Regulador de temperatura COM AMPLIFICADOR OPERACIONAL

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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. 
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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 
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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 
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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. 
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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. 
 
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 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. 
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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 
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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. 
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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 
 
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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. 
 
 
 
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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. 
 
 
 
 
 
 
 
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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 
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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