemplos citados nesse tópico são referentes à CPB32, porém, os procedimentos são exatamente os mesmos nas CPB UNO e MEGA. A CPB possui oito optoacopladores, configurados por padrão, como quatro entradas NPN e quatro saídas coletor aberto. Porém, elas podem ser facilmente reconfiguradas fazendo pequenas alterações.



Primeiramente vamos entender como configurar uma saída como entrada e o contrário. Na figura a seguir podemos ver os oito optoacopladores da placa, os quatro de cima são entradas e os de baixo são saídas. Para trocar qualquer um deles basta inverter o optoacoplador e trocar o resistor, à esquerda do componente, 1k para as saídas e 3k9 para as entradas.



Na parte inferior da placa, exatamente embaixo dos optoacopladores, temos os jumpers que permitem configurar as entradas como PNP ou NPN e as saídas como coletor aberto. Mostrado na figura a seguir.



Para configurar é necessário somente abrir alguns pontos e curto circuitar outros. Desta forma pode-se, por exemplo, rapidamente trocar uma entrada de NPN para PNP. Na figura a seguir podemos ver de maneira mais clara os contados e como eles estão configurados por padrão.



Na tabela a seguir podemos ver como devem ficar as ligações para cada configuração, em vermelho indica-se os pontos que devem ficar em aberto e em azul os que devem ser soldados.



Na figura a seguir podemos ver um exemplo de como ligar um sensor NPN em uma das entradas. Nesse exemplo temos uma fonte externa que representa a alimentação de campo. Perceba que a saída do sensor está ligada no primeiro optoacoplador, através do primeiro terminal do conector. Os últimos dois terminais do conector devem ser ligados diretamente na fonte, para que o circuito da placa receba VCC e GND de campo.



Na próxima figura temos um outro exemplo, onde temos um botão ligado na primeira entrada NPN e um LED que é acionado pela saída em coletor aberto. Perceba que um terminal do led está conectado ao V+ da fonte e outro está na saída, pois, o optoacoplador conecta esse ponto ao V- da fonte. Já o botão deve ligar a entrada ao V- da fonte, portanto, um dos seus terminais deve ser ligado ao V- da fonte e outro na entrada NPN.



Podemos ver a versatilidade das entradas e saídas optoacopladas da CPB32, que podem ser facilmente reconfiguradas de acordo com as necessidades do projeto. Lembrando que essas mesmas regras valem para as CPB UNO e MEGA. Para mais detalhes veja esses dois vídeos onde explicamos um pouco mais sobre esse tema.


Autor: Thales Ferreira



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Autor: Thales Ferreira


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