Diagrama de fiação do sensor de proximidade: conexões PNP, NPN, de 2 fios e de 4 fios

Se você pesquisou por “diagrama de fiação do sensor de proximidade”, provavelmente tem uma de duas coisas à sua frente. Ou um sensor novinho em folha e uma entrada que precisa dele para funcionar, ou um sensor antigo cuja etiqueta se desfez há anos. Ambos os trabalhos exigem a mesma habilidade. Você precisa ler o diagrama de fiação entendendo o que a saída do sensor realmente faz, em vez de memorizar um desenho e torcer para que ele corresponda à sua unidade.

Este guia aborda todo o processo: o circuito em loop de três fios comum a todos os diagramas, os tipos de saída que determinam a forma de conexão (PNP, NPN, 2 fios, 4 fios, relé), como identificar um sensor sem etiqueta e associá-lo à placa de entrada do seu PLC, e o que anotar antes de solicitar uma peça de reposição. Os sensores indutivos, capacitivos e fotoelétricos são todos conectados da mesma maneira. O princípio de detecção não altera o diagrama de fiação; portanto, tudo o que está descrito a seguir se aplica aos três tipos.

Como interpretar um diagrama de fiação de um sensor de proximidade: os três fios e o circuito em loop

Todo diagrama de sensor de proximidade CC, por mais confuso que seja, é um circuito representado de três maneiras: uma fonte de alimentação, um interruptor e uma carga. O sensor é o interruptor. A única questão que um diagrama de fiação responde é onde esse interruptor se localiza no circuito. Para um sensor de três fios, a resposta está sempre representada pelas mesmas três cores.

Um sensor de proximidade de corrente contínua de 3 fios possui exatamente três conexões, padronizadas pela norma EN 60947-5-2 (Base de Conhecimento da Pepperl+Fuchs):

• Brown (BN): oferta positiva
• Azul (BU): alimentação negativa / 0 V
• Preto (BK): saída comutada

O marrom e o azul são os fios de alimentação; eles são os mesmos em todos os sensores de 3 fios que você encontrará. O fio preto é onde tudo acontece. É a saída do interruptor e, por si só, não faz nada. Um interruptor só funciona quando há uma carga conectada ao outro lado dele. O fio de saída deve ser conectado através da sua carga (uma entrada de PLC, bobina de relé ou contator) de volta ao oposto trilho de alimentação. Um sensor com os fios marrom e azul ligados à alimentação, mas com um fio preto sem terminação, é um interruptor sem nada para ligar ou desligar.

Mais duas coisas a serem observadas antes de prosseguir. Primeiro, esse código de cores segue a convenção da norma EN 60947-5-2, não é uma lei da física: sensores antigos, alguns tipos de CA e uma minoria de unidades mais econômicas utilizam outras cores. Quando o diagrama e os fios não corresponderem, confie no diagrama e verifique com um multímetro (o método de identificação está nas próximas seções). Segundo, se você pesquisou por “diagrama de fiação de sensor de proximidade indutivo” ou “diagrama de fiação de sensor fotoelétrico”, pare de procurar por um desenho diferente. O elemento sensor (bobina indutiva, placa capacitiva ou receptor óptico) fica dentro do invólucro e nunca aparece na fiação. Apenas o estágio de saída aparece.

Os tipos de saída determinam a fiação: PNP/NPN de 3 fios, 2 fios, 4 fios, relé

Os três fios são os mesmos em todos os esquemas. O que muda de um esquema para outro é o trilho para o qual o fio de saída preto se conecta. Esse é o tipo de saída do sensor, e é a única informação que determina qual esquema se aplica ao seu aparelho.

PNP e NPN de 3 fios (os tipos que você encontrará com mais frequência)

A maioria dos sensores de proximidade industriais vendidos atualmente são do tipo CC de 3 fios, e os modelos de 3 fios apresentam dois tipos de saída que compartilham as mesmas cores:

• PNP (saída “sourcing”): quando o sensor detecta seu alvo, o fio preto é comutado para o positivo trilho. A saída fontes corrente para a sua carga. O outro lado da carga fica em 0 V.
• NPN (saída “de descida”): quando o sensor detecta seu alvo, o fio preto é comutado para o negativo trilho. A saída pias corrente da sua carga. O outro lado da carga é conectado a +24 V.

