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
Figura 1 - A faixa de controle](/images/stories/artigo2021/art2251_0001.jpg)
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
Figura 2 – Diagrama de blocos do aparelho](/images/stories/artigo2021/art2251_0002.jpg)
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
Figura 3 – Curva de resposta e circuito de entrada](/images/stories/artigo2021/art2251_0003.jpg)
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
Figura 4 – Formas de onda no circuito](/images/stories/artigo2021/art2251_0004.jpg)
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
Figura 5 – Diagrama sem a fonte](/images/stories/artigo2021/art2251_0005.jpg)
Uma sugestão de montagem em placa universal é mostrada na figura 6.
![Figura 6 – Montagem em placa universal
Figura 6 – Montagem em placa universal](/images/stories/artigo2021/art2251_0006.jpg)
A fonte de alimentação é mostra da na figura 7.
![Figura 7 – Fonte de alimentação para o aparelho
Figura 7 – Fonte de alimentação para o aparelho](/images/stories/artigo2021/art2251_0007.jpg)
Os poucos componentes da fonte de alimentação podem ser soldados em pontes de terminais, conforme mostra a figura 8.
![Figura 8 – Montagem em ponte
Figura 8 – Montagem em ponte](/images/stories/artigo2021/art2251_0008.jpg)
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
Figura 9 – Elementos de aquecimento](/images/stories/artigo2021/art2251_0009.jpg)
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
Figura 10 – Aplicação em estufa](/images/stories/artigo2021/art2251_0010.jpg)
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.
a) Fonte de alimentação
CI-1 - 7812 - circuito integrado regulador de tensão
CI-2 - 7912 - circuito integrado regulador de tensão
D1 a D4 - 1.N4002 - diodos retificadores de silício
S1 - interruptor simples
S2 - chave de tensão (1 x 2) 110/220 V
F1 – 1 A - fusível
T1 - transformador com primário de 110/220 V e secundário de 12 + 12 V ou 15+15 V x 500 mA
C1, C2 – 1000 uF x 25 V - capacitores eletrolíticos
C3, C4 – 100 uF x 16 V ou 25 V - capacitores eletrolíticos
b) Regulador
CI-3 - 741 - amplificador operacional
Q1 - 2N2646 - transistor unijunção
Triac - 4 a 16A - ver texto
NTC - termistor - ver texto
X1 - elemento de aquecimento – ver texto
F2 - fusível - ver texto
T2 - transformador de pulso TP 1:1
P1 – 47 k - potenciômetro linear
R1 – 1 k a 220 k - resistor - ver texto
R2 – 22 k - resistor (vermelho, vermelho, laranja)
R3 - 4k7 - resistor (amarelo, violeta, vermelho)
R4 - 47k - resistor (amarelo, violeta, laranja)
R5 - 470 ohms - resistor (amarelo, violeta, marrom)
C5, C6 – 100 nF - capacitor cerâmico ou de poliéster
Diversos: cabo de alimentação, suporte para fusível, ponte de terminais, radiador para o triac, placa de circuito impresso, fios, solda etc.