Estudo Dirigido – Sensor de Temperatura
Controle de temperatura em dispositivos eletrônicos Alexsandro Pereira Lopes1
Bruna Oliveira do Carmo1
Lincoln Nascimento1
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1 ETEP Faculdade, São José dos Campos, Brasil
RESUMO Este projeto tem como objetivo aplicar os conhecimentos adquiridos na disciplina de Amplificadores Operacionais. A situação problema consiste na elaboração de um circuito, que através de um sensor de temperatura, acione quando a temperatura se eleva, e desliga quando a temperatura abaixa, mantendo a temperatura ambiente. Este circuito pode ser usado para garantir que a temperatura dos dispositivos eletrônicos não atinja níveis altos, prejudicando o seu desempenho. Palavras-Chave: NTC; Cooler; Temperatura; Sensor.
1. INTRODUÇÃO O projeto "Controle de temperatura em dispositivos eletrônicos" tem a função de controlar o momento em que o cooler será acionado, através de um sensor de temperatura. O sistema vai controlar em que instante um transistor, que funcionará como uma chave eletrônica deve entrar em situação de corte ou saturação. O sistema fará o acompanhamento da temperatura, de modo a garantir que o acionamento e desligamento do cooler sejam feitos apenas quando necessário. No caso do nosso projeto foi utilizado um cooler, porém poderia ser utilizado um exaustor, ou qualquer outro dispositivo eletrônico, bastando para isso somente trocar o dispositivo.
2. OBJETIVO Projetar um cooler monitorado por um sensor NTC, para manter a temperatura ambiente, evitando o sobreaquecimento dos componentes eletrônicos.
3. DIAGRAMA EM BLOCOS O diagrama de blocos do projeto é mostrado na Figura 1.
Figura 1: Diagrama de blocos
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4. DIMENSIONAMENTO TEORICO DO CIRCUITO O circuito desenvolvido pelo grupo utilizou diversos componentes para o seu correto funcionamento, são eles: Sensor NTC: é um termistor ou componente eletrônico semicondutor sensível à temperatura, utilizado para controle, medição ou polarização de circuitos eletrônicos. Possui um coeficiente de variação de resistência que varia negativamente conforme a temperatura aumenta, ou seja, a sua resistência elétrica diminui com o aumento da temperatura, para fazer o ajuste de temperatura de acionamento, utilizamos um trimpot para compor o divisor resistivo junto ao termistor NTC. Foto do sensor na figura 2.
Figura 2: Sensor NTC
Amplificador operacional TL072: O TL072 é um circuito integrado que possui dois amplificadores operacionais de entrada dupla. Tem encapsulamento PDIP. Utilizado no circuito para fazer a comparação dos valores de tensão. Foto do circuito integrado na figura 3.
Figura 3: CI TL072
Transistor BD139: É um transistor de junção NPN, feito de silício. Utilizado no circuito para chavear o cooler. Foto do transistor na figura 4.
Figura 4: Transistor BD139
Transistor BC548: Transistor de junção NPN, neste circuito utilizado como chave, pondo um resistor em curto ou não. Foto do transistor na figura 5.
Figura 5: Transistor BC548
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O conceito de faixa histerese foi aplicado neste circuito para garantir uma diferença entre a temperatura de acionamento e a temperatura de desligamento do cooler. Isso é necessário pois caso as temperaturas forem iguais, o circuito pode ficar constantemente ligando e desligando o cooler, o que causaria o seu desgaste. Para este circuito auxiliar para histerese foi feita uma lógica com resistores e um transistor. O restante dos componentes são resistores e o trimpot para o dimensionamento do circuito. 5. DESENVOLVIMENTO DO PROJETO A montagem do projeto foi feita em uma placa com ilhas. Devido à tensão nominal do cooler, o circuito deve ser alimentado com 12V, o termistor usado possui uma resistência de 10 kΩ em temperatura ambiente (próxima a 25º C). Usando um resistor de 8,2 kΩ em série com um trimpot de 5 kΩ (valor comercial disponível no momento da compra, porém foi ajustado para 4,5 kΩ), obteremos uma tensão de 6,1V na entrada positiva do amplificador quando em temperatura ambiente e com o trimpot em sua posição média. Nesta mesma posição do trimpot, quando estivermos na temperatura desejada para o acionamento do cooler, teremos esta tensão aumentada para 8,1V. Para que o cooler acione na temperatura desejada, a tensão na entrada negativa do comparador precisa ser de 8,1V com o transistor em corte. Para podermos ter uma janela razoável (uma variação de 1,5 V no comparador), esta tensão deverá passar para 6,6 V quando o transistor estiver saturado. Logo: 𝑅3 + 𝑅4 8,1 = = 0,67 𝑅2 + 𝑅3 + 𝑅4 12 𝑅3 6,6 = = 0,55 𝑅2 + 𝑅3 12 Portanto: R2 = 12 kΩ; R3 = 15 kΩ; R4 = 10 kΩ Em seguida, devemos garantir que o transistor esteja em corte quando a saída do amplificador estiver baixa (aproximadamente 1,1V) e em saturação quando a saída estiver alta (aproximadamente 10,8V). Para isso, calculamos o divisor resistivo para que a tensão na base do transistor (e consequentemente VBE) seja de 0,7 V quando a saída estiver alta. Logo, podemos fazer uso dos seguintes resistores: R5 = 15kΩ; R6 = 1,2kΩ Queremos acionar o cooler quando a saída do amplificador estiver alta, e desliga-lo quando a saída estiver baixa. São dados que a média de corrente puxada por um cooler é da ordem de 100mA, e que o hFE mínimo do transistor é de 40.