Uma estratégia para facilitar a memorização sobrevive ao trabalho de campo: PNP = ativado Ppositivo, NPN = comutado NNegativo. As cores dos fios são idênticas: marrom no +, azul no − e preto na entrada. Se você comparar lado a lado um esquema de PNP e um de NPN, eles diferem exatamente em um único detalhe: o ponto de conexão da extremidade mais distante da carga.

A maioria dos sensores CC de três fios aceita uma tensão de alimentação de aproximadamente 10 a 30 V CC (verifique a placa de identificação para saber a faixa de tensão do seu aparelho antes de ligá-lo), e a grande maioria é fornecida na configuração normalmente aberta (NO). A saída muda de estado quando um alvo entra na faixa de detecção. Existem versões normalmente fechadas (NC), que são comuns em circuitos de segurança e antiencravamento, abordados na seção de pedidos abaixo.

Tipos de 2 fios e CA

Um sensor de proximidade de 2 fios não possui fio de saída separado. O interruptor do sensor é conectado em série com a carga, exatamente como um interruptor de fim de curso ou um interruptor de flutuação. A corrente passa pelo sensor, pela carga e volta. A alimentação e o sinal compartilham os mesmos dois fios. Essa topologia em série gera as duas características que costumam confundir as pessoas:

• Corrente de fuga fora do estado. Um sensor de 2 fios não pode ser um interruptor totalmente aberto; ele precisa de uma pequena corrente para alimentar seus próprios componentes eletrônicos quando está “desligado”. Esse vazamento de corrente costuma ficar na faixa de 1 a 2 mA (alguns tipos apresentam valores menores nas especificações, outros maiores: verifique a ficha técnica do corrente em estado desligado). Se a entrada do PLC ou o relé na outra extremidade precisar de menos corrente do que essa para desligar, a entrada nunca fica na posição “desligada”, e o sensor parece estar permanentemente ligado. Essa é a clássica reclamação do “sensor de dois fios que nunca desenergiza”. A solução padrão em campo é um resistor de dissipação: um resistor de 10 kΩ conectado em paralelo à entrada (dimensionado para a tensão, com pelo menos 0,5 W a 24 V), para que o vazamento tenha para onde ir.
• Queda de tensão no estado ativo. Quando está “ligado”, um dispositivo em série sofre uma queda de tensão em seu próprio circuito. A carga recebe a tensão de alimentação menos a tensão residual do sensor; portanto, uma carga de 24 V que esteja no limite pode apresentar desempenho inferior ao esperado. Sempre verifique se a carga é capaz de suportar essa queda de tensão.

Os sensores de 2 fios CC são sensíveis à polaridade (inverter os fios marrom e azul danifica muitas unidades; verifique se há proteção integrada contra polaridade invertida). Os sensores de 2 fios CA (normalmente de 110 a 240 V CA) não são sensíveis à polaridade. É possível conectá-los em qualquer direção, e é por isso que os antigos sensores de proximidade CA são tão comuns em obras de adaptação. Os modelos CA seguem a mesma lógica de corrente de fuga, mas com uma saída do tipo triac, e geralmente estão sendo substituídos pelos modelos CC em painéis novos.

Saída de 4 fios e de relé

• Sensores de 4 fios possuir dois fios de alimentação e dois fios de saída: normalmente, uma saída normalmente aberta e uma normalmente fechada (ou, em alguns modelos, saídas PNP e NPN complementares) que comutam simultaneamente. Conecte o par que você precisar; a saída não utilizada simplesmente fica sem conexão. Use um modelo de 4 fios quando seu circuito realmente precisar de ambos os estados: um sinal de “peça presente” para o PLC e um sinal de “peça ausente” para um indicador, por exemplo.
• Sensores com saída de relé coloque um contato seco dentro do invólucro. A saída é um contato isolado que comuta corrente alternada (CA) ou contínua (CC), independentemente da alimentação do próprio sensor. Esse isolamento torna as unidades com saída de relé as mais fáceis de adaptar a qualquer entrada, em troca de uma resposta mais lenta e de uma vida útil mecânica limitada. Elas são mais adequadas para detecção de baixa frequência (portas, posições, nível) do que para contagem em alta velocidade.

Antes de fazer a conexão: identifique o tipo de saída e escolha a placa de entrada compatível

A maioria das falhas na fiação não são, na verdade, falhas na fiação. Elas são incompatibilidade falhas. O sensor estava funcionando bem, o esquema estava correto, e os dois simplesmente não concordavam sobre qual trilho a saída deveria selecionar. Esta seção esclarece isso antes de você ligar qualquer coisa: identifique qual é o seu sensor, identifique quais são as necessidades da sua entrada e só então conecte os dois.

