Controle de temperatura (ART1014)

Manter a temperatura num ambiente entre limites bem estabelecidos é tarefa que exige um circuito preciso e bem regulado com características que se adaptem à finalidade proposta. Neste artigo descrevemos um controle que pode ser usado em estufas, salas de secagem, salas ou ambientes refrigerados e em muitos outros locais.

Que tipo de características deve ter um projeto capaz de controlar a temperatura de um ambiente atuando quer sobre um sistema de aquecimento, quer de um sistema de refrigeração?

Em primeiro lugar, devemos pensar no sensor, que deve perceber com certa rapidez (pequena inércia dada pela capacidade térmica e que determina uma grandeza física denominada "prontidão") qualquer variação da temperatura no ambiente monitorado.

Em segundo lugar, precisamos de recursos que possam atuar sobre a temperatura do ambiente fazendo a correção necessária, se for detectada qualquer anormalidade.

Nos casos em que a faixa controlada estiver com limites além das variações normais de temperatura, precisaremos normalmente de dois controles: aquecimento e esfriamento. Esse tipo de sistema é o que apresenta maiores dificuldades para o projetista.

Isso significa que, se a temperatura superar um determinado valor, o aparelho deverá atuar no sentido de desligar o sistema de aquecimento. Todavia, se o valor pré-ajustado for inferior à temperatura ambiente (num dia muito quente, por exemplo), mesmo que desliguemos o sistema de aquecimento, a temperatura não diminuirá. Neste caso, precisamos do acionamento também de um sistema de refrigeração ou ventilação como, por exemplo, um ar condicionado ou mesmo um ventilador.

Do mesmo modo, se a temperatura que deve ser controlada cair abaixo de um valor pré-fixado, e este for superior à temperatura ambiente, o simples desligamento do sistema de refrigeração não levará o local à temperatura desejada, já que pela troca espontânea de calor com o ambiente, esta temperatura não será alcançada.

Tudo isso significa que, se desejarmos controlar a temperatura de um ambiente dentro de uma faixa mais ampla de temperaturas ambientes precisamos de um controle duplo: necessitamos ao mesmo tempo de um sistema que dispare com sobretemperaturas como também que o faça com subtemperaturas, conforme ilustra o comportamento de nosso projeto mostrado na figura 1.

 

O aparelho que descrevemos é um controle "discriminador de janela", que justamente pode detectar sub e sobretemperaturas, além de atuar sobre dois relés a partir dos sinais enviados por um sensor.

Características:

* Corrente de controle: 10 A, ou conforme o relé

* Faixa de temperaturas: -25 a +125 oC ou conforme os sensores

* Tensão de alimentação: Rede ou 12 VDC

* Tipo de sensor: transistor ou diodo

COMO FUNCIONA

São usados dois circuitos integrados na configuração de comparadores, nos quais temos duas entradas: uma inversora e outra não inversora que determinam a polaridade do sinal de saída em função do sinal de entrada.

Podemos então usá-los de duas formas básicas diferentes:

a) Se aplicarmos uma tensão de referência na entrada inversora determinada pelo divisor formado por R1 e R2 na figura 2, a tensão de saída poderá variar entre 0 e 12 V aproximadamente, nas seguintes condições: quando a tensão aplicada à entrada não inversora (vinda do circuito sensor) for menor que a tensão de referência, a tensão de saída será nula. Por outro lado, quando a tensão na entrada não inversora for maior que a tensão de referência, a saída irá para 12 V. A transição entre as duas tensões se faz de um modo muito rápido, já que o ganho do amplificador operacional usado é da ordem de 100 000 vezes.

 

Na saída deste amplificador operacional ligamos um transistor PNP tendo por carga de coletor um relé. Desta forma, o acionamento do relé será feito quando a tensão no operacional e, portanto na base do transistor, for nula.

Isso significa que, neste circuito, quando a tensão fornecida pelo sensor for menor que a tensão de referência, teremos o acionamento do relé.

Se o sensor usado tiver um coeficiente negativo de temperatura sendo ligado como neste projeto (ver diagrama), a tensão de entrada irá cair quando a temperatura subir, significando que o disparo do relé ocorre na condição de sobretemperatura.

b) Nesta modalidade, aplicamos a tensão de referência à entrada não inversora (+) e a tensão do sensor na entrada inversora.

Da mesma forma, em virtude do elevado ganho do amplificador operacional temos uma transição muita rápida na saída quando um valor superar o outro.

Neste caso, quando a tensão da entrada inversora (sensor) superar a tensão de referência, a tensão de saída do operacional cairá a zero, conforme ilustra o gráfico da figura 3.

 

Como também ligamos na saída do circuito um transistor PNP para excitar o relé, o acionamento do relé acontecerá quando a temperatura cair abaixo de um determinado valor. Temos um circuito de subtemperatura neste caso, se usarmos um NTC na configuração indicada no projeto final.

No projeto final fizemos a fixação dos pontos de disparo pelo ajuste das tensões nos terminais de referência com a ajuda de trimpots.

O sensor pode ser um transistor comum, aproveitando-se sua corrente de fuga (Iceo) que depende da temperatura, ou também pode ser usado um termistor do tipo NTC. Observe a figura 4.

 

O importante na escolha do sensor é levar a tensão no divisor formado por R2 e P2 e R1 e P1 a um valor próximo de metade da tensão de alimentação (6 V), nas condições normais de operação (temperatura normal).

Ajustamos então as tensões de referência acima ou abaixo desta, conforme os pontos desejados para o disparo.

Um ponto importante na operação deste tipo de controle é a chamada inércia térmica, que depende muito da instalação do sensor e de sua prontidão ou capacidade térmica.

