Controle analógico de temperatura com dois estados (ON-OFF) Deixe um comentário

Olá pessoal! Este artigo traz um circuito eletrônico para controle analógico de temperatura com dois estados (ON-OFF) de maneira simplificada, bem explicada e com a possibilidade de ajuste na temperatura de referência, o conhecido setpoint. Desta forma, você poderá acertar o circuito para atuar na temperatura desejada.

Controle analógico de temperatura com dois estados (ON-OFF)
Simulação do funcionamento | Fonte: Autoral

Com o advento tecnológico e a grande evolução da eletrônica digital, quando ouvimos a palavra “controle”, muitas vezes, de maneira automática, associamos a algo digital como PIC, Arduino e microcontroladores em geral. Mas não precisa ser assim! Vou te mostrar uma alternativa bem simples, barata e eficaz, utilizando somente eletrônica analógica para que você possa utilizar esse projeto integralmente ou como parte de algo maior para o controle de uma grandeza física, neste caso, aplicado à temperatura com o sensor LM35.

Componentes deste projeto

Montagem do Circuito

Iremos montar nosso projeto a partir do esquema eletrônico abaixo:

Controle analógico de temperatura com dois estados (ON-OFF)
Esquemático eletrônico | Fonte: Autoral

Explicação do Circuito

Este nosso projeto tem o seguinte funcionamento: quando a temperatura atingir nosso valor de setpoint, que será configurado para 50ºC, irá acionar o ventilador representado pelo motor no 4º bloco do circuito. Desta forma, estaremos projetando um circuito de controle que pode ser utilizado em diversas aplicações, desde gabinetes de computadores até em painéis industriais.

Neste projeto, não estamos considerando as variáveis de overshoot, que é a ultrapassagem da temperatura real em relação à temperatura desejada, nem estaremos inserindo um circuito eletrônico com histerese, que serve para evitar curtos acionamentos e desacionamentos quando a temperatura real estiver no limiar da ajustada como referência.

Separei o circuito em 04 partes para facilitar a compreensão do mesmo.

01 – Sensor de temperatura LM35

Controle analógico de temperatura com dois estados (ON-OFF)
LM35 | Fonte: Texas Instrument

As imagens acima são praticamente autoexplicativas. O Circuito Integrado LM35 é um sensor de temperatura que pode ser alimentado com tensão positiva entre 4 e 20V, nós estamos alimentando com +5V. Sua saída possui uma linearidade onde teremos 10mV para cada ºC, ou seja, quando a temperatura estiver em 50ºC teremos 500mV no terminal 2, tensão de saída do componente.

02 – Amplificação do sinal de saída do Sensor

Esta segunda etapa do circuito tem a função de amplificar o sinal de saída do LM35. Utilizando o Amplificador Operacional LM358 na configuração não inversora, com resistor de referência (RF) no valor de 30kOhm e o resistor de entrada (RI) no valor de 10kOhm, teremos um ganho no valor de 4. Para cada unidade na entrada não inversora, a saída do amplificador (pino 01) será 4 vezes maior.

A equação de saída então é dada por:

Controle analógico de temperatura com dois estados (ON-OFF)

Considerações importantes:

  • Diferentemente da maioria dos amplificadores operacionais, o LM358 pode ter mono alimentação, ou seja, pode ser alimentado com +5V no pino 8 e 0V (GND) no pino 4;
  • O LM358 possui internamente 02 amplificadores operacionais, desta forma não precisaremos de outro CI para a 3ª etapa do nosso circuito.

03 – Comparação entre valor real e valor programado

A lógica de funcionamento de um Amplificador Operacional na configuração de comparador é bem simples de se entender: se a tensão na porta não inversora for maior do que a tensão na porta inversora, a tensão de saída será +VSat, no nosso caso algo próximo de 3,8 e 4Vcc. O contrário também é verdadeiro, se a tensão na porta inversora do amplificador operacional for maior do que a tensão na porta não inversora, a tensão de saída será -VSat, no nosso caso é 0V (GND).

Controle analógico de temperatura com dois estados (ON-OFF)

Agora que vem o “pulo do gato”. Quando o LM35 registra 50ºC, sua saída será 500mV e a saída do primeiro AmpOp será 2V, consequentemente também será o valor de tensão na porta não inversora do nosso comparador. Nós precisamos dar uma referência para a porta inversora do comparador que seja entre 1,96V e 2V.

Quer saber de onde apareceram os 1,96V? é o valor na saída do Amplificador quando o LM35 registrar 49ºC.

Então esse é o motivo do arranjo de resistores com o potenciômetro no 3º bloco do circuito, a partir dessa configuração teremos a possibilidade de movimentar nosso resistor variável de forma a gerar uma referência em sua saída no valor de aproximadamente 2V.

Controle analógico de temperatura com dois estados (ON-OFF)

Controle analógico de temperatura com dois estados (ON-OFF)

O range de tensão possível nesse arranjo, excursionando o potenciômetro de 0 a 100%, será entre 1,667V e 2,5V. Convertendo para ajustes de temperatura (setpoint), nosso disparo pode ser regulado entre 41,6 e 62,5ºC.

04 – Driver de potência

A corrente máxima da saída do CI LM358 não é suficiente para acionar cargas mais pesadas como motores e lâmpadas, então estamos utilizando um transistor darlington NPN TIP122 com alto ganho para fazer esse trabalho. Quando a saída do comparador (etapa 3) é positiva, a saída (pino 7) tem a tensão de saturação do comparador que é aproximadamente 4Vcc, desta forma, com um resistor de 1k na base, ocorre a saturação do transistor, que por sua vez aciona o motor/ventilador.

Resultados

A simulação mostra bem o resultado do projeto, quando ocorre a alteração na temperatura no sensor LM35, subindo de 49 para 50ºC, o motor é acionado. Quando ocorre o contrário, a temperatura cai de 50 para 49ºC, o motor é desacionado.

Controle analógico de temperatura com dois estados (ON-OFF)
Simulação do funcionamento | Fonte: Autoral

Conclusão

Esse projeto atende amplamente quem quer fazer controles simples de temperatura, onde é importante o monitoramento, mas não as rampas de aquecimento ou resfriamento.

Pode ser implementado em um gabinete de computador, por exemplo, reforçando a refrigeração quando há necessidade. Outra aplicação pode ser em máquinas industriais, com a refrigeração próxima ao CLP ou IHM, aumentando a vida útil desses componentes de automação com alto valor, tanto no custo da compra de peças novas quanto no tempo de máquina parada. Claro que para determinadas aplicações algumas alterações deverão ser feitas, como a modificação do ventilador que deixei como sugestão, mas a utilização do conceito do circuito eletrônico ainda será o mesmo.

E aí, pensou em alguma aplicação diferente para este projeto?

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