Passo 1 — Identifique o sensor: não tem etiqueta? Use um medidor

Se o sensor tiver uma placa de identificação, verifique nela o tipo de saída: PNP, NPN, CC de dois fios ou o código do modelo do fabricante que corresponda a um desses tipos. Se a etiqueta estiver desgastada ou se o sensor tiver vindo de uma linha desativada, utilize o teste de dois fios:

1. Alimente o sensor: o fio marrom em +24 V e o azul em 0 V, a partir de uma pequena fonte de alimentação CC.
2. Ajuste o multímetro para voltagem CC. Coloque a ponta vermelha em +24 V e a ponta preta no fio preto (de saída).
3. Aproxime um alvo (um parafuso de aço serve para os tipos indutivos) da superfície de detecção e leia a tensão enquanto ele estiver sendo detectado e, novamente, quando não estiver.

Se a leitura ficar próxima de 24 V quando for detectado e próxima de 0 V quando estiver desativado, a saída será puxada para o nível negativo quando estiver ativa. Isso é um NPN unidade. Se o comportamento for o contrário (próximo a 0 V quando detectado, próximo a 24 V quando não há sinal), a saída passa a ser positiva. Isso é um PNP unidade. Uma leitura que nunca muda indica que a unidade está normalmente fechada (conecte e desconecte o alvo e compare) ou que o sensor está com defeito. Observe que uma saída sem carga pode apresentar flutuação ambígua em alguns projetos. Se as leituras parecerem imprecisas, faça o teste com uma pequena carga conectada (uma bobina de relé ou uma entrada de PLC).

Os testadores de sensores específicos fazem isso automaticamente: basta conectar os fios marrom, azul e preto, e um indicador PNP/NPN acende. Se você troca os sensores regularmente, o testador se paga em dez minutos de tempo economizado, sem ter que ficar adivinhando.

Etapa 2 — Identifique o fluxo: de entrada ou de saída, e por que todo mundo discute sobre isso

Aqui está a frase que resolve todas as discussões sobre PNP/NPN em todos os fóruns: O fabricante do sensor denomina a saída de acordo com o tipo do transistor (PNP ou NPN), enquanto o fabricante do PLC denomina a entrada de acordo com a direção da corrente que ela aceita (sourcing ou sinking). Os dois vocabulários descrevem o mesmo emparelhamento a partir de extremos opostos.

• A Sensor PNP fontes corrente que sai do fio preto, de modo que aciona um afundando entrada (a corrente flui para a entrada).
• Um Sensor NPN pias corrente a partir de sua entrada, de modo que aciona um abastecimento entrada.

“Fonte” e “dreno” são sempre definidos a partir do dispositivo que você está analisando. É por isso que a afirmação de um engenheiro de que “um sensor de fonte precisa de uma entrada de dreno” é, para outro, um “módulo de entrada de dreno”, e é por isso que catálogos e postagens em fóruns parecem se contradizer. Quando uma ficha técnica te deixar confuso, desenhe o circuito de corrente. A corrente da saída PNP deve fluir em o terminal de entrada da placa e a saída do terminal comum da placa. Seja qual for o nome que a placa dê a essa disposição, se o circuito se fechar dessa forma, eles se encaixam.

Na prática, as convenções regionais se dividem claramente:

• Europa e América do Norte padronize o uso de sensores PNP com entradas de tipo “sinking”. A maioria das entradas digitais dos controladores Siemens S7-1200/S7-1500 e Rockwell ControlLogix/CompactLogix são entradas de tipo 1 “sinking”, projetadas para sensores PNP de 3 fios (suporte do SiePortal da Siemens para entradas de tipo 1 no S7-1200: referência do fórum; O 1756-IB16 da Rockwell é um módulo de entrada do tipo “sinking” conectado a sensores PNP do tipo “sourcing”, conforme os dados técnicos do 1756-TD002: Material informativo da Rockwell).
• Japão e grande parte da Ásia Essa padronização surgiu logo no início dos sensores NPN com entradas de polarização positiva. Os controladores da Mitsubishi e da Omron geralmente vêm com placas de entrada que esperam que o lado negativo seja ativado. Isso se deve ao fato de que o estágio de saída requer um transistor a menos, e não a uma diferença de desempenho.

