Controle Térmico para Estufas (ART2324)

O circuito que propomos tem por finalidade o controle térmico de qualquer ambiente, mantendo a temperatura numa determinada faixa de valores, podendo ser usado em estufas, câmaras de secagem, chocadeiras eletrônicas, salas de computadores, salas de estar ou reuniões, sistemas de refrigeração de máquinas etc.

Manter a temperatura de um determinado ambiente numa faixa estabelecida previamente é um problema que pode ser resolvido com eficiência se utilizarmos recursos eletrônicos.

Mas quais são estes recursos?

Em primeiro lugar precisamos de um sensor eficiente que possa perceber com certa rapidez (pequena inércia térmica) quaisquer variações da temperatura controlada.

Depois precisamos dos recursos que possam corrigir as mudanças de temperatura como, por exemplo, um sistema de aquecimento se a temperatura cai abaixo de certo valor, ou de refrigeração se sobe além de certo valor.

Nos casos em que a faixa controlada estiver com limites além das variações normais da temperatura ambiente, precisaremos dos dois controles: aquecimento e resfriamento.

Esse tipo de sistema é o que, evidentemente, apresenta maiores problemas e dificuldades de projeto.

Se a temperatura que queremos controlar superar um determinado valor pré-ajustado, nosso aparelho deve então desligar o sistema de aquecimento, para que a mesma volte naturalmente a cair.

Se o valor pré-ajustado for, porém, inferior à temperatura ambiente num determinado instante do dia, mesmo que desliguemos o sistema de aquecimento a temperatura não diminuirá, devido à tendência de igualar-se com à ambiente.

Faz-se necessário, neste caso, o uso de um sistema de refrigeração forçada, ligando, por exemplo, um ar condicionado ou simplesmente um ventilador.

Do mesmo modo, se a temperatura a controlar cair abaixo de um valor pré-fixado, e este for superior à temperatura ambiente, o simples desligamento do equipamento de refrigeração não permite que através de uma troca de calor espontânea o sistema volte à sua temperatura normal, havendo necessidade de se ativar um aquecimento forçado.

Assim, com uma faixa de temperatura de controle nos limites internos de uma faixa mais ampla de temperaturas ambientes normais, faz-se necessário o controle duplo.

Temos então que dispor tanto de um sistema que dispare com sobretemperaturas como subtemperaturas, ativando num caso a refrigeração e no outro o aquecimento. (figura 1)

Figura 1 – Faixas de atuação

O sistema que propomos neste artigo faz justamente isso, utilizando um único sensor e podendo ser ajustado para duas temperaturas diferentes, tanto na passagem pelo limite superior como na passagem pelo limite-inferior.

As características do aparelho são:

Corrente de controle da carga: 2 A (possível ampliação)

Sensores usados: NTC ou transistor

Faixa de temperaturas de operação: -25°C a +125°C

Tensão de alimentação: 110/220 VCA ou 12VDC

Número de integrados:3

COMO FUNCIONA

São utilizados dois comparadores de tensão com amplificadores operacionais do tipo 741.

Nestes comparadores temos duas entradas, uma inversora e outra não inversora, representadas por "-" e “+”.

Podemos então ter duas modalidades de funcionamento:

a) Se aplicarmos uma tensão de referência na entrada inversora, dada pelo divisor resistivo R1-R2 na figura 2, a tensão de saída poderá variar entre 0 V e 12V, aproximadamente, nas seguintes condições: quando a tensão aplicada na entrada não inversora (vinda do sensor) for menor que a tensão de referência, a tensão de saída será praticamente nula.

Figura 2 – Primeiro modo de operação

Por outro lado, quando a tensão na entrada não inversora for maior que a tensão de referência, a tensão de saída será praticamente 12 V. A transição entre essas duas tensões se faz de modo bem acentuado dado o elevado ganho do amplificador operacional, da ordem de 100 000 vezes.

Na saída de um operacional ligado desta forma, se acoplarmos um driver PNP sua condução ocorrerá justamente quando a tensão for próxima de zero.

Assim, nesta configuração o transistor de saída conduzirá, ativando o relé, quando a tensão fornecida pelo sensor for menor que a tensão de referência.

Levando em conta que um sensor ligado da forma mostrada na figura 2, com coeficiente negativo de temperatura, faz cair a tensão de entrada quando a temperatura sobe, este circuito opera como um disparo por sobretemperatura.

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

Igualmente, dado o ganho do amplificador operacional, temos uma transição muito rápida em sua saída, quando um valor superar o outro.

Assim, quando a tensão da entrada inversora (sensor) superar a de referência, a tensão de saída cairá a zero, conforme mostra o gráfico da figura 3.

Figura 3 – Segunda modalidade de operação

Como também ligamos na saída um driver tipo PNP, a condução deste transistor ocorre quando a tensão cai a zero, o que quer dizer que teremos um disparo por subtemperatura, considerando novamente a ligação do sensor com coeficiente negativo de temperatura (NTC).

No projeto final temos a fixação dos pontos de disparo pelo ajuste da tensão dos terminais de referência em determinadas temperaturas através de trimpots.

O sensor pode ser tanto um transistor comum, aproveitando-se a sua corrente de fuga (ICEO) que depende da temperatura como parâmetro principal, ou ainda um NTC.

