Um termostato nada mais é do que um dispositivo automático para manter uma temperatura praticamente constante ou para detectar variação de temperatura. Pelas razões expostas, esse tipo de circuito é ideal para comandar ventiladores, condicionador de ar, torradeiras, aquecedores elétricos ou qualquer outro dispositivo elétrico que se relacione com temperatura, como, por exemplo, o nosso bem conhecido ferro de soldar. Os termostatos convencionais se utilizam de uma lâmina bi metálica, foles cheios de gás ou líquido ou vários outros dispositivos sensíveis à temperatura — em particular os termistores — que provocam o fechamento de contatos, produzindo assim a ação ou correção necessária de temperatura.
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O circuito aqui descrito utiliza um termistor corno elemento sensível à temperatura, sendo por isto capaz de ligar a carga por ele comandada tão logo a temperatura do local onde estiver instalado seu sensor atingir um valor inferior, da ordem de 0,5°C, ao programado pelo usuário; quando a temperatura, devido à comutação da carga aquecedora, for superior aproximadamente 0,5°C à previamente programada, o dispositivo automaticamente desligará a carga sob seu comando, assim permanecendo até o momento em que a temperatura venha a diminuir, quando o ciclo se repetirá.
Além das aplicações acima, o dispositivo ora proposto também poderá ser utilizado, com grande eficiência, como alarma contra incêndio. Devido à sua extraordinária sensibilidade a variações de temperatura, o dispositivo também pode ser empregado em laboratórios fotográficos, onde há necessidade de manter-se constante a temperatura da solução reveladora dos filmes, principalmente se estes forem coloridos.
Outras aplicações menos "convencionais" certamente serão encontradas pelo leitor para o termostato eletrônico aqui descrito.
O CIRCUITO
Corno o nosso dispositivo se utiliza de um termistor como elemento sensível à temperatura, é sobre este componente que serão tecidas as primeiras considerações.
Os termistores, abreviatura da palavra composta termo-resistor, são resistores cuja resistência ôhmica varia com a temperatura, ou seja: à medida que a temperatura se eleva, a sua resistência elétrica também aumentará ou diminuirá conforme, respectivamente, o termistor seja de coeficiente positivo ou de coeficiente negativo. Por isto, os termistores são classificados em duas grandes famílias, a saber:
a) termistor de coeficiente de temperatura positivo (termistor PTC —positive temperature coefficient) — a resistência ôhmica destes termistores acompanha, no mesmo sentido, a temperatura: se esta cresce, a resistência aumenta, e vice-versa.
b) termistor de coeficiente de temperatura negativo (termistor NTC — 'negative temperature coefficient') — nestes a sua resistência ôhmica varia de forma inversa com a temperatura, ou seja, se esta aumenta, a resistência diminui, e vice-versa (o termostato aqui proposto emprega justamente este tipo de termistor — termistor NTC). Pois bem, o circuito completo do termostato eletrônico está apresentado na Fig. 1; como podemos observar, o "coração" do mesmo é o nosso velho amigo 555, operando na condição de monoestável, cuja configuração foi amplamente analisada no capítulo II.
O funcionamento do circuito se processa da seguinte forma: a tensão da rede, normalmente 110 V C.A., é aplicada através da chave CH1 (optativa) ao primário do transformador T1, surgindo uma tensão eficaz de 12 volts no enrolamento do secundário; esta tensão alternada é retificada (onda completa) através dos diodos retificadores D2 a D5, sendo finalmente filtrada pelo capacitor eletrolítico C2; esta tensão, agora contínua, irá alimentar o integrado através dos pinos 1 e 8, assim como o restante do circuito.
Supondo que a resistência ôhmica do termistor R4, do tipo NTC, seja suficientemente elevada — temperatura baixa — a entrada-disparo do C.I. (pino 2) se encontrará a um potencial superior à terça parte do valor nominal da tensão de alimentação, devido ao divisor resistivo formado por R2-P1 e R4-R5; nestas condições, como é de nosso conhecimento, a saída do integrado (pino 3) se encontrará a praticamente zero volt, provocando a não condução do transistor Q1 que, em primeira análise, se constitui num estágio de potência cuja finalidade é fazer comutar adequadamente o relé R L1; com isto, os contatos do relé se apresentam conforme ilustra a Fig. X-1 e a carga estará desoperada.