A única precaução técnica relacionada ao NPN: uma saída NPN fica “ligada” quando seu transistor está em contato com o terra; portanto, um curto-circuito para o terra no fio de sinal parece ser um sinal válido. Em circuitos em que um falso “ligado” representa perigo (intertravamentos de segurança, monitoramento de parada de emergência), são preferíveis saídas PNP ou de relé. Nesse caso, um fio rompido ou em curto-circuito entra em falha na posição “desligado” ou, pelo menos, é detectável.

Etapa 3 — Você já comprou o tipo errado. Soluções práticas, em ordem de permanência

Essas incompatibilidades acontecem com todo mundo: um lote inteiro encomendado como PNP para um circuito de catodo, um sensor NPN retirado do estoque para uma entrada de alimentação. Existem três soluções, que diferem quanto ao seu caráter permanente.

1. Relé de interface (a solução duradoura). A saída do sensor aciona uma pequena bobina de relé; o contato do relé aciona a entrada. Uma saída PNP conectada a uma entrada de fonte ou uma saída NPN conectada a uma entrada de dissipador são ambas convertidas de forma limpa dessa maneira. O custo é de um relé e um pouco de espaço no painel, mas a conversão é eletricamente isolada, imune a problemas relacionados ao nível lógico e fácil de ser compreendida pela equipe de manutenção posteriormente.
2. Resistor pull-up/pull-down (a solução rápida, com limites reais). Um sensor NPN conectado a uma entrada de fonte pode ser ajustado com um resistor pull-up do terminal de entrada até +24 V; um sensor PNP conectado a uma entrada de dissipador, com um resistor pull-down até 0 V. Os valores iniciais típicos são 10 kΩ (0,5 W a 24 V). Mas isso tem um custo: o resistor adiciona uma carga de corrente permanente à saída do sensor; portanto, um valor subdimensionado causa superaquecimento e, com o tempo, destrói o transistor de saída. Se você usar essa solução provisória, meça a corrente real, escolha um resistor com capacidade nominal de pelo menos o dobro da dissipação calculada e trate-o como uma solução temporária até que a unidade correta chegue.
3. Substitua o módulo de entrada. Vale a pena quando vários sensores compartilham uma placa.

Por que um desajuste direto geralmente não destruir alguma coisa? A impedância interna de uma entrada de PLC limita a corrente a alguns miliamperes, o que é seguro. O modo de falha de um descompasso é “a entrada nunca é energizada” ou “a entrada está sempre energizada”, e não a emissão de fumaça. É também por isso que um sensor descompassado pode parecer inoperante quando, na verdade, está em perfeito estado de funcionamento. A conexão incorreta não queima o sensor; ela simplesmente nunca completa um circuito que a entrada possa detectar.

Vai trocar um sensor? Sete especificações que você deve anotar antes de fazer o pedido

Depois de identificar o tipo do sensor antigo e os requisitos da sua placa de entrada, é na hora de encomendar a peça de reposição que as incompatibilidades realmente começam comprado. Um sensor que se encaixa em sete pontos é instalado em poucos minutos. Um sensor que se encaixa em seis pontos chega, não funciona e é devolvido. Antes de fazer o pedido, anote o seguinte:

Verifique essa lista linha por linha, comparando com o código de tipo da placa de entrada, antes de clicar em “Encomendar”. Duas observações. Primeiro, NC não é uma preferência; é uma decisão relacionada ao circuito. Em um circuito de detecção de parada ou de proteção, um sensor que apresenta falha em aberto quando o fio se rompe é a opção mais segura; portanto, NC deve ser usado nesses casos, enquanto NO deve ser utilizado em aplicações de contagem e detecção de presença. Segundo, se a unidade antiga era de 2 fios e a nova é de 3 fios (ou vice-versa), a fiação de entrada muda completamente. Uma troca de 2 fios para 3 fios exige uma nova análise da fiação comum da entrada, e não apenas uma refiação mantendo as posições.

Quando o sensor de reposição chegar, três minutos de verificação evitam uma segunda viagem. Primeiro, verifique a ordem dos fios em relação ao diagrama com a alimentação desligada. Em seguida, ligue a alimentação e acione a saída em uma carga conhecida: ela comuta? Por fim, conecte-o à entrada real e confirme se a entrada detecta a transição, incluindo a verificação de vazamento de 2 fios realizada anteriormente, caso o sensor antigo tenha ficado “preso na posição ligada”.”

