UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
Disciplina: Instrumentação Eletrônica
Sensor de Temperatura que acionará ou desligará um cooler ou exaustor
Docente: Luciano Fontes Cavalcanti
Denis Keuton Alves
[email protected]
Jose Diego Firmino Bezerra
[email protected]
NATAL
DEZEMBRO/ 2010
Introdução
Neste trabalho, propomos um sensor de temperatura que acionará ou desligará um
cooler ou exaustor, usados para dissipação de potência em processadores e para o
resfriamento de gabinetes em computadores.
Esse mesmo projeto pode ser usado para o acionamento de condicionadores de ar,
aquecedores elétricos, como também na indústria onde precise de um controle de
temperatura.
Motivação
Os processadores atuais dissipam cada vez maior potência, principalmente
devido ao maior grau de integração presente nos circuitos integrados modernos;
isto está diretamente relacionado ao número de transistores presentes na pastilha
de silício. Caso o sistema de dissipação de potência não seja eficiente, a
temperatura da pastilha atingirá níveis que prejudicarão o funcionamento do
processador, inclusive podendo danificá-lo. Há um intervalo de operação fornecido
pelo fabricante; na maior parte dos casos, e principalmente no Brasil, estamos
interessados apenas na temperatura máxima aceitável. O mesmo raciocínio é válido
para os outros componentes presentes no gabinete do computador.
O cooler funciona como um ventilador, jogando ar de menor temperatura
sobre o processador (ou outro dispositivo eletrônico). Já o exaustor retira o ar
aquecido da parte interna do gabinete, jogando-o na parte externa. Os dois
mecanismos são importantes: o primeiro evita o aquecimento acima do tolerável do
processador, enquanto que o segundo evita que a temperatura no interior do
gabinete ultrapasse o indicado.
Proposta
Neste projeto utilizaremos coolers; porém, o mesmo projeto é valido no caso
de exaustores, bastando apenas trocar o dispositivo. Uma restrição inicial ao
projeto é o modo de operação dos coolers conhecidos; eles apresentam dois
estados bem definidos - ligado e desligado - e uma transição abrupta entre eles.
Depois de ligado, incrementos de tensão provocam uma variação pequena na
velocidade de rotação; além disso, a tensão em que o cooler passa a funcionar não
é necessariamente igual a que o faz parar. Assim, não pretendemos controlar a
velocidade, mas sim monitorar a temperatura para ligar e desligar o cooler. Como
queremos abaixar a temperatura do dispositivo eletrônico em questão, não nos
interessa ligar o cooler em uma velocidade abaixo da nominal.
Uma extensão para o projeto seria o monitoramento da velocidade do cooler
pelo computador. Para monitorar a velocidade pode ser usado o par fototransmissor/foto-receptor, preferencialmente na faixa de infravermelho para sofrer
menor influência da luz ambiente. Como o cooler normalmente é da cor preta,
pintando uma de suas abas de branco, saberemos quando ele completou cada
volta. Enviando esta informação para o computador, por meio da porta paralela,
seria feita a contagem do número de rotações por segundo e apresentado ao
usuário.
Projeto
Para o sensor de temperatura, pretendemos usar o LM35. Com a variação da
temperatura, a tensão na saída do sensor será alterada, e a tensão monitorada
também. Usamos um amplificador operacional para comparar esta tensão, e ativar
o cooler. O valor da alimentação do operacional definirá suas tensões de saída, já
que ele sempre estará saturado na fonte positiva ou negativa. O esquema proposto
encontra-se na Figura 2.
Para o acionamento do cooler será posto um transistor de potência (BD139)
funcionando como chave, que suporta 1A de corrente de coletor. Pelo fato da
tensão de saída do sensor ser baixa usamos um amplificador, para eleva essa
tensão para valores adequados para o nosso projeto. A temperatura escolhida para
o acionamento do cooler foi de 29°C, por isso tivemos que projeta o amplificador
para que na sua saída tivéssemos uma tensão de 6,7V para o acionamento do
cooler.
Outro fator levantado, e de extrema importância para o projeto, foi a
necessidade de uma janela para a comparação, ou seja, ao acionarmos o cooler
devemos esperar o cooler resfriar o dispositivo para uma temperatura menor do
que a de acionamento para desligarmos o mesmo. Isso deve ser feito para
evitarmos o constante acionamento e desligamento do cooler, diminuindo sua vida
útil, ou até mesmo danificando. Além disso, a temperatura no dispositivo tenderia a
se estabilizar no ponto de acionamento do cooler, o que já pode ser considerado
alto; colocando a janela, sempre que o dispositivo apresentar uma temperatura
elevada, o cooler será acionado e forçará a queda da temperatura a níveis
aceitáveis, sendo então desligado.
