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Eletrônica Analógica II – 2013 CENTRO UNIVERSITÁRIO UNIVATES CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO ELETRÔNICA ANALÓGICA II REGULADOR DE TEMPERATURA COM AMPLIFICADOR OPERACIONAL Equipe: Eder Coser Egediel Lucas Ferreira Everson Boufet Lajeado, 10 de dezembro de 2013. Eletrônica Analógica II – 2013 1 INTRODUÇÃO O objetivo deste projeto é construir um regulador de temperatura com o uso de amplificadores operacionais. É um circuito projetado para controlar uma pastilha Peltier, baseado no funcionamento do efeito Peltier, pela modulação de largura de pulso, mais conhecida por PWM (Pulse Width Modulation). Este trabalho também tem como objetivo mostrar através de comparações de cálculos teóricos e simulações feitas no programa multisim, como é possível projetar e montar um regulador de temperatura por PWM. O circuito PWM será usado para controlar a tensão aplicada na pastilha de Peltier. Será visto como calcular os valores mais adequados de resistores, levando em conta a relação entre eles para se obter o ganho desejado. Através de tabelas e medições, poderá se ter uma boa percepção do funcionamento de amplificadores operacionais, mas principalmente, de como se obter uma tensão controlando somente a largura de pulso dessa tensão. 2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS Nesses tópicos não serão abordados mais detalhadamente componentes básicos, como resistores, capacitores, diodos, transistores e potenciômetros, pois o principal objetivo desse trabalho é saber como funcionam os amplificadores operacionais, e mostrar uma de suas várias aplicações. Amplificador Operacional Um amplificador operacional é um amplificador multiestágio com entrada diferencial cujas características se aproximam das de um amplificador ideal, que são: - Impedância de entrada infinita; - Impedância de saída nula; - Ganho de tensão infinito; - Resposta de frequência infinita; - Insensibilidade à temperatura Como já citado, é um amplificador com ganho muito elevado. Tem dois terminais de entrada: um terminal designado por terminal inversor(-) e o outro identificado por terminal não inversor(+). A tensão de saída é a diferença entre as entradas + e -, multiplicado pelo ganho em malha aberta: A saída do amplificador pode ser única ou diferencial, o que é menos comum. Os circuitos que utilizam amp ops frequentemente utilizam a realimentação negativa (negative feedback). Porque devido ao seu ganho elevado, o comportamento destes amplificadores é quase totalmente determinado pelos elementos de realimentação. Eletrônica Analógica II – 2013 Amplificadores operacionais Em circuitos, o amplificador operacional é representado pela figura abaixo. Representação - V- é a entrada inversora; - V+ é a entrada não-inversora; - Vout é a saída; Nesse trabalho foi utilizado o amplificador operacional MC1458, que é um amplificador operacional duplo, de elevado desempenho destinado a uma ampla gama de aplicações analógicas: somador seguidor de tensão integrador filtro ativo gerador de funções Pastilha Peltier A pastilha Peltier é uma pastilha termoelétrica, ou seja, é um semicondutor formado por dois materiais diferentes que quando submetidos à corrente contínua, uma junção absorverá calor e a outra dissipará calor, isto é, se aplicar uma dada corrente, a pastilha esfriará de um lado e aquecerá do outro. Com esta pastilha, pode-se aquecer ou esfriar um determinado lugar ou objeto. A pastilha Peltier pode ser alimentada com até 15,4V e 7A. O uso da refrigeração termoelétrica ainda é um pouco restrito. No setor de climatização a sua utilização encarece o produto e não apresenta tanta eficiência quando comparada ao ar condicionado split, por exemplo. Já na área de refrigeração, o uso de pastilhas de efeito Peltier está crescendo cada vez mais. Em bebedouros, seu uso é mais Eletrônica Analógica II – 2013 comum, pois não necessitam de uma potência muito elevada para que se atinja uma eficiência adequada. As pastilhas Peltier são perfeitas para certas aplicações e não recomendadas para outras. Dependendo de seu uso ela pode ser muito melhor que um compressor, por exemplo, para resfriar um microprocessador, ou pode se tornar inviável, que é o caso de um ar condicionado. Estas pastilhas são muito pequenas, leves e também não emitem qualquer ruído, e por não possuir peças móveis facilita a precisão no controle de temperatura. Pastilha Peltier As