Quando a temperatura aumentar, a resistência do termistor diminuirá, situando o potencial da entrada-disparo do integrado a um valor menor que a terça parte do valor da tensão de alimentação; neste justo momento, o integrado será disparado e, em consequência, a sua saída passa de zero volt —condição de repouso — para um valor praticamente igual ao de alimentação; este sinal é levado através de R3, que constitui um limitador de corrente, à base do transistor 01, o qual irá saturar, fazendo com que o relé R L1 opere, e o seu único contato reversível leva a alimentação conveniente à carga; simultaneamente a tudo isto, é retirado o aterramento, interno, do pino 7 do C.I., e o capacitor C1 começa a carregar-se através de R1. Quando a tensão entre os bornes deste capacitor, ou seja, quando a tensão entre o pino 6 (ou 7) do integrado e terra apresentar um valor em tensão igual a 2/3 da tensão de alimentação, o C.I. estará apto a retornar à sua condição de repouso, desativando a carga que seria responsável pela diminuição da temperatura; ao mesmo tempo, o capacitor C1 se descarregará quase que instantaneamente através do pino 7, agora aterrado, do circuito integrado.
Segundo os resultados no Apêndice IX, o tempo gasto pelo capacitor C1 carregar-se até o disparo de C.l.1 é da ordem de 3,6 ms, correspondendo ao tempo teórico mínimo no qual a carga ficará ativada, porém é bem provável que neste curto lapso de tempo a temperatura não tenha diminuído o suficiente para que o termistor apresente uma resistência ôhmica de maior valor, capaz de situar o potencial da entrada-disparo do C.I. em um valor superior à terça parte da tensão de alimentação; em consequência, o integrado se manterá constantemente disparado — carga ligada — mesmo que o período de temporização se tenha esgotado. Porém assim que a temperatura tenha diminuído o suficiente para tornar o potencial do pino 2 do C.I. superior à terça parte da tensão de alimentação, o circuito fará desativar a carga por ele comandada.
O ponto de disparo do dispositivo em função da temperatura é realizado através do potenciômetro P1 que, para maior precisão e facilidade de ajuste, poderá ser substituído por um outro potenciômetro do tipo multivoltas de valor ôhmico igual, ou maior, ao original; os resistores R2 e R5 se constituem em um limitador de corrente para os casos em que a resistência apresentada por P1 seja nula e quando o termistor apresentar um baixo valor resistivo.
O diodo D1 em paralelo com a bobina do relé R L1 tem por finalidade escoar o campo magnético desenvolvido pelo solenoide do relé quando da sua desoperação, protegendo o transistor Q1 contra estes transientes.
Como vimos, o circuito é bastante simples e muito eficaz; por estranho que possa parecer, nenhum componente é crítico: o valor de Cl pode ser qualquer um compreendido entre 100 pF a 0,68 µF, R1 poderá apresentar valores desde 1,2 kohms até algumas dezenas de quilohms. A única parte relativamente crítica do circuito refere-se ao conjunto P1-R2-R5 e, em especial, ao termistor que deverá apresentar uma resistência ôhmica entre 700 ohms a 1,5 kohms à temperatura ambiente (25°C), recaindo a preferência nos termistores de menor tamanho (menor massa), os quais detectam variações muito menores de temperatura e muito mais rapidamente que os de maior massa.
Outro item a considerar é a capacidade dos contatos do relé. O recomendado na lista de material poderá manipular cargas de até uns 500 W de potência; havendo necessidade de manipular cargas de maior potência, este relé deverá ser substituído por um outro de maior poder de manipulação de corrente, porém a sua bobina terá de ter uma resistência ôhmica compreendida entre 100 ohms a 1000 ohms, aproximadamente. Outra sugestão é empregar um relé para C.A., de capacidade adequada para as necessidades práticas, sendo comandado através do relé R L1 do dispositivo (Fig. X-1), tal como é mostrado pela Fig. X-2: o relé R L1, operando, fechará o seu contato e fará com que o relé de C.A. receba a tensão da rede; então este, por sua vez, também fechará o seu contato, alimentando a carga sob o seu controle. Tanto nesta figura como na anterior observamos que algumas linhas apresentam largura maior que as restantes; elas mostram que tais ligações devem ser feitas com fio de calibre 20 AWG ou 18 AWG.
Os leitores que desejarem podem incorporar entre os pontos A e B — Figs. 1 e 2 — um fusível de proteção de uns 200 mA; ainda para tornar o dispositivo mais atraente poderá ser acrescida uma lâmpada-miniatura para 12 volts, ou mesmo um 'LED', que irá indicar o funcionamento do dispositivo (vide Fig. 3). Outros melhoramentos do dispositivo ficarão a cargo da imaginação do leitor mais habilidoso e criativo.