O diagrama de blocos do circuito projetado, contendo suas principais
características, pode ser visto na Figura 1. Os principais elementos são o sensor de
temperatura, o amplificador, o comparador, o circuito auxiliar de histerese para o
comparador, e o chaveador do cooler.
Figura 1: Diagrama de blocos do projeto.
Utilizamos como comparador o amplificador operacional TL072, e para
chavear o cooler o transistor BD139. Para a histerese, fizemos uma lógica com
resistores e um transistor. A figura 2 apresenta o diagrama esquemático completo
do projeto.
Figura 2: Projeto do sensor de temperatura para cooler.
A janela de comparação pode ser obtida com o uso de um comparador com
histerese. Este comparador faz uso de um transistor (foi usado o BC548) como
chave, pondo um resistor em curto ou não. Como conseqüência do curto deste
resistor, a tensão de referência para a comparação diminui de valor.
Passaremos agora ao cálculo dos resistores do circuito, que será alimentado
com 12 V devido à tensão nominal do cooler.
Agora poderemos calcular os resistores que farão parte do comparador com
histerese. Para que possamos acionar o
cooler na temperatura desejada,
precisamos fazer com que a entrada negativa do amplificador esteja em 8,1V com o
transistor em corte. Além disso, 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:
𝑅6 + 𝑅7
8,1
=
= 0,67
𝑅5
+
𝑅6
+
𝑅7
12
{
𝑅6
6,6
=
= 0,55
𝑅5 + 𝑅6 12
Com isto, obtemos os seguintes valores:
𝑅5 = 12𝐾Ω
{𝑅6 = 15𝐾Ω
𝑅7 = 10𝐾Ω
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 conseqüentemente VBE)
seja de 0,7 V quando a saída estiver alta. Logo, podemos fazer uso dos seguintes
resistores:
{
𝑅4 = 15𝐾Ω
𝑅3 = 1,2𝐾Ω
Por último, passemos para o cálculo dos resistores de polarização do
transistor de potência. Queremos acionar o cooler (transistor em saturação) quando
a saída do amplificador estiver alta, e desligá-lo (transistor em corte) quando a
saída estiver baixa. São dados que a média de corrente puxada por um cooler é da
ordem de 80mA, e que o hFE mínimo do transistor é de 40.
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 R2, obtivemos os seguintes valores:
𝑅1 = 3,3𝐾Ω
{
𝑅2 = 1𝐾Ω
Os valores dos resistores do amplificador foram encontrados a partir dos
valores de saída que teríamos que injetar no comparador para o acionamento do
cooler, que para o caso de acionamento deveria ser de 6,6V para uma temperatura
de 29°C. Com isso obtivemos os valores a seguir:
𝑅8 = 1𝐾Ω
𝑅9 = 2,2𝐾Ω
{
Componentes integrantes do projeto
Sensor de temperatura LM35;
Protoboard;
Amplificador Operacional TL082;
Amplificador Operacional LM741;
Transistor de Potência (BD139);
Transistor BC548;
Resistores;
Cooler;
Fontes CC.
Implementação
O circuito foi montado no Protoboard para análise do protótipo. Obtivemos
sucesso. Nela, conseguimos acionar o cooler quando a tensão na entrada positiva
do amplificador estava em 8,1 V e desligá-lo quando esta tensão caiu para 6,7 V. A
tensão sobre o cooler quando o mesmo estava em funcionamento foi de 11,9 V, o
que corresponde à tensão de alimentação subtraída do VCE de saturação do BD139.
Figura 3: Circuito montado no Protoboard
Figura 4: Circuito montado no Protoboard
As medidas obtidas no circuito final foram:
Tensão na entrada positiva do amplificador
(comparador) para acionamento:
8,1 V
Tensão na entrada positiva do amplificador
(comparador) para desligamento:
6,6 V
Tensão na saída do amplificador
(comparador) em nível alto:
10,8 V
Tensão na saída do amplificador
(comparador) em nível baixo:
1,1 V
Tensão sobre o cooler quando em
funcionamento:
11,9 V
Tensão sobre o cooler quando em repouso:
0,0 V
Temperatura de acionamento do cooler:
29°C
Temperatura de desligamento do cooler:
27,2°C
Tabela 1: medidas obtidas.
Considerações Finais
O circuito apresentou medidas excelentes, bem próximas aos valores teóricos.
Devido à dificuldade de obtermos o gráfico ‘resistência x temperatura’ do
sensor, não pudemos prever com precisão a temperatura de acionamento e
desligamento do dispositivo.
Além do controle de um cooler, o mesmo projeto pode ser utilizado para
controlar dispositivos que apresentem tensão nominal de 12 V, e com sensores com
coeficiente negativo de temperatura. Poderíamos controlar a temperatura de uma
geladeira (termostato), ativando ou desativando o compressor, ou a luminosidade
de um ambiente (com LDRs), controlando uma lâmpada de corrente contínua.