Regulador de Temperatura (ART2251)

Descrevemos a montagem de um regulador de temperatura de precisão que atua sobre um elemento de aquecimento, mantendo assim aquecidas no ponto programado estufas, chocadeiras, fornos de secagem etc. O circuito admite cargas de alta potência para o aquecimento podendo, pois, ser usado em ambientes amplos com grande precisão.

Já descrevemos diversos tipos de circuitos eletrônicos capazes de manter á temperatura de um ambiente no ponto desejado.

Os princípios podem ser os mais diversos, sempre chegando aos resultados previstos, no entanto, dependendo da aplicação, o comportamento do circuito pode exigir modificações.

O que propomos neste artigo é um controle de temperatura que aciona um elemento de aquecimento quando a temperatura cai abaixo do ponto programado, voltando a desligá-lo quando ela atinge o ponto em questão.

Levando em conta a inércia do sensor, ligando e desligando o elemento de aquecimento, podemos manter a temperatura numa estreita faixa em torno do valor programado, conforme mostra a figura 1.

Figura 1 - A faixa de controle

Evidentemente, o elemento atua nos sistemas em que a temperatura exterior é sempre menor que a temperatura desejada, de modo que a elevação acima do valor programado não possa ocorrer de modo espontâneo, ou seja, sem a ação do elemento de aquecimento.

Outra característica importante deste circuito é o fato de utilizar um transformador de pulsos que garante isolamento do circuito de controle em relação ao circuito de carga, com grande segurança para o manejo do sensor ou sua instalação em local que possa ser tocado por animais ou pessoas.

O triac, por outro lado, pode ser de 8 a 16 ampères, o que significa a possibilidade de se acionar elementos de aquecimento de grande potência, o que torna a unidade aproveitável em ambientes de grandes dimensões.

A montagem do sistema é relativamente simples, não havendo componentes críticos ou ajustes que exijam equipamentos especiais, além de um simples termômetro.

Características

Tensão de alimentação: 110/220 VCA

Corrente máxima de carga: 8 ou 16 A (conforme triac)

Tipo de sensor: NTC

Faixa de temperaturas: 5°C acima da temperatura ambiente normal até 100°C

Consumo de energia típico: inferior a 10 W (sem o aquecedor)

Circuitos integrados: 3

Transistores: 1

Triacs: 1

O CIRCUITO

Podemos dividir o circuito em 4 blocos, para maior facilidade de análise, conforme mostra a figura 2.

Figura 2 – Diagrama de blocos do aparelho

O primeiro bloco consiste no sistema sensor de temperatura, que tem por base um amplificador operacional 741 ligado como comparador de tensão com ganho máximo (sem realimentação) e um NTC como transdutor termométrico.

R1 e o sensor NTC formam um divisor de tensão ligado à entrada não inversora do amplificador operacional.

É fácil perceber que, ligado à entrada não inversora, este divisor faz com que a saída do operacional tenda a acompanhar as variações de tensão no NTC, ou seja, a diminuir a tensão na saída quando a temperatura se eleva (a resistência do NTC diminui).

Na entrada inversora, entretanto, é ligado um segundo divisor de tensão, formado por formado por R2, P1 e R3, que fixa uma tensão de referência de tal modo que tenhamos um ponto de comutação rápida para a tensão de saída do operacional, conforme mostra a figura 3.

Figura 3 – Curva de resposta e circuito de entrada

Assim, se ajustarmos este divisor para que esta comutação ocorra com uma temperatura de 20 °C, quando a tensão entre R1 e o NTC se torna igual à aplicada ao pino 2 do integrado, o elevado ganho do operacional faz com que tenhamos uma transição rápida para a tensão de saída.

Assim, enquanto a temperatura se mantiver acima do valor fixado, a tensão na saída do operacional será praticamente nula em relação à -V.

No entanto, no instante em que a temperatura cai abaixo deste valor fixado, a tensão sobe imediatamente para perto de +V.

Esta transição é utilizada para controlar o segundo bloco do nosso circuito, que é o oscilador de relaxação com um transistor unijunção, alimentando um transformador de pulso.

Quando a temperatura está acima do normal (fixado), a tensão no emissor do transistor unijunção é praticamente nula e ele se encontra inoperante.

No entanto, quando a temperatura cai abaixo do valor fixado, temos a aplicação de uma tensão positiva ao transistor, a qual via R4 carrega C7 até o ponto de disparo.

Temos então um oscilador que opera na faixa de áudio, com a descarga a cada ciclo do capacitor C7 através do transformador de pulsos.

Este transformador de pulsos, com relação entre espiras de 1:1 é o elemento de disparo da terceira etapa, que tem um triac como elemento principal.

A frequência do oscilador unijunção é bem mais alta que a da rede de alimentação, de modo que, na sua operação, temos praticamente a aplicação da potência total na carga, conforme mostra a figura 4.