pastilhas termoelétricas operam utilizando o efeito Peltier. O efeito Peltier é a produção de um gradiente de temperatura em duas junções de dois condutores (ou semicondutores) de materiais diferentes quando submetidos a uma tensão elétrica em um circuito fechado (consequentemente, percorrido por uma corrente elétrica). A tensão aplicada aos pólos de dois materiais distintos cria uma diferença de temperatura. Este efeito ocorre porque uma junção destes materiais diferentes é dopada para atuar como um material do tipo P, tendo facilidade em receber elétrons. A outra junção atua como um material do tipo N, que tem facilidade em doar elétrons. Ao se aplicar uma corrente elétrica contínua no terminal de material tipo N, elétrons migram do material tipo P para o material tipo N. Em função disso, essas junções irão permitir o fluxo de calor. Assim, uma das superfícies esfria à medida que a outra aquece, sendo esse calor dissipado para o ambiente através de um sistema conveniente. Sentido da corrente numa pastilha Peltier Eletrônica Analógica II – 2013 Uma típica pastilha Peltier conterá uma série de elementos semicondutores do tipo P e tipo N, agrupados como pares, que agirão como condutores diferentes. Essa série de elementos é soldada entre duas placas cerâmicas. Funcionamento de uma pastilha Peltier Modulação por largura de pulso (PWM) A modulação por largura de pulso (PWM, de "Pulse Width Modulation") é uma técnica largamente utilizada para o controle de dispositivos e sinais, desde iluminação e acionamento de motores até áudio. Em sua forma mais simples, o PWM implica no chaveamento da entrada do circuito (alimentação ou sinal). Em um sistema PWM, a chave de estado sólido (normalmente IGBT, MOSFET ou transistor bipolar) usada para controlar o fluxo de corrente: ora não conduzindo corrente, ora conduzindo, mas provocando uma queda de tensão muito baixa; como a potência instantânea dissipada pela chave é o produto da corrente pela tensão elétrica a um dado instante, isso significa que nenhuma potência é dissipada se a chave fosse uma chave "ideal". Com uma taxa de modulação suficientemente elevada, simples filtros RC são freqüentemente utilizados para suavizar o trem de pulsos em uma tensão analógica estável. Para entender melhor como essa tecnologia funciona, parte-se de um circuito imaginário, composto por um interruptor, uma fonte de alimentação 6V, por exemplo, e a carga que deve ser controlada. A onda representante da tensão na carga é uma onda quadrada, simbolizando o pulso do PWM. A vantagem dos circuitos PWM como controladores, quandocomparado com os circuitos resistivos, é sua eficiência. Neste circuito, as perdas não ultrapassam 2%, enquanto em um circuito resistivo as perdas podem totalizar 20% da energia que deveria ser destinada à alimentação da carga. Além disso, os potenciômetros usados no PWM são menores e controlam uma grande variedade de cargas, ao contrário dos circuitos resistivos que são maiores e mais caros. Eletrônica Analógica II – 2013 3 MÉTODOS E MATERIAIS Procedimento O objetivo é de fabricar um regulador de temperatura com amplificador operacional, controlando uma pastilha Peltier usando PWM, para isso foram usados os seguintes materiais: 3 amplificadores operacionais duplo – mc1458n 4 resistores de 10KΩ 3 resistores de 1KΩ 1multímetro 1 capacitores de 100 uF 1 capacitor de 10 uF 1 transistor mosfet 50m024 1 potenciômetro de 220KΩ 1 Pastilha Peltier 1 sensor de temperatura lm 35 1 led 2 fontes de alimentação chaveada (12v/5a) 1 osciloscópio 1 placa padrão 5cm x 10cm O circuito da página seguinte foi montado no simulador multisim, e depois de analisado no simulador, foi montado numa protoboard. Foram feitas medições em várias partes do circuito, e só depois disso o circuito foi montado numa placa padrão. Eletrônica Analógica II – 2013 Circuito do regulador de temperatura Para facilitar o entendimento do circuito, será analisado cada estágio separadamente. Gerador de ondas triangulares Quando um sinal constante positivo é aplicado em um capacitor, ele produz uma rampa linear descendente, se o sinal for constante e negativo, a rampa será ascendente. Essa inversão ocorre devido ao circuito integrador inversor que é colocado na saída de um gerador de onda quadrada. Eletrônica Analógica II – 2013 A frequência de oscilação de saída da onda triangular depende da oscilação de entrada (sinal retangular), ou seja, a frequência é a mesma. Tanto a frequência da onda quadrada quanto à triangular se dá por: 𝑇 = 2 . 