O mercado de reposição: estoque por tipo de produto, não por marca

Cada etapa de identificação e ordenação mencionada acima existe devido a um fato estrutural relacionado ao setor de manutenção. Um sensor de proximidade desgastado é substituído pelo mesmo tipo, e não pela mesma marca. A máquina na fábrica não se importa com o logotipo que estava estampado na unidade com defeito. O que importa é que o tipo de saída, o estado, a tensão, a fiação e a distância de detecção da peça de reposição correspondam ao que o diagrama de fiação original prevê. Quando uma etiqueta se perde e o fornecedor original já não está mais no mercado, o “tipo” é a única especificação que pode ser recuperada.

A consulta sobre substituição é uma questão relacionada ao tipo do produto, não à marca

Para distribuidores e empresas comerciais que atendem aos mercados de reparo e manutenção, esse fato reformula a lógica do almoxarifado. A consulta mais frequente não é “vocês vendem a marca X?”, e sim “o sensor da nossa máquina de embalagem parou de funcionar, ajudem-nos a encontrar um substituto”. A cotação que conquista essa consulta especifica o tipo de saída, o estado, a alimentação, a fiação e a distância de detecção, além de indicar qual das duas placas de entrada possíveis do cliente ela é compatível. Uma cotação que mencione apenas uma marca e um preço leva o cliente a procurar o próximo fornecedor para refazer a pergunta. A lista de sete pontos acima é a diferença entre essas duas cotações. É por isso que “anotar o tipo” é a habilidade que impede que pedidos de reposição se transformem em devoluções.

O estoque segue a mesma lógica, e a divisão regional da seção anterior se torna uma decisão de estoque. Se os painéis dos seus clientes foram fabricados na Europa ou na América do Norte, a base instalada é predominantemente PNP com entradas de tipo ’sinking”. Mantenha em estoque o PNP de 3 fios como linha padrão, com unidades de 2 fios CC e saída de relé para máquinas mais antigas. Se seus clientes utilizam equipamentos fabricados no Japão ou na Ásia (Mitsubishi, Omron e seus diversos compatíveis), a base instalada é predominantemente NPN com entradas de alimentação, e uma linha NPN é o padrão, não um pedido especial. A maioria das bases de clientes mistas precisa de ambos os tipos em estoque, além de uma pequena prateleira de produtos de 2 fios CA para as máquinas legadas genuínas.

Estocagem por região — e como vender a competência em intercâmbio

Há um limite que vale a pena deixar bem claro. Essa lógica de estoque se aplica ao comerciante de pequeno porte e com oferta completa, que atende aos mercados de reparos e de pequenos lotes: a base de clientes que encomenda uma dúzia de unidades de diversos tipos e consolida um contêiner. Ela não se aplica ao fornecimento de projetos de linha completa, em que um integrador compra sensores a granel com base em uma lista de materiais. Também não se aplica ao reabastecimento direto da fábrica. Esses compradores já conhecem o tipo de produto que precisam. O mercado de reposição é onde o conhecimento sobre os tipos de produtos fica do seu lado do balcão. E esse conhecimento, resumido como “diga-me o que sua máquina espera, e eu lhe direi qual unidade se encaixa”, é um serviço, não uma página de catálogo. O fornecedor que responde primeiro à pergunta sobre o tipo de produto recebe o pedido. O fornecedor que responde apenas à pergunta sobre o preço acaba sendo comparado com os demais.

Se você está olhando agora mesmo para um sensor com a etiqueta desgastada ou um diagrama de fiação quase ilegível, não precisa resolver isso sozinho. A OMCH identifica sensores de reposição a partir da marca e do número do modelo, de desenhos ou de uma amostra física — envie-nos suas especificações ou a unidade antiga, e nossos engenheiros de seleção confirmarão o tipo de saída, o estado e a fiação necessários para o seu circuito antes de você fazer o pedido. Comece com a lista de verificação de sete pontos (mande pra cá).

Referências

1. Pepperl+Fuchs. “Sensores indutivos — Conexões elétricas.” Base de conhecimento: cores dos fios e configuração dos conectores de acordo com a norma EN 60947-5-2. https://www.pepperl-fuchs.com/
2. Rockwell Automation. “Especificações dos módulos de E/S 1756 ControlLogix — Dados técnicos (1756-TD002).” PDF: módulos de entrada de tipo ‘sinking’ e fiação de sensores PNP. https://literature.rockwellautomation.com/
3. Siemens. “Conexão de E/S digital ao S7-1214C.” Tópico no fórum de suporte SiePortal: entradas do tipo 1 e conexão de sensores de 3 fios. https://sieportal.siemens.com/