O que acontece é que uma vez que a temperatura no ambiente controlado varia, o circuito não responde a estas variações de imediato. Ele precisa de um certo tempo para equilibrar sua própria temperatura com a do ambiente, o que é feito por uma "troca de calor" entre ambos. A velocidade com que esta troca ocorre, e, portanto a prontidão com que ele responde às variações, depende do tamanho do sensor, ou seja, de sua capacidade térmica.

Para sensores de dimensões reduzidas como os do tipo termométrico mostrado na figura 4 em que o sensor propriamente dito é extremamente pequeno, temos uma resposta muito rápida (quase que instantânea). No entanto, para um transistor ou NTC esta velocidade é menor, sendo necessários vários segundos e até minutos para haver uma resposta.

Quando o controle for instalado deve ser considerado este fato, procurando-se posicionar o sensor em local onde ele possa perceber rapidamente qualquer variação da temperatura.

De qualquer forma, no projeto é importante ter em mãos as especificações (curva de variação) do componente usado como sensor.

MONTAGEM

Na figura 5 temos o diagrama completo do aparelho, que já inclui uma fonte de alimentação.

 

Caso o aparelho seja alimentado por bateria a fonte pode ser eliminada, mas será interessante manter um circuito regulador para garantir a precisão do acionamento (precisão da tensão de referência). Neste caso, será aconselhável trabalhar com uma bateria de mais de 12 V de modo a se manter 12 V no circuito com o estabilizador de tensão, conforme mostra a figura 6.

 

Na figura 7 apresentamos a disposição dos componentes numa placa de circuito impresso.

 

Os resistores não precisam ser de precisão já que o ajuste é realizado pelos trimpots. O que se pode fazer é alterar o desenho da placa para receber trimpots tipo multivoltas, que proporcionam um ajuste mais sensível do ponto de acionamento.

Os relés usados no projeto original são do tipo DIL para montagem em placa, com correntes de contatos de 2 A. Dependendo do que for controlado, os relés podem se substituídos com as devidas alterações no desenho da placa de circuito impresso.

Como sensor pode ser usado um NTC de 10 k Ω a 100 k Ω que será ligado em lugar de Q2, ou ainda um transistor comum ou de germânio que será ligado como no circuito original na função de Q1.

Para conexão dos elementos externos controlados temos diversas possibilidades, que vão desde tomadas comuns até barras de terminais com parafusos.

Na figura 8 exemplificamos como fazer a ligação de um aquecedor e de um ventilador para manter a temperatura de um ambiente na faixa ajustada.

 

O sensor pode ficar longe do aparelho, devendo apenas ser tomada a precaução do uso de fio bem isolado.

PROVA E USO

Para ajustar e provar o controle será interessante contar com um multímetro de boa sensibilidade, que permita ler uma tensão de 6 V.

Ligue então o aparelho e ajuste P2 para ler uma tensão de aproximadamente 6 V no multímetro quando o sensor estiver na temperatura considerada normal no ambiente controlado.

Dependendo do sensor, pode ser necessário aumentar o valor de P2 para 220 k Ω ou mesmo 470 k Ω.

Gire então P1 e verifique se existe um ponto de transição em que o relé comuta (abre ou fecha). Faça o mesmo com P3.

Com este procedimento verificamos que os dois comparadores estão funcionando normalmente.

Para ajustar o aparelho, coloque P1 no ponto que corresponde ao disparo de K1 na temperatura mais alta. Para isso, coloque o sensor em local de temperatura conhecida.

Depois, coloque o sensor num local em que haja a temperatura mínima, e ajuste P3 para o disparo de K2.

Realizados os ajustes, pode-se fazer a instalação do aparelho no local em que a temperatura deve ser controlada, e ligar nas saídas os dispositivos que devem manter essa temperatura (ventiladores, sistemas de refrigeração ou aquecimento, etc.).

Para uma chocadeira elétrica, por exemplo, onde a temperatura deve ser mantida em valores elevados (em torno de 38 graus), o sistema de refrigeração pode ser desnecessário, havendo só um aquecedor que será ligado ao relé de subtemperatura (K2), conforme mostra a figura 9.

 

Este aquecedor pode ser uma lâmpada incandescente de 100W (para pequenas quantidades de ovos) ou ainda um aquecedor de nicromo de 200 a 500 W, conforme a quantidade de ovos.

SENSORES DE TEMPERATURA LM35/LM35A/LM35C/LM35CA e LM35D

A National Semiconductor possui na sua linha de componentes semicondutores os sensores de temperatura para a faixa de graus centígrados (Celsius) indicados pelos tipos acima.

A principal característica destes sensores é fornecer uma tensão de saída diretamente proporcional à temperatura com excelente linearidade na faixa de -56 a +150 oC.

Uma vez que o consumo destes sensores é de apenas 60 µA, não há calor gerado no próprio dispositivo, o que significa que eles praticamente não influem na medida.

Na figura 10 temos os invólucros destes componentes.

 

Características:

* Tensões máximas de alimentação: -0,2 a +35 V

* Tensões de saída: -1,0 a +6,0 V (máx)

* Corrente de saída máxima: 10 mA

* Faixas de temperaturas de operação:

 - LM35/LM35A: -55 a +150 oC

 - LM35C/LM35CA: -40 a +110 oC

 - LM35D: 0 a 100 oC

* Precisão típica a 25 oC: 0,2 oC

* Ganho típico do sensor: 10 mV/oC

Na figura 11 temos alguns circuitos típicos de aplicação fornecidos pelo fabricante.

 

Com a troca dos resistores R4 e R6 por outros de 1 k Ω, e a ligação direta das saídas dos sensores ao ponto de 6 V, sem a utilização de R2/P2 e demais componentes, estes sensores podem ser usados no nosso circuito de controle.