Termostato de uso geral (ART383)

Como controlar de maneira eficiente a temperatura de uma estufa, de uma sala de secagem, de uma câmara frigorífica ou mesmo de um balcão refrigerado? Um sensor ligado a um circuito eletrônico formam um termostato, e essa solução é a mais eficiente e também de mais fácil implementação. Neste artigo descrevemos um projeto que pode ser usado na versão básica para manter a temperatura de estufas, chocadeiras e câmaras de secagem.

Manter a temperatura de um ambiente numa faixa estreita de valores não é um problema tão simples de resolver quanto pode parecer à primeira vista. De fato, a inércia dos sensores, o tempo necessário para o elemento que aquece ou esfria, demora para atuar sobre o ambiente são alguns fatores que podem gerar uma curva de ação bem diferente da resposta instantânea que seria de se esperar neste caso.

Assim, conforme mostra a figura 1, dependendo desses fatores não teremos uma ação como a indicada em (a) em que a temperatura se obtém rigorosamente invariável quando a temperatura externa varia, mas sim uma ação como amostrada em (b) em que se leva em conta uma faixa mais ou menos estreita de temperaturas que será mantido o ambiente.

Curvas de temperatura de sistemas controlados por termostato.

A largura desta faixa, que pode variar entre fração de graus centígrado até alguns centígrados, depende justamente da velocidade de reposta do sensor assim como da velocidade segundo a qual o sistema que refrigera ou aquece o sistema pode atuar.

Usando um sensor localizado em local apropriado e elementos de aquecimento e refrigeração eficiente, o termostato que descrevemos neste artigo pode operar em faixas estreitas o bastante para permitir sua utilização em projetos mais críticos como chocadeiras.

O aparelho consta, portanto, de um sensor de temperatura que alimenta um circuito de controle que por sua vez alimenta um elemento de aquecimento ou de refrigeração. O elemento pode ser resistivo de até 300 watts para a rede de 110V e 600W para a rede de 220V ou de outro tipo para o caso de sistema de refrigeração.

Uma das características importantes que merece ser destacada neste projeto é a sua simplicidade em relação ao material usado. O próprio sensor é um diodo comum, devendo apenas ser observado que tais componentes não devem ser usados em temperaturas superiores a 125 graus Centígrados.

A faixa de temperaturas do aparelho vai de -40 a +125 graus centígrados o que abrange uma infinidade de aplicações práticas.

CARACTERÍSTICAS

* Tensão de alimentação: 110/220 VCA

* Potência máxima do elemento controlado: 300 W na rede de 110V e 600W na rede de 220V

* Faixa de temperaturas de controle: -40 a +125 graus centígrados

COMO FUNCIONA

Para controlar a potência aplicada ao elemento controle e que portanto vai fixar quanto ele aquece ou esfria, utilizamos um SCR. O circuito é dado em duas versões conforme o aquecimento ou esfriamento desejado. Para manter numa faixa de aquecimento pouco maior do que a temperatura ambiente, por exemplo, numa chocadeira, podemos ter a operação em meia onda, com o elemento aquecendo pouco, conforme mostra a figura 2.

Operação "suave" de meia onda.

No entanto para uma câmara de secagem ou mesmo pequeno forno, em que precisamos de aquecimento maior, a operação deve ser feita com a alimentação em onda completa. Para este caso o circuito contará com uma ponte de diodos adicional, conforme mostra a figura 3.

Operação em onda completa.

Ventiladores e outros dispositivos com motores universais podem ser controlados pelo SCR caso o sistema opera para manter a temperatura de um ambiente abaixo da temperatura externa.

O ponto de disparo do SCR em cada semiciclo da tensão da rede de energia determina a potência aplicada ao elemento que mantém a temperatura no ambiente.

Assim, se o SCR dispara no início do semiciclo, o ângulo de condução será maior e com isso maior potência será aplicada ao elemento. Se o SCR dispara no final do semiciclo, temos um ângulo de condução menor e com isso menor potência será aplicada ao elemento.

Conforme mostra a figura 4, entre esses dois pontos, podemos ter qualquer ângulo de condução que determinará quanto vai aquecer ou esfriar o elemento usado no controle do ambiente.

Formas de ondas no elemento de aquecimento com duas formas de disparo.

O ponto de disparo do SCR no ângulo de condução é determinado pelo disparo de um transistor unijunção.

Temos no emissor deste transistor um circuito RC onde P1é o ramo ajustável do circuito e que permite fixar o ponto de disparo de modo a se ter a temperatura média do ambiente.

O capacitor carrega-se então pelo trimpot P1e pelo resistor R5até o ponto em que se obtém o disparo do unijunção. Neste ponto, um pulso de disparo é gerado, levando o SCR à plena condução.

Em paralelo com o capacitor temos a conexão de um transistor que tem em seu circuito de base o sensor de temperatura.

O sensor é um diodo comum polarizado inversamente.

Conforme sabemos, num diodo polarizado inversamente circula uma corrente muito fraca (corrente de fuga) que depende da temperatura em que o componente se encontra.

Maior a temperatura, mais portadores de carga são liberados e mais intensa se torna a corrente. Para um diodo comum obtém-se uma característica de fuga mais ou menos linear, conforme mostra a figura 5 que permite usar este componente como um bom sensor de temperatura.

Dependência da corrente de fuga com a temperatura.