𝑅𝐹 . 𝐶1 . ln (1 + (2. 𝑅2)/𝑅1) f = 1/T R1 e R2 foram atribuídos: R1 = R2 = 10 KΩ A frequência desejada é de 4,5 Hz, Então: f = 1/T 4,5 = 1/T T = 1 / 4,5 T = 0,222 s 𝑇 = 2 . 𝑅𝐹 . 𝐶1 . ln (1 + (2. 𝑅2)/𝑅1) 0,222 2 = 𝑅𝐹 . 𝐶1 . ln (1 + 2. 10𝐾Ω 10𝐾Ω ) 0,111 = 𝑅𝐹 . 𝐶1 . ln (1 + 2) 0,111 ln (3) = 𝑅𝐹 . 𝐶1 𝑅𝐹 . 𝐶1 = 0,101137691 Eletrônica Analógica II – 2013 𝑅𝐹 = 0,101137691 𝐶1 Atribuindo um valor de 10 uF para ocapacitor C1, temos: RF = 10113Ω RF = 10KΩ RF1 = 10KΩ A tensão máxima de pico desejada é de 6 V, então: Vp = Vcc / ( 4 . R . C2 . f ) 6 = 12 / ( 4 . R . C2 . 4,5 ) ( 4 . R . C2 . 4,5 ) = 12 / 6 18 . R . C2 = 2 R . C2 = 2 / 18 R . C2 = 0,11 R = 0,11 / C2 Atribuindo um valor de 100 uF para o capacitor C2, temos: R = 1100 Ω R = 1 KΩ Circuito amplificador subtrator Este circuito permite que se obtenha na saída uma tensão igual à diferença entre os sinais aplicados, multiplicada por um ganho. Eletrônica Analógica II – 2013 O diodo zener é um 1N5229B, de tensão de 4,3 V, e potência 0,5W. Imáx = Pz/Vz Imáx = 0,5 / 4,3 Imáx = 116 mA Imín = 0,25 . Imáx Imín = 29 mA I = (Imáx . Imín)/2 I = 73 mA Rz = (Vcc – Vz)/I Rz = (12 – 4,3) / 0,073 Rz = 105 Ω Rz = 100 Ω Eletrônica Analógica II – 2013 O potenciêmetro de 1 KΩ teve seu valor atribuído, mantendo seu valor muito abaixo de R1 e R2 para não interferir no divisor de tensão. Vo = ( R2 / R1 ) . ( V1 – V2 ) Encontrando R1 e R2: O valor de R1 foi atribuído em 20 KΩ, e para se ter um ganho de 10 vezes: R1 = 20 KΩ R2 = R1 . 10 R2 = 200 KΩ O sensor de temperatura lm35 varia 10 mV por ºC, e como o ganho é de 10 vezes, cada ºC varia 100 mV. Circuito comparador Um comparador de tensão é um amplificador operacional de alto ganho ligado de forma a comparar uma tensão de entrada com uma tensão de referência. A saída estará no nível alto ou baixo, conforme a tensão de entrada for maior ou menor que a tensão de referência. Eletrônica Analógica II – 2013 É aqui que acontece o PWM, o sinal da onda triangular entra no pino negativo, e o sinal do circuito amplificador subtrator entra no pino positivo. A onda resultante é uma onda retangular. Quando a referência que entra no pino positivo se move, muda a largura do pulso da saída do comparador. Se a referência estiver no alto da onda triangular, a onda retangular resultante terá seus picos mais estreitos e seus vales mais largos. Se a referência estiver mais abaixo da onda triangular, a onda retangular resultante terá seus picos mais largos e seus vales mais estreitos. Referência no nível baixo Referência no nível alto O transistor mosfet serve para fazer o chaveamento da tensão, abrindo e fechando sempre que necessário. O led indica como está o PWM, se está no nível alto ou no nível baixo, variando o tempo em que fica aceso de acordo com o PWM. Eletrônica Analógica II – 2013 4 RESULTADOS Gráfico onda triangular Gráfico mostrando o PWM 5 CONCLUSÃO O projeto foi de grande importância para ganhar conhecimento sobre os amplificadores operacionais e de como controlar a tensão pela modulação de largura de Eletrônica Analógica II – 2013 pulso, o PWM, e de como é simples mas também útil a sua utilização. Foi adquirido um conhecimento sobre amplificadores que com certeza será útil para novos projetos. Ao analisar os resultados calculados, do simulador Multisim e os valores da prática, conclui-se que é simples projetar e construir um regulador de temperatura com amplificadores operacionais com controle por PWM, pois os valores teórios são parecidos com os valores práticos, e os componentes para a construção do regulador de temperatura são bem acessíveis para quem quiser construí-la. 6 BIBLIOGRAFIA BOYLESTAD, NASHELSKY. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. LTC http://eletronicos.hsw.uol.com.br/capacitor.htm http://pt.wikipedia.org/wiki/Amplificador_operacional https://mail.google.com/mail/u/0/?ui=2&ik=699fed3a1d&view=att&th=142c5fd29b883 259&attid=0.1&disp=inline&realattid=f_houvxe2r0&safe=1&zw http://www.labdegaragem.org/loja/media/catalog/product/cache/1/image/9df78eab3352 5d08d6e5fb8d27136e95/i/m/image_341.jpg http://labdegaragem.com/profiles/blogs/tutorial-como-utilizar-uma-placa-peltier-com- arduino http://www2.feg.unesp.br/Home/PaginasPessoais/ProfMarceloWendling/3--- amplificadores-operacionais-v2.0.pdf http://www.sabereletronica.com.br/artigos/1464-aplicaes-para-comparadores-de-tenso
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