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

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

Um fator importante na operação deste tipo de circuito é a chamada inércia térmica.

Uma vez que a temperatura varia no ambiente, o circuito não responde de imediato, pois o sensor precisa de um certo tempo para equilibrar sua própria temperatura.

A velocidade com que ocorre o equilíbrio depende do tamanho do sensor, ou seja, de sua “capacidade térmica".

Para um sensor tipo termométrico, conforme mostra a figura 4, em que a capacidade térmica é muito pequena, a reação é quase instantânea, mas para um transistor ou mesmo um NTC precisamos até de alguns minutos para isso.

Figura 4 – Sensores comuns

O importante nas aplicações em que se exige um controle mais rápido é que o sensor seja montado em local que permita detecção rápida de qualquer variação de temperatura.

Para os NTCs não será necessário utilizar o transistor amplificador, dada sua maior variação de temperatura.

De qualquer forma é sempre importante conhecer a curva de variação da resistência do componente com a temperatura para que seja feito um ajuste correto do sistema.

MONTAGEM

Na figura 5 temos o diagrama completo do aparelho, incluindo a fonte de alimentação.

Figura 5 – Diagrama completo do aparelho

Caso o aparelho seja alimentado por bateria, o setor de fonte pode ser eliminado, mas se houver necessidade de precisão de funcionamento recomendamos uma versão redutora, conforme mostra a figura 6.

Figura 6 – Fonte com regulador

A placa de circuito impresso para esta montagem é dada na figura 7.

Figura 7 – Placa para a montagem

Os resistores são todos de 1/8 ou ¼ W com 10% ou 20% de tolerância, e os relés assim como os integrados são montados em soquetes DIL de 8 pinos e16 pinos, conforme o caso.

Os diodos de proteção e comutação podem ser 1N914 ou 1N4148.

O sensor pode ser um NTC com resistência entre 1K e 10 k, caso em que teremos a alteração de P2 e R2 para 1ok e 470 Ω respectivamente ou então um transistor de germânio 2SB75, AC188 etc. pois estes apresentam uma variação maior da corrente de fuga ICEO com a- temperatura.

Os trimpots são comuns, e o capacitor de filtro da fonte tem uma tensão de trabalho de 25 V.

O transformador deve ser de 500 mA a 1 A, já que os relés que exigem a maior corrente, disparam com 100 mA ou mais.

Para o controle externo podemos prever tanto a colocação de tomadas como uma barra de terminais com parafusos.

Na figura 8 mostramos a ligação num controle duplo em que temos o acionamento de um ventilador quando a temperatura supera certo valor e o acionamento de um aquecedor quando ela cai abaixo de determinado valor.

Figura 8 – Controle duplo

Para o sensor pode ser prevista uma ligação remota através de um jaque, e um cabo blindado deve ser empregado se o mesmo ficar a mais de 5 metros do aparelho de controle.

O fusível de proteção na entrada tem sua corrente escolhida de acordo com os aparelhos controlados, sendo que os 5 A recomendados são para carga máxima.

PROVA E USO

Para ajustar e provar o controle, o leitor precisará de um multímetro ligado na escala de tensões contínuas (Volts DC) que permita Ier 6 V.

Ligue o aparelho e ajuste P2 para ler uma tensão de 0V no ponto indicado no diagrama (entrada de tensão dos comparadores a partir do sensor).

O sensor deve estar inicialmente na temperatura ambiente.

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 comprovamos o funcionamento dos dois comparadores, seus drivers e os relés.

Para ajustar o aparelho, coloque P1 no ponto que corresponde ao disparo em temperatura mais alta. Para isso, coloque o sensor em local de temperatura conhecida (mais alta) em que deve ocorrer o disparo e ajuste P1 para isso.

Depois, coloque o sensor num local de temperatura mínima de disparo e ajuste P3 para que o relé K2 atue.

Feitos os ajustes dos extremos de atuação é só fazer a instalação do sensor no local a ser controlado e ligar as saídas aos controladores (ventiladores, aquecedores etc.).

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

Figura 9 – Uso em chocadeira

Este aquecedor pode ser uma lâmpada de 100 watts ou mesmo de fio de nicromo para até 200 watts.

SENSORES – LM35 / LM35N / LM350 / LM35CA / LM350

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

A principal característica destes integrados é a de fornecer uma saída, cuja tensão é linearmente proporcional à temperatura na faixa de -55°C a +150°C.

Como o consumo destes sensores é de apenas 60 µA, não há calor gerado nos mesmos, que possam causar variações na temperatura a ser medida.

Na figura 10 temos os invólucros destes componentes.

Figura 10 – Invólucros

As características principais destes sensores são:

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

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

Corrente de saída máxima: 10 mA

Faixa de temperaturas de operação: LM35, LM35A: -55°C a +150°C

Precisão típica a 25°C: 0,2°C

Ganho típico do sensor: +10,0 mV/°C

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

Figura 11 – Circuitos típicos

Com a troca dos resistores R4 e R6 por outros de 1k, e a ligação direta da saída dos sensores ao ponto de 6 V, sem a utilização de R2, P2, e demais componentes, estes sensores estarão aptos a operar em nosso circuito.