Como vimos, o circuito da Fig. 1 destina-se a ligar cargas (ventiladores, por exemplo) tão logo a temperatura tenha subido o suficiente; quando a temperatura baixar, devido à ação da carga, o dispositivo irá desligá-la. Acontece, porém, que talvez haja interesse no funcionamento do circuito às "avessas", isto é: manter aquecido um ambiente; isto é possível de ser conseguido: bastará inverter o contato do relé com a carga, tal como nos mostra a Fig. 4; nesta condição, a carga aquecedora se manterá acionada até o momento em que a temperatura do ambiente, ao subir, tenha alcançado o ponto previamente programado pelo usuário através do potenciômetro de ajuste P1.
A MONTAGEM
A montagem do circuito não é crítica nem tampouco a distribuição dos componentes na placa de fiação impressa especialmente confeccionada para este fim, mas à guisa de orientação apresentamos a placa, ligeiramente ampliada, utilizada para a montagem do nosso protótipo (Fig. 5); a figura seguinte nos mostra a distribuição dos componentes nesta placa do tipo padronizado — a descrição da montagem; assim, a placa cobreada e a distribuição dos componentes na mesma referem-se ao circuito apresentado na Fig. 1; qualquer modificação do circuito, a título de melhoramento, requer alterações das interrupções das veias de cobre na placa e no layout.
Uma vez realizadas as treze interrupções das veias de cobre da placa, mostradas na Fig. 5, ela estará apta a receber os componentes. Obedecendo o layout, iniciaremos a montagem soldando o soquete para o integrado, resistores e capacitores, tomando o cuidado de obedecer à polaridade do capacitor C2; a seguir, soldamos os diodos — observar a sua polaridade — e o relé à placa; o transistor deve ser soldado obedecendo à posição indicada no chapeado da Fig. X-6, isto é, de "barriga para baixo".
Encerramos a montagem fixando o transformador à placa através de dois parafusos com as respectivas porcas, de tal forma que os dois fios encapados (primário) do transformador fiquem orientados para fora da placa e o par de fios esmaltados (secundário) do transformador se situe para o interior da placa; antes de soldar os dois fios do secundário à placa, as suas extremidades devem ser previamente raspadas e estanhadas, a fim de facilitar a soldagem e evitar as denominadas soldas "frias". Finalmente fazemos as conexões externas: as que vão para o potenciômetro e termistor, com fio fino, e as que vão manipular tensões C.A., com fio de bitola muito maior (18 AWG ou mesmo 14 AWG) — o comprimento dos fios irá depender das dimensões da caixa utilizada pelo leitor.
Para um bom acabamento, poderemos utilizar duas tomadas para os dois pares de fios que vão ter à carga (tomada-fêmea) e à rede (tomada-macho). Antes de ligar o dispositivo à rede, é recomendável conferir todas as ligações e verificar se não existem curtos-circuitos entre pontos de solda ou mesmo entre duas veias de cobre próximas entre si, principalmente nos pontos de interrupção das veias de cobre.
INSTALAÇÃO
O sensor, isto é, o termistor, do circuito, deve ser colocado em lugar propício, de forma a poder detectar rapidamente qualquer variação de temperatura; quando se tratar de líquidos como água, por exemplo, os seus lides devem ser preparados adequadamente, de forma a ficarem isolados do líquido — a Fig. 7 apresenta uma sugestão. Por outro lado, o termistor não deve situar-se nas cercanias da carga quando esta for um aquecedor ou um refrigerador, a fim de que o mesmo não interprete erroneamente variações repentinas de temperatura introduzidas pela carga. De qualquer forma, só a experiência e as tentativas nos irão indicar o local mais propício para a instalação do sensor.
AJUSTES
O único ajuste é realizado através do potenciômetro P1, dependendo das condições de temperatura que quisermos manter e da aplicação a que se destina o dispositivo. Também aqui, o ajuste deverá ser feito empiricamente, isto é, tentativa por tentativa, até que consigamos o ponto para nós ideal de funcionamento do circuito — normalmente não são necessárias mais do que duas tentativas para um ajuste justo e perfeito.
IDENTIFICAÇÃO DOS TERMINAIS DOS SEMICONDUTORES
Visando facilitar a montagem, ou mesmo a modificar o 'lay-out' apresentado para este circuito, todos os semicondutores empregados na montagem estão identificados na Fig. X-8.
