Texto extraído do site INCB - www.newtoncbraga.com.br

Controles Automáticos de Temperatura (ART1929)

Diversas são as técnicas com que o leitor pode contar para controle da temperatura de um ambiente. Os sensores de temperatura disponíveis são vários como por exemplo NTCs, diodos, e até mesmo transistores, o que abre ao projetista uma infinidade de possibilidades práticas, algumas das quais exploramos neste artigo.

Manter a temperatura de um ambiente constante é uma preocupação em muitos projetos. Podemos incluir neste projeto câmaras de refrigeração, salas de trabalho, estufas, chocadeiras, e até mesmo transmissores cujos cristais precisam estar numa determinada temperatura para tender 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 uma forma mais detida os principais tipos de projetos que envolvam o controle de temperatura ambiente e forneceremos também algumas sugestões práticas para os leitores que estão envolvidos 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:

a) linearidade

b) faixa de temperaturas de operação

c) sensibilidade

d) custo

Damos a seguir algumas das características destes sensores:

1. Diodos

Quando polarizamos um diodo no sentido inversor, ou qualquer junção PN, uma pequena corrente circula. Esta corrente é devida a liberação de portadores de cargas pela agitação térmica dos átomos da junção, conforme ilustra a figura 1.

 

Figura 1 – Portadores de carga são liberadoscom ocalor
Figura 1 – Portadores de carga são liberadoscom ocalor

 

Dentre da faixa de -40º C a +125º C a intensidade da corrente de fuga, como é denominada, varia quase que linearmente com a temperatura absoluta, conforme o gráfico da figura 2.

 

Figura 2 – Variação da corrente de fuga com a temperatura
Figura 2 – Variação da corrente de fuga com a temperatura

 

Num trecho suficientemente pequeno desta curva, podemos considerar a resposta de um diodo linear e usá-lo até 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 micro-ampères, 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 mostrada na figura 3 consiste no uso de um transistor único como seguidor de emissor.

 

Figura 3 – Amplificador com transistor bipolar
Figura 3 – Amplificador com transistor bipolar

 

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, podemos partir para um Darlington, conforme mostrado na figura 4.

 

Figura 4 – Usando um transistor Darlington
Figura 4 – Usando um transistor Darlington

 

O ganho será dado aproximadamente pelo produto dos ganhos dos transistores usados, e a impedância de entrada será dada pelo produto da resistência de 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.

 

Figura 5- Acionamento de relé
Figura 5- Acionamento de relé

 

Este circuito não é de grande sensibilidade, mas mesmo assim dependendo do ponto em que deve operar pode-se acrescentar um controle, que consiste num potenciômetro conforme mostra a mesma figura.

Para maior sensibilidade podemos utilizar a configuração da figura 6 que tem por base um amplificador operacional.

 

Figura 6 – Sensor de temperatura com operacional
Figura 6 – Sensor de temperatura com operacional

 

O sensor (diodo) é ligado a um transistor de tai modo que este componente, com um resistor, forma um divisor de tensão. Esta tensão é aplicada então a entrada não inversora de um amplificador operacional.

A tensão de referência é aplicada a entrada inversora onde 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 mostra o gráfico da figura 7.

 

Figura 7 – Curva de comutação
Figura 7 – Curva de comutação

 

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 ocorre com a saída em 0 V.

 

Figura 8 – Usando transistor PNP
Figura 8 – Usando transistor PNP

 

Estas duas possibilidades podem levar o circuito a controlar tanto elementos de aquecimento como de refrigeração, mantendo o relé energizado somente nos momentos que a alimentação de tais dispositivos se fizer necessária. Isso é importante para reduzir o consumo de energia do aparelho.

Urna versão mais sofisticada inclui o disparo de um triac com um acoplador óptico, conforme mostra a figura 9.

 

Figura 9 – Controlando um triac
Figura 9 – Controlando um triac

 

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 dis-paro.

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.

 

2. 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 (lceo) 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 aplicação 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.

 

Figura 10 – Controlando a corrente de repouso num transistor como sensor
Figura 10 – Controlando a corrente de repouso num transistor como sensor

 

Isso significa que, mesmo tendo as aplicação 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 contacto 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).

 

Figura 11 – A inércia térmica
Figura 11 – A inércia térmica

 

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 não possam ser 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.

 

Figura 12 – Diodos termométricos usados em sensores possuem pequena capacidade térmica
Figura 12 – Diodos termométricos usados em sensores possuem pequena capacidade térmica

 

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.

 

Figura 13 – Usando um transistor como sensor para controlar a corrente de repouso num amplificador
Figura 13 – Usando um transistor como sensor para controlar a corrente de repouso num amplificador

 

O transistor deve ser montado em contacto térmico com o dissipador de calor dos transistores de saída, conforme mostra a figura 14.

