Diversas são as técnicas com que o leitor pode contar para o controle da temperatura de um ambiente. Os sensores de temperatura disponíveis são de vários tipos, como por exemplo: NTCs, diodos, e até mesmo transistores, o que abre ao projetista uma infinidade de possibilidade práticas, algumas das quais exploramos neste artigo.
Nota: Artigo publicado na revista Eletrônica Total 158 de 2013.
Manter a temperatura de um ambiente constante é uma preocupação em muitos projetos. Podemos incluir neste projeto as câmaras de refrigeração, salas de trabalho, estufas, chocadeiras, e até mesmo os transmissores cujos cristais precisam estar em uma determinada temperatura para atender as exigências legais.
O projetista de aparelhos eletrônicos, simples ou complexos, cuja finalidade seja manter a temperatura de um ambiente constante, tem muitas opções.
Além dos sensores que podem ser de diversos tipos, os próprios circuitos de acionamento admitem as mais diversas configurações em função do que devem ativar.
Neste artigo, focalizamos de forma mais detida os principais tipos de projetos que envolvem o controle da temperatura ambiente e fornecemos também algumas sugestões práticas para os leitores que estão ocupados neste tipo de trabalho.
Os sensores
Para os controles mais comuns de temperatura podemos contar com diversos sensores, cuja escolha depende de diversos fatores como:
• Linearidade;
• Faixa de temperatura de operação;
• Sensibilidade;
• Custo. Damos a seguir algumas das características desses sensores.
Diodos
Quando polarizamos um diodo no sentido inverso, ou qualquer junção PN, uma pequena corrente ainda circula. Esta corrente é devida à liberação de portadores de cargas pela agitação térmica dos átomos da junção, conforme ilustra a figura 1.
Dentro da faixa de -40 °C a +125 °C a intensidade da corrente de fuga, como é denominada, varia quase linearmente com a temperatura absoluta, conforme mostra o gráfico da figura 2.
Em um trecho suficientemente pequeno desta curva, podemos considerar a resposta de um diodo como linear e, assim, usá-lo para a medida de temperaturas.
No entanto, as correntes obtidas de diodos comuns de silício (ou germânio), quando usados como sensores de temperatura são muito baixas, da ordem de poucos microampères, o que exige o emprego de etapas amplificadoras com elevado ganho e linearidade.
A forma mais simples de se obter um aumento da corrente de tais sensores é exibida na figura 3, e consiste no uso de um transistor único como seguidor de emissor. Esta configuração tem como característica o fato da elevada impedância de entrada da etapa se casar com as características do sensor, e com isso ser obtido também um elevado ganho de corrente.
Se mesmo com esta etapa ainda não tivermos um ganho suficiente para a aplicação desejada, poderemos partir para um Darlington, conforme visto na figura 4.
O ganho será dado aproximadamente pelo produto dos ganhos dos transistores usados, e a impedância de entrada será dada pelo produto da resistência da carga (Rx) pelo ganho da etapa. O acionamento de um relé a partir de um sensor deste tipo, pode ser conseguido com certa facilidade, utilizando--se o circuito da figura 5.
Este circuito não é de grande sensibilidade, mas mesmo assim, dependendo do ponto em que deve operar, é possível acrescentar um controle que consiste de um potenciômetro (conforme mostra a mesma figura).
Para maior sensibilidade podemos utilizar a configuração da figura 6, que tem por base um amplificador operacional.
O sensor (diodo) é ligado a um transistor de tal modo que este componente, com um resistor, formam um divisor de tensão. Esta tensão é aplicada então à entrada não inversora de um amplificador operacional.
A tensão de referência é aplicada à entrada inversora, na qual também temos uma realimentação que fixa o ganho do circuito. Deixando em aberto esta realimentação temos o ganho máximo e com isso uma ação de comutação mais aguda, conforme revela o gráfico da figura 7.
A tensão de referência determina o ponto de disparo e ele pode ser ajustado por meio de um potenciômetro. Se o transistor excitador for um NPN, teremos a energização da bobina do relé, quando a saída do operacional for positiva. Por outro lado, se usarmos um transistor PNP na configuração mostrada na figura 8, o acionamento ocorrerá com a saída em 0 V. Estas duas possibilidades podem levar o circuito a controlar tanto elementos de aquecimento como de refrigeração, mantendo o relé energizado somente nos momentos em que a alimentação de tais dispositivos se fizer necessária. Isso é importante para reduzir o consumo de energia do aparelho.
Uma versão mais sofisticada inclui o disparo de um TRIAC com um acoplador óptico, conforme apresenta a figura 9.
Neste caso, quando o LED for energizado, quer seja pelo nível alto quer pelo nível baixo na saída do operacional, teremos o disparo do TRIAC controlando assim cargas de potência elevada. O acoplador é do tipo que inclui um optodiac.
