SISTEMA_DE_CONDICIONAMENTO_DE_TEMPERATUR

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SISTEMA DE CONDICIONAMENTO DE TEMPERATURA 
UTILIZANDO TERMOELEMENTO PELTIER 
 
Marcio de Andrade Vogt [Bolsista PIBIC-CNPq], João Paulo Bazzo [Colaborador], 
Jean Carlos Cardozo da Silva [Orientador] 
 
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica – PPGEE 
Campus Pato Branco 
UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná 
Via do Conhecimento, Km 1 – Pato Branco/PR, Brasil - CEP 85503-390 
 
marcio.vogt@gmail.com, jpbazzo@utfpr.edu.br, jeanccs@utfpr.edu.br 
 
 
 
Resumo - Este artigo apresenta um sistema de condicionamento de temperatura utilizando módulos 
termoelétricos (células de efeito peltier) como elemento base. O sistema utiliza um servo amplificador, uma 
placa de aquisição de dados e uma interface em LabVIEW® a partir da qual são feitas a instrumentação e o 
controle da temperatura da célula. 
 
Palavras-chave - Controle de Temperatura, Termoelemento Peltier, Instrumentação Virtual 
 
Abstract - This paper proposes a system of temperature control using thermoelectric modules (Peltier effect 
cells) as a basis element. The system uses a servo amplifier, a data acquisition card and LabVIEW ® interface 
from which are made instrumentation and control the temperature of the cell. 
 
Key-words - Temperature Control, Peltier Cell, Virtual Instrumentation. 
 
 
INTRODUÇÃO 
 
A eficiência e o funcionamento da maioria dos dispositivos eletroeletrônicos são 
significativamente afetados pelas condições de temperatura a que são submetidos [1]. O 
exemplo mais comum da influência da temperatura se dá em dispositivos fabricados a partir 
de materiais semicondutores extrínsecos que, quando submetidos a temperaturas mais altas 
das quais foram projetados para trabalhar, apresentam um aumento significativo na sua 
corrente de fuga que, por conseguinte, pode provocar a danos ao componente [2]. Esse 
acréscimo de corrente é creditado ao maior número de portadores minoritários liberados no 
material pelo aumento da energia interna nos átomos do semicondutor, quando do 
aquecimento do dispositivo, por exemplo. 
O sistema de controle de temperatura aqui proposto destina-se justamente a submeter 
uma classe de dispositivos semicondutores, módulos de potência, a uma faixa de temperatura 
que vai de -40 ºC a 120 ºC e avaliar o funcionamento e a eficiência deste tipo de equipamento 
nessas temperaturas. Com a avaliação e compreensão dos fenômenos térmicos presentes no 
interior do módulo de potência, será possível estudar técnicas de acionamento que tornem os 
módulos de potência mais eficientes [3]. 
O elemento base do sistema térmico proposto são células de efeito Peltier, também 
conhecidas como TEC (Termoelectric Cooler). Neste tipo de elemento, ao ser aplicada uma 
corrente em seus terminais, há o surgimento de um gradiente de temperatura entre as suas 
junções, ou seja, um dos lados da célula resfria enquanto o outro é aquecido. O sentido do 
fluxo de calor não é pré-estabelecido pelas características construtivas do dispositivo, isto é, 
ele pode ser alterado bastando para tanto que se inverta o sentido da corrente que percorre o 
circuito. 
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O uso deste tipo de termoelemento é especialmente útil em locais onde o uso de 
sistemas convencionais para controle de temperatura torna-se de difícil implementação ou 
ainda demasiadamente caros como, por exemplo, em locais pequenos, em ambientes 
suscetíveis a vibrações ou ainda em sistemas em que seja necessária uma resposta rápida e 
com uma boa precisão [4]. 
 
METODOLOGIA 
 
O sistema de condicionamento de temperatura aqui proposto pode ser dividido 
essencialmente em três partes: módulo térmico, sistema de condicionamento de sinal e uma 
central de processamento e controle. 
O módulo térmico é composto por um amplificador de sinal, por uma célula Peltier, 
pela planta sobre a qual se deseja atuar e os sensores responsáveis pelo sinal que irá alimentar 
o sistema de controle. Já o sistema de condicionamento de sinal é constituído pela placa de 
aquisição e geração de sinais, que estabelece a interface entre o módulo térmico e o 
microcomputador. Por fim, o controle é desenvolvido empregando instrumentação virtual em 
ambiente de programação LabView®, onde estão presentes a interface de monitoramento e 
controle do sistema. A Figura 1 apresenta um diagrama em blocos onde está representado 
cada um dos componentes do sistema e também o fluxo de sinais. 
 
Figura 1 – Diagrama em blocos do sistema. 
 
Com base no diagrama da figura 1 foi implementado um circuito de instrumentação e 
controle do sistema constituído basicamente por termistores, um servo amplificador, um 
sensor de corrente (sensor este presente no próprio servo amplificador), placa de aquisição de 
sinais e um circuito de instrumentação virtual em LabView®. 
Os termistores foram instalados em ambos os lados da célula (lado quente e lado frio) 
para acompanhar a evolução da temperatura na célula bem como controlar para que ela não 
ultrapassasse certos limites de operação. Instalaram-se ainda um sensor no dissipador a fim de 
verificar se a dissipação de calor é eficiente e outro monitorando a temperatura ambiente. 
 O servo amplificador é utilizado para o controle de corrente da célula, onde o 
acionamento é realizado com um sinal em tensão gerado a partir da placa de aquisição 
controlada pelo programa em LabView®. Esse sinal de controle é então convertido pelo servo 
amplificador em um sinal proporcional em corrente com uma relação de ganho unitário, ou 
seja, um sinal de 1 Volt na entrada gera um sinal de corrente de 1 Ampère para o módulo 
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termoelétrico. A figura 2 apresenta a interface de monitoramento e controle desenvolvida em 
LabView®. 
A interface de instrumentação virtual permite analisar o comportamento em tempo real 
dos sensores, além de armazenar os valores em uma planilha de dados que disponibiliza todas 
as informações medidas e também o tempo relativo a cada uma dessas medidas. Essas 
informações serão utilizadas para a modelagem matemática do sistema e posterior 
implementação de um controle PID na mesma interface. 
Além da instrumentação a interface em LabView permite interagir com o sistema, 
definindo em tempo real o valor de corrente aplicado a célula. Pode-se ainda, na própria 
interface do programa, definir a taxa com o qual é amostrado o sinal e também o número de 
amostras adquiridas. 
 
