Arduino Lab 14 Controle de temperatura com placas Peltier Parte 1

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1 Arduino Lab 14 Controle de temperatura com placas Peltier Parte 1 Neste Lab descreveremos o modo de ligação das placas Peltier para um melhor rendimento, o método de leitura de temperatura utilizando NTC s e a leitura de corrente elétrica consumida pelas placas através sensor ACS712 de 20 A. O efeito Peltier O efeito Peltier é a produção de um gradiente de temperatura na junção de dois condutores (ou semicondutores) de materiais diferentes quando submetidos ao fluxo de uma corrente elétrica em um circuito fechado. Este efeito foi observado em 1834 por Jean Charles Athanase Peltier, 13 anos após Thomas Johann Seebeck ter descoberto o efeito Seebeck em 1821 que comtempla o aparecimento de uma corrente elétrica quando uma junção de dois materiais diferentes são submetidos a um aquecimento (contrário ao efeito Peltier). Jean Peltier descobriu efeitos termoelétricos quando introduziu pequenas correntes elétricas externas num termopar de bismuto/antimónio. Os experimentos demonstram que, quando uma pequena corrente elétrica atravessa a junção de dois metais diferentes numa direção, a junção arrefece absorvendo energia por calor do meio em que se encontra. Quando a direção da corrente é invertida, a junção aquece, aquecendo o meio em que se encontra. Este efeito está presente quer a corrente seja gerada pelo próprio termopar quer seja originada por uma fonte de tensão externa. Um esquema indicando o efeito Peltier Seebek está disposto na figura abaixo.

2 Esquema efeito Peltier Seebek PASTILHAS PELTIER O módulo de Peltier ou simplesmente Pastilha Peltier é a maneira mais prática de se utilizar o efeito Peltier como refrigerador ou aquecedor em larga escala e consiste em um arranjo de pequenos blocos de Telureto de bismuto Bi2Te3 dopados tipo N e tipo P montados alternadamente e eletricamente em série entre duas placas cerâmicas com boa condutividade térmica. Este arranjo de montagem faz com que todos os termo elementos bombeiem o calor na mesma direção (do lado frio para o lado quente). As figuras abaixo ilustram a construção típica deste tipo de módulo.

3 Esquema de uma pastilha Peltier Detalhe do esquema de uma pastilha Peltier Consequentemente, com a transferência de calor de um lado para o outro, o lado quente elevará sua temperatura a níveis indesejáveis onde haverá um refluxo de calor para o lado frio e a placa não mais esfriará. Além disso, os elementos internos da placa terão sua junção superaquecida e consequentemente se romperão, o que inutilizaria a pastilha. A figura abaixo ilustra uma pastilha desmontada que sofreu sobreaquecimento e rompimento dos elementos internos.

4 Elementos internos de uma pastilha danificada por excesso de calor Para resolver este problema, um dissipador de calor deve ser acoplado ao lado quente mesmo quando o objetivo é o aquecimento de uma superfície (aplicação de conservadores de alimentos prontos). Como o objetivo deste trabalho é o resfriamento, no lado quente acoplamos um dissipador com superfície de contato em cobre (ótima transferência térmica) e uma ventilação forcada com um cooler típico em 12V. A figura abaixo ilustra um esquema básico e a montagem adotada neste lab. Esquema básico de montagem da placa

5 Detalhe dissipador de calor lado quente Nesta aplicação duas pastilhas foram empilhadas para a obtenção de um maior delta de temperatura, abaixo de zero C (-14 C dependendo da temperatura ambiente). A imagem abaixo ilustra esta montagem onde o sensor de temperatura foi fixado junto as pastilhas com a ajuda de uma abraçadeira de Nylon. Detalhe placa Peltier em baixa temperatura Leitura de corrente com o

6 ACS712 O módulo de leitura de corrente utilizado neste Lab possui o sensor ACS712 da empresa Allegro MicroSystems. A imagem deste módulo está indicada abaixo. Imagem modulo com o ACS712 Este dispositivo consiste de um sensor de efeito Hall que capta o campo magnético gerado pela corrente que circula em um condutor de cobre interno ao encapsulamento do chip, com uma resistência típica de 1,2 mω, e a transforma em uma tensão proporcional a corrente conduzida. Segundo o fabricante, a precisão do dispositivo está ligada a proximidade do condutor interno ao sensor de efeito Hall. O esquema abaixo ilustra a dinâmica entre e passagem de corrente e a geração da tensão de saída pelo sensor.

7 Esquema de funcionamento de um sensor Hall A tensão de saída deste sensor é sempre positiva e quando não há circulação de corrente elétrica pelo mesmo a saída é a metade da tensão de alimentação do chip. O valor típico para a alimentação do mesmo é em 5 V, logo sua saída será em torno de 2,5 V para I=0. O sentido de circulação da corrente pelo sensor é que determinará se a tensão de saída irá aumentar em um range de 2,5 até 5V ou de 2,5 até 0V para a corrente circulando em sentido contrário. Com passos de 100mV para cada 1A e sendo o sensor para uma corrente máxima de 20A, teremos: Através da simples fórmula acima conseguimos enxergar que a variação no range de 2,5 V disponíveis é menor no momento da leitura, o que nos fornece uma margem de segurança de 0,5 V para picos de leitura e eventuais erros de projeto. O gráfico abaixo, retirado do datasheet do fabricante ilustra este range de valores.

8 Gráfico de Corrente x Tensão de saída Um outro detalhe importante é que esse sensor é do tipo invasivo, ou seja, é preciso interromper o circuito para realizar a medição. Isso faz deste uma ótima opção para instalações permanentes, como por exemplo em projetos de automação residencial e monitoração à distância de correntes. Montagem e testes Sobre o sensor de temperatura do tipo NTC, já abordamos seu funcionamento e tratativa de programação em tutoriais anteriores. O leitor também pode conferir site da Adafruit um ótimo tutorial sobre este assunto. O esquema de montagem se encontra abaixo. Lembrando que neste trabalho estamos apenas ligando as placas Peltier e os sensores de temperatura juntamente com o de corrente. No próximo Lab iremos controlar a temperatura do lado frio das placas.

9 Esquema de montagem Detalhe das ligações no Arduino A tabela abaixo foi criada Para facilitar a ligação entre os dispositivos.

10 Tabela de conexões O algoritmo utilizado para a leitura dos sensores se encontra descrito abaixo. Como sempre, vários comentários foram inseridos para um bom entendimento do leitor. [crayon-59f6fc8c3c6c /] Conclusão Neste Lab trabalhamos com a leitura dos NTC s e da corrente que circula pelas Peltier utilizando o ACS712. As placas Peltier possuem um grande poder de resfriamento instantâneo quando comparadas a sistemas de refrigeração como compressores e outros. Seu grande problema ainda é o custo benefício para aplicações de grande porte onde o consumo de energia ultrapassa o dos sistemas convencionais. No próximo Lab, iremos implementar um controle de potência para as placas manterem sua temperatura em torno de um valor preestabelecido pelo usuário.