A realimentação do operacional controla, neste caso, o ganho, e o trimpot no divisor de referência fixa a temperatura em que ocorre o disparo. Uma característica importante deste circuito é o seu isolamento. Os optodiacs isolam eletricamente o circuito de controle da carga de alta potência, para maior segurança de operação.
Transistores
Quando aplicamos uma tensão entre o coletor e o emissor de um transistor, mantendo a sua base aberta, flui uma pequena corrente, denominada de fuga (Iceo), que também depende da temperatura.
Esta corrente tem a mesma natureza da corrente de fuga dos diodos e por isso permite que transistores comuns sejam usados como sensores de temperatura. Os circuitos de aplicações são basicamente os mesmos que vimos para os diodos, mas temos algumas possibilidades adicionais.
Podemos controlar a corrente de repouso e até mesmo amplificá-la com uma polarização conveniente da base do transistor, conforme mostra a figura 10.
Isso significa que, mesmo tendo as aplicações básicas dos diodos, o uso de um transistor como sensor de temperatura oferece alguns elementos adicionais para projeto.
Tanto nos casos dos diodos como dos transistores, e dos demais sensores de temperatura, é importante observar uma característica que influi muito no tipo de aplicação pretendida. Quando colocamos um sensor em contato com um determinado meio para "sentir" sua temperatura, demora um certo tempo até que isso ocorra.
Existe um intervalo de tempo durante o qual flui calor do sensor para o ambiente (se ele estiver em temperatura maior), ou do meio ambiente para o sensor (se o sensor estiver mais frio) até que seja atingido o equilíbrio térmico (figura 11). Este intervalo depende basicamente do material de que é feito o sensor, de suas dimensões e também da diferença de temperatura entre ele e o meio ambiente.
Reduzindo a um mínimo a capacidade térmica do sensor, teremos então a velocidade máxima de resposta, ou seja, a máxima "prontidão" que nos leva a um tempo mínimo de ação. Nos sensores para termômetros, esta característica é importante, embora no caso de controles menos críticos, como chocadeiras ou estufas, esta característica já não seja tão importante.
Os pequenos diodos de silício apresentam uma prontidão razoável, apesar de seus invólucros de vidro serem considerados ideais em termos de condutividade térmica. Diodos termométricos especiais como o da figura 12, utilizam invólucros especiais que reduzem a capacidade térmica e aumentam com isso sua prontidão, tornando-os ideais para aplicações em medidas de temperatura.
Estes diodos são ainda fabricados segundo processos que aumentam sua linearidade dentro da faixa de operação, tornando--os mais precisos.
Com relação aos transistores, por serem maiores, eles apresentam uma prontidão menor, mas também podem ser empregados em muitos projetos.
Na figura 13 temos um exemplo em que um transistor é usado para regular a polarização (corrente de repouso) de uma etapa de potência de um amplificador de áudio. O transistor deve ser montado em contato térmico com o dissipador de calor dos transistores de saída, conforme mostra a figura 14.
Com o aumento da temperatura dos transistores, tende a aumentar a corrente de fuga e com isso mais calor é gerado, em um processo cumulativo que culmina com a queima dos transistores de saída. "Sentindo" a elevação da temperatura dos componentes de potência, o transistor sensor compensa a polarização de base dos transistores de saída e, assim, impede uma elevação maior da corrente de repouso.
NTCs
Muito usados em sistemas de controle de temperatura são os NTC (Negative Temperature Coefficient). Estes componentes consistem em elementos resistivos cuja temperatura diminui de uma forma quase linear com a temperatura absoluta, veja a figura 15. Dependendo da sua construção e do material empregado, estes dispositivos podem apresentar resistências (à temperatura ambiente) que variam de poucos ohms a centenas de quilohms.
Os formatos dependem das aplicações, sendo mais comuns os mostrados na figura 16, que reúnem características de pequena capacidade térmica com boa condutividade de calor. Para os tipos na faixa de 1 kΩ a 100 kΩ, a utilização em circuitos simples de controle pode ser feita conforme os exemplos que daremos a seguir.
Em um aplicação mais simples, temos um medidor de temperatura com um NTC (sensor) e um microamperímetro como indicador. O circuito da figura 17 tem uma razoável linearidade em uma faixa de temperaturas da ordem de 0 a 50 °C, o que permite usá-lo como termômetro simples.
Para o disparo de um relé, a partir da elevação ou queda da temperatura no sensor, temos o circuito da figura 18.
O potenciômetro ajusta o ponto de disparo, ou seja, a temperatura em que o relé fica no limiar do fechamento de seus contatos. Este circuito opera bem na faixa de -10 a +100 °C, servindo como eficiente base para um projeto de controle de temperatura. Em uma aplicação mais sofisticada podemos contar com o uso de um amplificador operacional na configuração dada na figura 19.