 

Figura 14 – Montagem do transistor sensor
Figura 14 – Montagem do transistor sensor

 

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.

 

3.NTCs

Muito usados em sistemas de controle de temperatura são os NTC (Negative Temperatura Coeffícient).

Estes componentes consistem em elementos resistivos cuja temperatura diminui de uma forma quase que linear com a temperatura absoluta, conforme mostra a figura 15.

 

Figura 15 – Características do NTC e PTC
Figura 15 – Características do NTC e PTC

 

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 os mais comuns os mostrados na figura 16, que reúnem características de pequena capacidade térmica com boa condutividade de calor.

 

Figura16 – NTCs e PTCs comuns
Figura16 – NTCs e PTCs comuns

 

Para os tipos na faixa de 1 k ohms a 100 kohms, a utilização em circuitos simples de controle pode ser feita conforme os exemplos que damos a seguir.

Numa aplicação mais simples, temos um medidor de temperatura com um NTC (sensor) e um microamperímetro como indicador. O circuito da figura 17 tem urna razoável linearidade numa faixa de temperaturas da ordem de 0 a 50°C, o que permite usá-lo como termômetro simples.

 

Figura 17 – Circuitos simples com NTC
Figura 17 – Circuitos simples com NTC

 

Para o disparo de um relé, a partir da elevação ou queda da temperatura no sensor, temos o circuito da figura 18.

 

Figura 18 – Acionando um relé
Figura 18 – Acionando um relé

 

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 -10º a +100°C, servindo como eficiente base para um projeto de controle de temperatura.

Numa aplicação mais sofisticada podemos contar com o uso de um amplificador operacional na configuração da figura 19.

 

Figura 19 – Sensor com amplificador operacional
Figura 19 – Sensor com amplificador operacional

 

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 e da mesma ordem que a metade de P1 na temperatura de disparo.

A variação grande de resistência que se obtém em função da temperatura tornam este tipo de sensor ideal para controles de estufas, câmaras de refrigeração, etc.

Um fator imponente 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.

 

Figura 20 – A histerese
Figura 20 – A histerese

 

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. Há, pois uma corrente de histerese da ordem de 10 mA.

Num controle de temperatura para uma estufa, por exemplo, esta histerese significa que não conseguimos mantê-la exatamente numa temperatura ajustada, mas sim dentro de uma faixa, conforme sugere a figura 21.

 

Figura 21- Faixa de controle devido à histerese
Figura 21- Faixa de controle devido à histerese

 

A largura desta faixa depende justamente da histerese do circuito.

Com um amplificador operacional de alto-ganho ou ainda 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 desacionado mesmo quando a temperatura pré-ajustada já tenha sido um pouco superada, conforme mostra a figura 22.

 

Figura 22 – Inércia devido à histerese do relé
Figura 22 – Inércia devido à histerese do relé

 

Este problema também faz com que a atuação do sistema sempre ocorre numa faixa em que a largura dependerá da prontidão com que o sensor responde as variações de temperatura.

Circuitos bastante interessantes podem ser elaborados com base em NTCs, além dos 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 outro quando supera outro valor.

 

Figura 23 – Controle duplo
Figura 23 – Controle duplo

 

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 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 mostrada na figura 24 e que tem por base um discriminador de janela.

 

Figura 24 – Usando um comparador de janela
Figura 24 – Usando um comparador 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 LM139 (podem ser usados dois comparadores dos quatro disponíveis nos integrados desta série) funcionam 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.

 

Figura 25 – Operando com foto-diacs
Figura 25 – Operando com foto-diacs

 

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 o circuito da figura 26.

 

Figura 26 – Modificação do circuito
Figura 26 – Modificação do circuito

 

 

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 os 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.

 

4. Outros circuitos

Existem circuitos integrados projetado especialmente para operar em controles de potência.

Um integrado importante neste tipo de aplicação é o TDA1023 que consiste num 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 1200 W a 2 000 W, com uma faixa de temperaturas de 5 a 30°C e usando o triac BT139 da Philips Componentes, que também fabrica o circuito integrado.

 

Figura 27 – Controle com o TDA1023 (já difícil de encontrar em nosso mercado, pois o artigo é de 1994)
Figura 27 – Controle com o TDA1023 (já difícil de encontrar em nosso mercado, pois o artigo é de 1994)

 

O circuito é projetado para a rede de 220 V e o NTC é de 22k ohms na temperatura ambiente.

O VDR é de 250 V e o diodo é um BYW56. O resistor ao pino 11 do integrado deve ter uma tolerância de

 

CONCLUSÃO

Os projetos e ideias que apresentamos aqui, são apenas uma pequena parcela do que é possível fazer em termos de controles de temperatura. Nos nossos artigos temos abordado frequentemente o assunto em projetos isolados, que também podem servir de base para os que frequentam nosso site complementando assim o material deste artigo.