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Circuitos práticos com sensores térmicos (ART728)

Os projetos de robotica, automação e mecatrônica exigem , muitas vezes, o emporego de sensores de temperatura. Estes sensores podem ser usados para detectar pontos quentes, para procurar fontes de calor ou ainda para acionar uma ventoinha quando a temperatura de um componente subir muito. Circuitos com sensores térmicos simples podem ser implementados com facilidade. Nesse artigo, atualizado em 2012, com idéias adicionais numa versão definitiva, damos diversos deles que podem ser implementados com componentes comuns e montados em matrizes de contactos.

Existem diversos componentes que podem ser usados como sensores de calor em aplicações práticas. Os termistores ou NTCs, por exemplo, são resistores cuja resistência diminui com o aumento da temperatura. Por outro lado temos os PTCs, cuja resistência aumenta com elevação da temperatura. As curvas características desses dois tipos de sensores são mostradas na figura 1. Veja no nosso Curso de Eletrônica - Eletrônica Básica (2012) mais sobre sensores de temperatura.

 

Curvas e características do NTC e PTC
Curvas e características do NTC e PTC

 

Outros tipos de componentes que podem ser usados como sensores de temperatura são os que possuem junções semicondutoras tais como diodos e transistores, conforme também explicamos em nosso Curso de Eletrônica - Vol 1.

Conforme mostra a figura 2, quando polarizamos uma junção PN no sentido inverso, uma pequena corrente de fuga vai flui e ela depende da liberação de portadores de carga. A quantidade desses portadores é proporcional à temperatura da junção, o que nos leva a possibilidade de usar diodos e transistores como sensores quase lineares de temperatura.

 

Curvas e características de uma junção PN
Curvas e características de uma junção PN

 

Assim, diodos comuns de uso geral como os 1N4148, 1N914, BA315 e muitos outros podem ser usados como sensíveis sensores de temperatura.

Para mostrar as possibilidades práticas de uso desses componentes em circuitos vamos dar uma pequena coletânea de aplicativos que fazem uso desses sensores.

 

Controle de Ventoinha - I

O primeiro aplicativo que damos é de um circuito que faz uso de um diodo comum 1N4148 como sensor para controlar a temperatura de um componente ou de um local qualquer que esteja sujeito a uma elevação indevida da temperatura.

Esse circuito, mostrado na figura 3, aciona um motor de uma ventoinha que entra em ação quando a temperatura supera um valor que será ajustado em P1.

 

Controle de ventoinha 1
Controle de ventoinha 1

 

A sensibilidade será tanto maior quanto maior o valor que puder ser ajustado em P1 para se obter o limiar do disparo. Trimpots de 470 k? são os menores recomendados para aplicações com um transistor, mas os melhores são os de 2 M? e mesmo 4,7 M?, quando se obtém o máximo de sensibilidade.

Podemos citar como exemplo de aplicação desse circuito um sistema de ventilação forçada para um amplificador de áudio que tenha transistores de potência montados num dissipador de calor, conforme mostra a figura 4.

 

Aplicação em dissipador de calor
Aplicação em dissipador de calor

 

Quando o sensor, um diodo comum em contacto com o dissipador (colado com epóxi) detectar uma elevação da temperatura, o motor da ventoinha entra em ação.

Quando a temperatura baixa, o circuito desliga automaticamente, pois ele possui uma característica boa de histerese que impede que ele fique oscilando.

O circuito é alimentado por uma tensão de 6 V, nesse caso, mas podem ser usados motores de 9 e 12 V com a alimentação correspondente. O transistor que excita o motor nesse caso suporta uma corrente recomendada máxima de 500 mA.

Para correntes maiores podem ser usados os TIP32 ou Darlingtons da mesma série. Esse componente deve ser montado num radiador de calor.

Para testar, ajuste o circuito até o ponto em que ocorre o disparo. Volte um pouco o ajuste para que o motor pare. Depois aproximando a ponta do ferro de soldar (sem encostar), deve ocorrer o disparo.

Na figura 5 temos a montagem desse circuito numa matriz de contactos.

 

Montagem em matriz de contatos.
Montagem em matriz de contatos.

 

Observamos ainda que o sensor usado tem uma sensibilidade

 

Controle de Ventoinha - II

O que diferencia o circuito mostrado na figura 6 é o uso de duas portas inversoras para o disparo do transistor que controla a ventoinha. Dessa forma, o acionamento é feito com o uso de um transistor NPN em lugar de um transistor PNP.

 

Controle de ventoinha II
Controle de ventoinha II

 

O ajuste do ponto de disparo é feito no trimpot e novamente o sensor é um diodo comum de uso geral.

Observamos que, como o diodo possui certa capacidade térmica seu acionamento ou resposta à variações de temperatura exige um certo tempo.