A corrente do diodo, que corresponde à temperatura ambiente é amplificada pelo transistor que então curto-circuita em maior ou menor grau a corrente que carrega o capacitor.

Assim, se a temperatura se eleva para além do limite fixado, o transistor conduz mais e a corrente de carga de C1diminui, o que atrasa o ponto de disparo de Q1no semiciclo. O resultado é uma menor aplicação de potência no elemento de aquecimento, que então "esfria" um pouco.

Para obter uma ação inversa num circuito de refrigeração, devemos usar o circuito da figura 6.

Operação com sistema de refrigeração.

Nele o aquecimento excessivo, faz com que o transistor conduza mais e carregue mais rápido o capacitor, aumentando assim a ação do circuito de refrigeração.

Uma vez ajustado, o circuito vai manter com boa precisão a temperatura dentro de uma faixa escolhida. Um segundo ajuste é colocado junto ao sensor de modo a otimizar sua atuação.

MONTAGEM

Começamos por dar o diagrama completo da versão básica na figura 7. Esta é a versão para estufas e chocadeiras que utiliza um elemento de aquecimento que vai operar com média potência.

Diagrama completo da versão estufa e chocadeira.

Para uma versão de maior potência, para fornos e aplicações semelhantes, basta acrescentar a ponte de diodos na entrada de modo a se obter um controle de onda completa conforme mostra a figura 8.

Versão de onda completa (alterações).

A placa de circuito impresso para esta versão básica é mostrada na figura 9.

Placa de circuito impressor para o circuito da estufa e chocadeira.

O SCR deve ter o sufixo B se a rede de alimentação for de 110V e sufixo D se a rede for de 220V. Nos dois casos, este componente deve ser montado num bom radiador de calor.

O fusível é importante para proteger o circuito e se for usada a ponte de diodos, devem ser 1N5404 se a rede for de 110V e 1N5407 se a rede for de 220 V.

Os resistores são todos de 1/8W exceto R1que é de 5W de fio. O valor entre parêntesis no diagrama é para a rede de 220V.

O capacitor C1pode ser de poliéster ou cerâmico e seu valor estará na faixa de 220nF a 470 nF. Ele necessitará de alterações eventualmente se houver uma dificuldade no ajuste da temperatura desejada, em função das características dos demais elementos usados no aparelho.

O sensor é um diodo comum que deve ficar protegido contra umidade. Uma proteção para seus terminais com capas de fio e depois um pouco de cola impermeável pode ajudar a fazer isso, conforme mostra a figura 10, se a operação for em atmosfera úmida ou sujeita a borrifos de água.

O sensor deve ficar com os terminais protegidos.

O transistor Q2 admite equivalentes mas não o transistor Q1.

O conjunto pode ser montado numa caixa de plástico ficando apenas o elemento de aquecimento e o sensor no local em que a temperatura deve ser controlada. O sensor não deve ficar junto ao elemento de aquecimento (ou refrigeração) mas sim afastado, pois deve "sentir" a temperatura do ambiente.

AJUSTES E USO

Na figura 11 damos uma sugestão de uso para uma pequena estufa que deve manter plantas numa temperatura acima da ambiente durante o inverno (para orquídeas, por exemplo).

Uso do termostato numa estufa para as plantas

O sensor é colocado um pouco acima da terra enquanto que o elemento de aquecimento é um fio de nicromo que serpenteia sob a terra de modo a se aquecer levemente e assim transferir esse calor para o canteiro.

O ajuste deve ser feito com base nas indicações de um termômetro comum, levando-se P1e P2aos pontos em que a temperatura se mantém dentro da faixa desejada.

Coloque inicialmente P2na máxima resistência e ajuste P1para obter a temperatura. Este ajuste é demorado, pois podem demorar vários minutos até que o ambiente responda as variações de aquecimento do elemento.

Diversos são os elementos que podem ser usados para aquecimento como, por exemplo, resistores de fio de 10k ? x 10W ou 22 k ? x 10W em paralelo, ou mesmo lâmpadas.

Para o caso de chocadeiras, as lâmpadas devem ser obscurecidas com algum material que suporte bem o calor, para não cegarem os pintinhos ou outras aves encubadas.

ELIMINANDO INTERFERÊNCIAS

A comutação rápida de dispositivos semicondutores como os SCRs gera ruídos que podem afetar a recepção de rádios AM próximos e até mesmo televisores, causando o aparecimento de uma espécie de chuvisco.

Estes ruídos se propagam principalmente pela própria rede de energia, chegando assim aos aparelhos interferidos pelos cabos de alimentação.

Para evitar esta interferência existem duas soluções.

A primeira consiste em se intercalar entre o termostato e a rede de energia um filtro que tem a configuração mostrada na figura A.

A - Intercalando com um filtro.

Nesse filtro os capacitores devem ser de poliéster com uma tensão de isolamento de pelo menos 400V se a rede for de 110V e 600V se a rede for de 220V. Os indutores são formados por 30 a 50 voltas de fio comum num bastão de ferrite.

A segunda possibilidade é empregada quando o aparelho comuta cargas indutivas como, por exemplo, o motor de um ventilador. Ligamos então em paralelo com o SCR, da maneira mostrada na figura B um resistor e um capacitor.

B - Ligando em paralelo um capacitor e um resistor.

O resistor e o capacitor amortecem os pulsos de alta tensão gerados na comutação do motor e que poderiam tanto afetar o SCR como se propagar pela rede de energia na forma de interferência.