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A corrente sobre o resistor R7 deve ser 10 vezes maior do que a da base do transistor (que será máxima em 2 mA); além disto, devemos ter 0,7 V na base do transistor quando a saída do comparador estiver em nível alto, para garantir a saturação. Arbitrando o valor de R8, obtivemos os seguintes valores: R7 = 3,3kΩ; R8 = 1kΩ Foram inseridos dois Led's, o vermelho para indicar quando o sistema estiver em processo de refrigeração, e o verde para indicar quando o sistema estiver refrigerado. O circuito completo do projeto é mostrado a seguir conforme Figura 6.
Figura 6: Esquema elétrico do projeto (Elaborado no sistema Proteus 8.0)
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6. TESTES PRÁTICOS O projeto foi montado no protoboard e em seguida transferido para a placa sem grandes problemas, conforme mostrado na figura 7. Os testes realizados apresentaram os seguintes resultados e conclusões: Uma vez o NTC aquecido, sua resistência diminui, a ponto que a tensão na entrada positiva do comparador atinge 8V, sua saída é saturada para alimentação (aproximadamente 12V) e o transistor Q2 satura-se, logo o cooler é acionado; O transistor Q1 também é saturado e o resistor do comparador (R4) é colocado em curto, alterando assim a configuração do divisor da malha de histerese e consequentemente modificando o limite inferior de comparação do TL072; O cooler refrigera o NTC, aumentando-se assim a resistência do mesmo até que a tensão no NTC obtenha o novo valor de comparação determinado pela malha da histerese (aproximadamente 6,6V). Quando a tensão na entrada positiva do comparador do TL072 atinge um valor menor do que 6,6V o cooler é desligado.
Figura 7: Circuito montado na placa
7. COMENTÁRIOS E CONCLUSÕES De forma geral, o projeto transcorreu de forma tranquila, sem grandes problemas em sua elaboração e montagem, e todo esse processo agregou conhecimento e experiência aos integrantes do grupo. A elaboração do projeto permitiu ao grupo colocar em prática os conceitos adquiridos em sala de aula. Trabalhar em grupo é um grande desafio, pois cada um possui as suas atividades, o seu trabalho e é difícil conciliar tudo isso, mas é muito importante, tanto para a vida pessoal quanto profissional. A elaboração do projeto é a aceitação de um desafio, e o trabalho em equipe exige planejamento, caso algo ocorra de forma incorreta, o grupo todo pode ser prejudicado
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8. REFERÊNCIAS SERMAN, D. V.; RAPOPORT, E.; GOMES, F. S.; MORAES, R. B. Controle de temperatura em dispositivos eletrônicos. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, 2002. TEXAS INSTRUMENTS. TL072 - Low-noise jfet-input operational aplifiers, disponível , acesso em: 23/11/2014.
em:
ST MICROELETRONICS PREFERRED SALESTYPES, BD139 - NPN Silicon Transistors, disponível em: , acesso em: 23/11/2014. FAIRCHILD SEMICONDUCTOR, BC548 - NPN General Purpose Amplifier, disponível em: , acesso em: 23/11/2014. ALIATRON, Sensor NTC, disponível em: , acesso em: 06/12/2014. MOJOTONE, CI TL072, disponível em: < http://www.mojotone.com/TL072-Dual-JFET-Input-Op-Ampimage.jpg>, acesso em: 06/12/2014. CHIPDIP, Transistor BD139, disponível em: < http://lib.chipdip.ru/191/DOC000191420.jpg>, acesso em: 06/12/2014. ELECTRON COMPONENTS, Transistor BD139, disponível em: , acesso em: 06/12/2014. SOFTWARE PROTEUS 8.0
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ANEXO 1 - DATASHEETS
CI TL072
TRANSISTOR BD139
TRANSISTOR BC548
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ANEXO 2 – FOTOS DO CIRCUITO
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