Para maiores potências podem ser usados transistores como o TIP31 e Darlingtons de potência. Com alimentação de 9 V ou 12 V, existe a possibilidade de se usar MOSFETs de potência. Esses transistores de acionamento devem ser dotados de radiadores de calor. Outra possibilidade para se obter muito maior sensibilidade, consiste na utilização de um par Darlington em lugar de Q1, conforme explicaremos mais adiante.

 

Controle de Ventoinha - III

Analisando o circuito mostrado na figura 7 vemos que a diferença em relação aos demais está no uso de um transistor PNP para amplificar a corrente do elemento sensor.

 

Controle de ventoinha III
Controle de ventoinha III

 

Quando a temperatura sobe, aumenta a corrente de base do transistor e com isso sua resistência diminui. o resultado é o aumento da tensão na entrada da porta inversora 4093.

Quando um valor suficientemente alto para a comutação for alcançado, a saída vai ao nível baixo e com isso o transistor q2 é polarizado no sentido de conduzir a corrente.

Nessas condições o motor é alimentado, proporcionando a ventilação desejada para o sistema. Novamente, usamos um transistor para 500 mA, mas transistores de maiores correntes podem ser usados.

O ajuste do ponto de disparo é feito no trimpot P1. O sensor pode ser qualquer diodo comum de uso geral.

Observe o leitor que em todos os circuitos sempre usamos um resistor de 10 k ? em série com o diodo sensor. Esse componente evita que, em caso de uma inversão acidental do diodo na hora da montagem, ele fique polarizado no sentido direto sem qualquer limitação de corrente.

Isso causaria uma corrente de curto-circuito intensa que, atravessando o transistor, causaria sua queima.  Observamos que o BC517 é um transistor Darlington que serve para esta aplicação.

 

Controle de Ventoinha de Grande Sensibilidade - I

Uma grande sensibilidade para o circuito pode ser obtida com uma etapa Darlington de amplificação para a corrente do sensor, conforme mostra a figura 8.

 

Controle de ventoinha de grande sensibilidade I
Controle de ventoinha de grande sensibilidade I

 

Esse circuito pode ser ajustado para responder à variações muito pequenas da temperatura do sensor, com maior prontidão, sendo indicado para aplicações mais críticas.

O princípio de funcionamento é exatamente o mesmo do primeiro circuito. Quando a temperatura sobe a resistência do sensor diminui e com isso a tensão na entrada da porta 4093 aumenta. No ponto de comutação, a saída do inversor vai ao nível baixo levando o transistor Q3 à saturação.

Com a entrada em condução do transistor Q3 o motor entra em ação proporcionando a ventilação desejada.

 

Controle de Ventoinha de Grande Sensibilidade - II

Outra forma de se aumentar a sensibilidade do circuito com a amplificação da corrente do sensor é através da configuração com transistores complementares mostrada na figura 9.

 

Controle de ventoinha de grande sensibilidade II
Controle de ventoinha de grande sensibilidade II

 

Quando Q1 conduz, pela redução da resistência do sensor (aumento da temperatura), o transistor Q2 também conduz e com isso o nível lógico na entrada da porta se eleva. Com a comutação a saída vai ao nível baixo saturando o transistor Q3.

Com a condução de Q3 o motor é acionado, proporcionando a ventilação desejada. O circuito pode ser alimentado com tensões de 5 a 12 V conforme a tensão do motor usado.

O transistor Q3 deve ser dotado de radiador de calor e podem ser usados equivalentes de maior corrente. Também podem ser usados Darlingtons de potências e com alimentação de 12 V até mesmo MOSFETs de potência.

 

 

Circuito de Aquecimento

Finalmente, na figura 10 temos uma possibilidade interessante que consiste no acionamento de um elemento de aquecimento quando a temperatura verificada pelo sensor baixa.

 

Circuitos de aquecimento
Circuitos de aquecimento

 

O ajuste do ponto do disparo é feito em P1. O elemento de aquecimento para o transistor indicado deve drenar uma corrente máxima de 500 mA. Para maiores correntes devem ser usados transistores de maior potência como o TIP32 ou mesmo Darlingtons.

O elemento de aquecimento pode ser um resistor de fio de valor apropriado. Esse valor é calculado de modo a se obter o aquecimento com a corrente disponível no circuito.

Por exemplo, podemos usar um resistor de 10 W, gerando 8 W de calor.

R = P /I2

 

Onde:

P = 8 W

I = 0,5 A (500 mA)

 

Ficamos como:

R = 8/0,25

R = 32 ?

 

Conclusão

Os circuitos que mostramos nesse artigo servem apenas de amostra para que o leitor pode fazer com configurações simples usando diodos semicondutores como sensores.

Existem muitas outras possibilidades a serem exploradas como comparadores, amplificadores operacionais e até mesmo osciladores de modo a se obter controles PWM. Muito mais pode ser encontrados em diversos artigos de sensores disponíveis no site, tanto no Banco de Circuitos como na seção de Mecatrônica e Automação.

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