Figura 4 – Formas de onda no circuito

Veja que o 'transformador de pulsos além de proporcionar um sinal de disparo eficiente para o triac, também é a garantia de um isolamento total da etapa de controle do circuito de alta tensão da carga. Um transformador como o indicado neste texto tem um tempo de subida de pulso de apenas 0,5us quando usado com o 2N2646.

O triac usado neste circuito é um controle de onda completa, podendo ser para a rede de 110 ou 220 VCA, conforme as necessidades de cada projeto.

No artigo “Interface de Potência com acoplador óptico“ damos uma tabeIa para a escolha do triac adequado.

O bloco final deste projeto é a fonte de alimentação, que deve ser simétrica de 12 + 12 V.

Para esta finalidade podemos usar um transformador de 12 + 12 ou 15 + 15 V com aproximadamente 500 mA de corrente e dois integrados reguladores que garantem a estabilidade de funcionamento do aparelho, mesmo com variações de tensão da rede.

Como o consumo de corrente da fonte é muito pequeno, os integrados não precisam ser dotados de radiadores e até mesmo as versões de menor corrente para 12 V podem ser usadas.

MONTAGEM

Começamos por dar o diagrama completo do aparelho, sem a fonte de alimentação, na figura 5.

Figura 5 – Diagrama sem a fonte

Uma sugestão de montagem em placa universal é mostrada na figura 6.

Figura 6 – Montagem em placa universal

A fonte de alimentação é mostra da na figura 7.

Figura 7 – Fonte de alimentação para o aparelho

Os poucos componentes da fonte de alimentação podem ser soldados em pontes de terminais, conforme mostra a figura 8.

Figura 8 – Montagem em ponte

O sensor pode ser ligado ao circuito por meio de um fio longo, até 20 metros de comprimento, e assim instalado no local em que for mais importante a monitoração da temperatura.

O sensor é um NTC de 1 k a 50 k à temperatura que deve ser mantida pelo sistema (aproximadamente).

O resistor R1 deve ter o mesmo valor que o NTC perto da temperatura desejada.

O potenciômetro P1 (linear) permite um ajuste com variações de resistência do NTC de até 50% para mais ou para menos, sem problemas, e, com a ajuda de um termômetro como referência, pode até ser elaborada uma faixa de ajuste.

Esta faixa pode varrer temperaturas de até mais de 20°C para mais ou menos, em torno de um valor escolhido como referência.

Os resistores são todos de 1/8 ou ¼ W e os capacitores menores podem ser cerâmicos ou de poliéster.

Os eletrolíticos da fonte de alimentação devem ter tensão de trabalho de pelo menos 25 V.

O transistor unijunção deve ser o 2N2646 e o transformador de pulsos deve ser de relação entre espiras dos enrolamentos de 1 para 1.

Os fusíveis de proteção são importantes.

O de entrada da fonte é de 1 A e o de proteção do aquecedor X1 deve ter uma corrente 50% maior que a prevista para o elemento.

Este elemento de aquecimento deve ser escolhido de acordo com a aplicação, sendo mostrados na figura 9 alguns tipos que poderiam ser usados nesta aplicação.

Figura 9 – Elementos de aquecimento

Na figura 10 temos uma aplicação interessante em que um elemento de aquecimento para líquidos mantém uma cuba em determinada temperatura num laboratório de revelação ou laboratório de química.

Figura 10 – Aplicação em estufa

O sensor deve ser isolado, para não ter contato elétrico com a água e isso pode ser feito com um pouco de epóxi

Os diodos da fonte de alimentação podem ser substituídos por equivalentes, e um LED pode ser acrescentado para indicar o funcionamento do sistema.

Existe também a possibilidade de se agregar um LED entre o pino 6 do integrado e o +V da alimentação, de modo a indicar a atuação do sensor e a energização da carga.

PROVA E USO

Um teste imediato pode ser feito com a ligação de uma lâmpada incandescente comum de 40 a 110 W em lugar de X1.

Ligamos a unidade e ajustamos o potenciômetro até que a lâmpada acenda.

Aquecendo o sensor (NTC) com a aproximação do ferro de soldar ou de um fósforo (não encostar!), a lâmpada deve apagar.

Afastando a fonte de calor, depois de alguns segundos, a lâmpada deve voltar a acender.

Para ajustar o aparelho precisamos do elemento de aquecimento ou da lâmpada e de um termômetro como referência.

Tomando Como referência o termômetro num local em que possamos estabelecer a temperatura desejada, ajustamos P1 para o ponto exato em que ocorre o acionamento da carga (LED ou lâmpada podem ser usados como monitores).

Depois é só fazer a instalação do sensor e do aquecedor, observando uma certa distância entre eles, e, eventualmente, refazer os ajustes de P1.

Podemos fazer diversos ajustes e marcar as temperaturas correspondentes na escala do potenciômetro.

Com isso é só utilizar o aparelho.

Observe o ciclo de acionamento e desligamento da carga em intervalos regulares, que aumentam de freqüência nos dias mais frios.