 
Figura 2. Sistema de monitoramento implementado em LabView®. 
 A fim de verificar o funcionamento do sistema de condicionamento de temperatura e 
também avaliar o desempenho de uma célula Peltier modelo DV 40-03 fornecida pela 
empresa Danvic, realizaram-se ensaios onde a corrente aplicada sobre a célula era variada a 
uma razão de 100 mA até um valor máximo de 2,4 A. Em cada um dos ensaios foram salvos 
os dados em planilhas eletrônicas de modo que se possa analisar posteriormente o 
comportamento do sistema. 
RESULTADOS 
 
 Os ensaios realizados fornecem a base de dados necessária para a análise de 
desempenho do sistema tanto do ponto de vista da instrumentação e da influência do 
processamento dos sinais provenientes dos sensores na resposta geral do sistema, quanto 
da capacidade frigorífica do sistema. 
 Para que o sistema possua um desempenho satisfatório o tempo de execução do 
enlace responsável pela aquisição de sinais não deve ser maior do que o tempo de resposta 
do conjunto placa de aquisição, servo-amplificador e módulo termoelétrico de modo a 
evitar que os sensores estejam defasados em relação ao comportamento térmico atual do 
sistema. Nesse ponto o sistema desenvolvido apresenta um bom tempo de resposta haja 
vista que mesmo para um grande número de amostras o tempo de execução do programa é 
em média de 1,05 s, tempo este suficientemente rápido tendo em vista que a dinâmica de 
sistemas térmicos é, em geral, mais lenta que a dinâmica de um sistema elétrico. 
 Ainda a partir dos ensaios realizados,pode-se medir a capacidade térmica geral do 
sistema em função da corrente aplicada. Para o módulo termoelétrico empregado obteve-
se um gradiente máximo de temperatura de 61ºC quando era aplicada uma corrente de 2,4 
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A, gradiente este obtido quando a temperatura do lado frio se encontrava a -11,1ºC e o 
lado quente a 50 ºC. 
 O gradiente máximo de temperatura obtido difere do valor de 68 ºC apresentado 
pelo fabricante, contudo a corrente máxima aplicada a célula Peltier durante os ensaios é 
diferente do valor nominal da célula que é de 3 A, esta limitação da corrente deve-se a 
alimentação do amplificador de sinais, pois a partir de 2,4 A à fonte de alimentação do 
servo amplificador não consegue manter a tensão de alimentação do amplificador. 
 
DISCUSSÃO E CONCLUSÕES 
 
A interface de monitoramento e controle da célula Peltier desenvolvida em ambiente 
LabView®, equipado com uma placa de aquisição e um servo amplificador, mostrou 
desempenho satisfatório para controlar e coletar dados do sistema. 
O termoelemento utilizado não atingiu a faixa de temperatura pretendida (-40 ºC à 120 
ºC) fato já esperado tendo-se em vista que segundo o fabricante o gradiente máximo de 
temperatura possivel para a célula peltier ensaiada é de 68 ºC. Isto significa que, para se obter 
uma temperatura de -40 ºC em um dos lados, é necessário que seja mantido o outro lado da 
célula a aproximadamente 28 ºC compensando de algum modo o efeito de aquecimento deste 
lado da célula o que torna o uso deste termoelemento inviável. A mesma idéia vale para o 
extremo positivo da faixa de temperatura pretendida, ou seja, seria necessário que o lado frio 
estivesse a aproximadamente 52 ºC para que o lado quente atingisse a temperatura de 120 ºC. 
Como solução para que o sistema consiga atingir a faixa de temperatura desejada 
propõe-se o uso do mesmo sistema de monitoramento e controle para avaliar o 
comportamento de outras células de maior potência térmica. 
 
AGRADECIMENTOS 
 
Os autores agradecem a CAPES, CNPq, Fundação Araucária e FINEP pelo apoio 
financeiro ao Laboratório e a bolsa de Iniciação Científica concedida ao aluno Marcio de 
Andrade Vogt (Bolsista PIBIC/CNPq). 
 
REFERÊNCIAS 
 
[1] M. PARENTEAU AND C. CARLONE, “Influence of temperature and pressure on the 
electronic transitions in SnS and SnSe semiconductors”, Phys. Rev. B 41 (1990), pp. 5227–
5237. 
[2] BOYLESTAD R., NASHELSKY L., Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos, 5ed., 
Rio de Janeiro, RJ: Prentice-Hall do Brasil, 2004. 
[3] MARTIN, C., SCHANEN, J. L. AND PASTERCZYK, R. (2004) “Inside a power 
module”, Industry Applications Conference, 2004. 39th IAS Annual Meeting. Conference 
Record of the 2004 IEEE, vol. 3, Issue, p. 1519 – 1525. 
[4] PINDADO, R. H. (2008) “Climatización Mediante Células Peltier”. Proyecto Fin De 
Carrera, Universidad Pontificia Comillas, Madrid, Septiembre de 2008. 
 
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