Projetos didáticos com sensores de temperatura são interessantes pelo que ensinam em termos do uso destes dispositivos como também pelo fato de que podem ser usados em aulas de física, principalmente termometria e termologia. O projeto didático que descrevemos pode ser implementado em cursos de tecnologia, física, como tema paralelo ou atividades STEM com muita facilidade e sem investimento elevado.
Temos duas abordagens possíveis para o experimento, as quais serão exploradas depois que descrevermos a montagem. As abordagens podem ser aplicadas ao ensino fundamental, médio, técnico e superior e até modificadas envolvendo cálculos.
O projeto
Quando a temperatura do sensor, um diodo comum, se elevar, o LED acende indicando o fato. Podemos usar um multímetro em lugar do LED para acompanhar melhor a ação do circuito. Também podemos ligar um relé em sua saída.
Com isso, o circuito pode ainda ser usado como um alarme experimental de aquecimento ou ainda em experimentos de física. Simples de montar, o sensor pode até ficar longe do circuito, possibilitando assim a realização de um sensoriamento remoto. O único ponto crítico deste projeto é que os transistores devem ser de boa qualidade, não apresentando fugas.
O circuito funciona baseado na corrente de fuga do sensor que aumenta com a temperatura. Se um dos transistores tiver uma fuga, ela se soma à corrente do sensor, falseando as indicações ou alterando de forma drástica o funcionamento.
O circuito é alimentado por pilhas e seu consumo muito baixo quando o LED se encontra apagado.
Na figura 1 temos o diagrama completo do termossensor ou alarme de temperatura.
Como se trata de montagem simples experimental ela pode ser realizada com base numa matriz de contatos, conforme mostra a figura 2.
O sensor pode ser qualquer diodo de silício de uso geral como o 1N4148. Observe sua polaridade.
Para a versão com multímetro, basta colocar o instrumento na escala baixa de correntes, por exemplo 0-10 mA e ligar em lugar de R2 e do LED. A polaridade das pontas de prova deve ser observada.
Na figura 3 temos a conexão do multímetro para esta versão do experimento.
Para a versão com relé deve-se usar um relé sensível de 6V e ligá-lo em lugar do multímetro.
Na montagem, observe a polaridade do diodo e a posição dos transistores.
Funcionamento
O circuito se baseia na corrente de fuga de um diodo quando polarizado no sentido inverso. Essa corrente é provocada pela liberação de portadores de carga pela agitação térmica. Isso significa que essa corrente depende da temperatura, conforme mostra o gráfico da figura 4.
Na prática, essa corrente é da ordem de microampères na temperatura ambiente, mas aumenta rapidamente quando a temperatura se eleva.
Um diodo ligado diretamente a um LED não seria capaz de fornecer corrente para seu acendimento em função da temperatura. Assim, para que possamos fazer isso, usamos dois transistores na configuração Darlington.
Dessa forma, temos a amplificação da corrente dada por um fator igual ao produto dos ganhos dos transistores. Assim, se cada transistor tiver ganho 100, o fator de amplificação será 100 x 100 = 10 000. Uma corrente de 10 uA de fuga no diodo, resultará numa corrente de 10 mA no LED.
Uma corrente de 50 uA no diodo será suficiente para se obter os 50 mA que tipicamente um relé sensível de 6 V precisa para seu acionamento. É claro que, na prática, os transistores BC548 podem ter ganhos bem maiores do que 100.
O experimento
Evidentemente, o diodo usado como sensor tem um limite de temperatura (em torno de 125º). Assim, não devemos expô-lo diretamente ao calor de uma chama.
No experimento básico temos algumas alternativas.
- Apoiar o sensor num objeto quente (não excessivamente quente). Veremos o LED aumentar de brilho gradualmente à medida que ele se aquece. Em alguns casos, segurando entre os dedos o sensor, o calor será suficiente para vermos o LED aumentar de brilho. Isso ocorrerá se os transistores usados tiverem um bom ganho.
Se você conhecer bem eletrônica, pode acrescentar um terceiro transistor na etapa Darlington aumentando o ganho. Para essa versão é de extrema importância que os transistores usados não tenham fugas.
- Aproximar o sensor de um objeto muito quente (sem encostar) como, por exemplo, a ponta de um ferro de soldar, conforme mostra a figura 6.
Um ferro de passar ou outro eletrodoméstico quente também pode ser usado como fonte de calor.
Uma aplicação técnica interessante seria usar o sensor para detectar componentes com sobreaquecimento numa placa. Seria evitado o toque dos dedos (com surpresas desagradáveis) como seria normalmente feito.
Propostas de atividades
a) Nível fundamental e médio
Para o nível fundamental e médio podemos explicar como funcionam os sensores de temperatura, sugerindo que os alunos procurem aplicações práticas em que eles são usados. Explicar como funciona um termostato, por exemplo e onde ele é empregado.
Pode-se simular um pequeno detetor de incêndio, deixando o sensor perto de um pequeno vasilhame em que se ponha um pouco de álcool e ele seja inflamado (experimento feito com a supervisão do professor). O sensor não deve ser atingido pela chama, mas ficar a certa distância para detectar seu calor.
O sensor pode ser ligado a um par de fios e poderíamos aproximá-lo de objetos quentes para que ele faça a detecção.
b) Nível Técnico
Montar o circuito e explicar seu princípio de funcionamento, com eventual levantamento da curva de sensibilidade com o uso do multímetro. Criar uma escala de conversão de corrente em temperatura.
- Fazer a versão com relé
- Analisar a prontidão do circuito
c) Nível superior
Analisar as características de corrente de fuga do diodo usado como sensor e fazer comparações com diversos tipos.
Criar uma aplicação prática que possa ser usada como um produto. Analisar o desempenho e as vantagens/desvantagens dos diodos em relação a outros tipos de sensores, definindo as aplicações (NTC, PTC, pares termoelétricos, etc).
Lista de Material
Q1, Q2 – BC548 ou equivalente – transistor de uso geral
D1 – Qualquer diodo de uso geral de silício – 1N4148, 1N914, etc.
R1 – 47 ohms x 1/8W – resistor – amarelo, violeta, preto
R2 – 470 ohms x 1/8 W – resistor – amarelo, violeta marrom (valores até 2k2 podem ser usados)
B1 – 6 V – 4 pilhas pequenas
S1 – Interruptor simples (opcional)
Diversos: matriz de contatos de 170 pontos ou maior, fios, suporte para 4 pilhas pequenas (AA), multímetro (opcional), relé de 6 V sensível (opcional).
Aperfeiçoamento de Termossensor (MIN427)