Neste circuito ajustamos a tensão de referência por P1, de modo que na temperatura limiar do disparo, a tensão na outra entrada seja da mesma ordem, conforme o NTC usado. A resistência do NTC deve ser da mesma ordem que a metade de P1 na temperatura de disparo.
A grande variação de resistência que se obtém em função da temperatura torna este tipo de sensor ideal para controles de estufas, câmaras de refrigeração etc. Um fato importante que também precisamos analisar neste tipo de circuito é a sua histerese.
Conforme mostra a figura 20, a temperatura em que ocorre o fechamento de um relé é um pouco diferente daquela em que se obtém sua abertura. Isso ocorre porque a corrente de acionamento de um relé é maior que sua corrente de manutenção.
Se precisamos, por exemplo de 100 mA para acionar um relé, ele não abre seus contatos com os mesmos 100 mA, mas sim com um pouco menos, aproximadamente 90 mA, pois há uma corrente de histerese da ordem de 10 mA.
Em um controle de temperatura para uma estufa, por exemplo, esta histerese significa que não conseguimos mantê-lo exatamente em uma temperatura ajustada, mas sim dentro de uma faixa, conforme sugere a figura 21.
A largura desta faixa depende, justamente, da histerese do circuito. Com um amplificador operacional de alto ganho ou mesmo um bom comparador de tensão, podemos reduzir os efeitos pela histerese do relé, mas ainda assim ocorre o efeito da capacidade térmica do sensor.
Uma vez que o sistema seja acionado para aquecer um ambiente, por exemplo, uma estufa, em função de uma queda da temperatura, demora um certo tempo para que o sensor "sinta" a recuperação desta temperatura. Este tempo faz com que o relé seja desligado mesmo quando a temperatura pré-ajustada já tenha sido um pouco superada, conforme ilustra a figura 22.
Este problema também faz com que a atuação do sistema sempre ocorra em uma faixa, cuja a largura irá depender da prontidão com que o sensor responde as variações de temperatura. Circuitos bastante interessantes podem ser elaborados com base em NTCs, além daqueles que vimos.
Na figura 23 temos uma aplicação dupla, ou seja, em que um único NTC é usado para acionar um relé quando a temperatura cai abaixo de certo valor e acionar o segundo relé quando ela supera outro valor.
O circuito integrado pode ser um duplo 741 como o MC1458 (ou equivalente). P1 e P2 são os ajustes de acionamento dos dois relés. Uma aplicação importante para este circuito é acionar um aquecedor quando a temperatura cai abaixo de um valor mínimo ajustado, e acionar um sistema de refrigeração quando ela subir acima de um outro valor determinado.
Os contatos suplementares do relé podem ser usados para formar um sistema lógico que impede que as duas cargas sejam ativadas ao mesmo tempo. Outra configuração importante para controle de temperatura é a exibida na figura 24, que tem por base um discriminador de janela.
Este circuito mantém um relé energizado somente quando a temperatura está entre dois valores pré-ajustados. A diferença entre estes valores é a "janela" do circuito e pode ser alterada em função dos componentes da referência de tensão. Um duplo comparador de tensão como os da série CA139 (podem ser usados dois comparadores dos quatro disponíveis nos integrados desta série) funciona bem neste tipo de aplicação. Operacionais comuns, como o 741, também podem ser usados.
O circuito da figura 24 pode ser facilmente modificado para operar com optodiacs, obtendo-se assim, a configuração da figura 25. O funcionamento é o mesmo. Quando os LEDs infravermelhos dos optodiacs são excitados, os TRIACs conduzem alimentando as cargas de potência. O isolamento da carga em relação ao circuito de controle é total.
Podemos ainda modificar o circuito de modo que tenhamos uma janela de desativação, conforme revela o circuito da figura 26. Neste circuito, o relé se mantém desativado quando a temperatura do sensor está entre os dois valores pré-ajustados.
A largura da "janela" pode ser facilmente ajustada em função dos componentes da referência de tensão. Na saída, tanto podemos usar relés, conforme a aplicação indicada, como também opto acopladores do tipo com DIAC interno, caso em que podemos controlar diretamente um dispositivo de potência externo via TRIAC.
Outros circuitos
Existem circuitos integrados projetados especialmente para operar em controles de potência. Um integrado importante neste tipo de aplicação é o TDA1023 que consiste em um controle eletrônico para TRIACs, especialmente projetado para permitir o controle muito preciso de equipamentos de aquecimento.
Na figura 27 temos um circuito de aplicação para este integrado, indicado para potências de 1.200 W a 2.000 W, com uma faixa de temperaturas de 5 a 30 °C e usando o TRIAC BT139 da Philips Componentes. O circuito é projetado para a rede de 220 V e o NTC é de 22 kC) na temperatura ambiente.
O VDR é de 250 V e o diodo é um BYW56. O resistor ligado ao pino 11 do integrado deve ter uma tolerância de 1%.
