Controle de Velocidade de Ventoinha com Sensores Digitais de Temperatura STD75 ou STLM75 (COM054)

Uma maneira de se fazer uso racional da energia consiste em se controlar a velocidade da ventoinha de um sistema que a utilize de modo que ele gire na velocidade necessária a manutenção da temperatura do componente no valor desejado. Com a velocidade máxima, desperdiça-se energia, pois certamente o consumo será constante e no valor de pico. A aplicação que descrevemos é baseada no Application Note AN2680 da STMicro (www.st.com) e faz uso de componente específicos.

O documento da STMicro descreve um controle de velocidade de ventoinha para sistemas de 5 V baseado no microcontrolador ST72651AR6 e nos sensores digitais de temperatura STD75 ou STLM75. No sistema proposto o sensor é utilizado para medir a temperatura do elemento crítico e comunicar esta informação ao microcontrolador. Baseado nesta informação de temperatura, o microcontrolador controla um sinal PWM, variando o ciclo ativo, o qual é utilizado para determinar a velocidade da ventoinha.

O sistema utiliza um microcontrolador com interface I2C e periféricos PWM de modo a poder se comunicar com o sensor e controlar a ventoinha. O sensor digital utilizado mede a temperatura do elemento que deve ser mantido refrigerado. A ventoinha utilizada é de 5 V.

 

O Sensor Digital de Temperatura

Os sensores utilizados STDS75 e STDM75 consistem em sensores digitais que medem a temperatura e fornecem uma saída digital. Os dois tipos indicados são fornecidos em invólucros de 8 pinos, conforme mostra a figura 1.

 

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STD75 ou STLM75- Os sensores digitais utilizados no projeto.

 

Os dois tipos apenas diferem em relação à resolução. O STLM75 tem uma resolução de fixada em 9 bits enquanto que o STDS75 pode ter a resolução configurada entre 9 e 12 bits. No artigo apresentado a seguir como exemplo, a resolução é default de 9 bits. Sugerimos que os leitores que deseja mais informações baixam a documentação original, que fornece dados adicionais, inclusive detalhes sobre a programação do microcontrolador.

 

Funcionamento

O sensor de temperatura de alta precisão CMOS conta com um conversor analógico-digital (ADC) Delta-Sigma e uma interface serial digital I2C. O ADC converte a temperatura sensoriada para a forma digital, sendo ele calibrado em graus Celsius. O sensor também possui uma saída de alarme que pode ser utilizada para acionar um dispositivo de aviso externo.

No interfaceamento do sensor com o microcontrolador existem 3 linhas de endereço configuráveis de modo que podem ser utilizados 8 endereços diferentes. Todas as três linhas estão aterradas nesta aplicação de modo que o endereço do sensor será 0x90. O sensor é conectado ao microcontrolador através de 2 linhas de comunicação da interface I2C (SDA e SCL). Na figura 2 temos o circuito básico da aplicação.

 

Circuito básico de aplicação.
Circuito básico de aplicação.

 

O sensor é configurado levando-se em conta o registro de configuração, o registro de sobre-saturação e o registro de histerese. Baseado no valor configurado no registro de configuração o limiar do sensor é alcançado. Nesta aplicação isso foi fixado em 0x40. O ajusta configura o modo de operação do sensor e a natureza do sinal de saída do alarme. Para mais informações, a ST sugere consultar o data sheet do STDS75. O valor fixado no registro de sobre-saturação define o limiar em que a ventoinha parte. Nesta aplicação isso foi feito para que ocorra quando a temperatura passar de 29º C. Para isso o registro foi colocado em 0x100. Neste ponto o sinal de alarme também é ligado,. Na aplicação o alarme é um LED.

Um ajuste na histerese é usado para controla a saída do sistema de alarme do sensor. Este valor é fixado em 27º C na aplicação, o que significa que, quando a temperatura cair abaixo de 27º C o alarme desliga e, portanto o LED apaga. Isso é feito colocando-se 0x1B00 no registro.

A ventoinha é do tipo DC sem escovas de dois fios com uma tensão de alimentação de 5 V. Nos tipos sem escovas a comutação é feita eletronicamente. Estes motores possuem um rotor e um estator e a sua velocidade pode ser controlada tanto variando a tensão DC como também por sinais PWM. Para esta finalidade pode-se ter um circuito conforme indicado na figura 3.

 

Controlando a velocidade da ventoinha.
Controlando a velocidade da ventoinha.

 

Controlando a velocidade do motor da ventoinha por um sinal PWM. Com 100% de ciclo ativo a velocidade da ventoinha é máxima.

Este tipo de controle é denominado "low side" (lado de baixo) porque o elemento de controle (transistor) é ligado entre o motor e o terra. No "high side" (lado d cima) o dispositivo de controle é ligado entre o motor e a alimentação positiva.

O que se faz no circuito de controle é variar o ciclo ativo da tensão aplicada ao motor de modo que a tensão média do sinal determina sua velocidade. O transistor MOSFET de potência é necessário para poder suportar a corrente consumida pelo motor neste tipo de aplicação, que é algo elevada. A comporta do transistor de efeito de campo de potência é ligada diretamente ao terminal PWM do microcontrolador, utilizando-se apenas um resistor de 1k. O MOSFET pode ser o STB100NF03L ou equivalente apropriado à corrente consumida pelo motor. Para detalhes de programação sugerimos consultar o data sheet do microcontrolador ST7651AR6 disponível no site da STMicro.

 

Conclusão

Este aplicativo é um exemplo de como um sensor digital de temperatura pode ser associado a um microcontrolador para gerar um sinal PWM de controla. As aplicações não se limitam, portanto a um controle de ventoinha podendo ser transferidas para outros tipos de projetos. Um deles seria o controle de um elemento de aquecimento de uma estufa ou mesmo um dispositivo de efeito Peltier. Um sistema de aquecimento sofisticado para aquários também poderia ser elaborado com base neste projeto básico.

 

 

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Datasheet do STDS75

Datasheet do STDM75


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