Dispositivos de efeito Peltier

Termopares são dispositivos que geram corrente elétrica a partir de duas junções de metais diferentes em diferentes temperaturas. Veja na explicação abaixo como esse efeito físico é aproveitado.

Circuito completo do efeito Peltier

O efeito Peltier é o inverso do termopar: uma corrente elétrica é forçada a passar por junções de metais diferentes, resultando em aquecimento de uma e resfriamento de outra. Os termopares usam metais para as junções e os valores de tensão e corrente são bastante baixos. Mas isso não é muito importante pois a finalidade é apenas medição. Os dispositivos práticos de efeito Peltier usam semicondutores para uma maior densidade de corrente e, assim, de potência. 

Em geral o material semicondutor é telureto de bismuto altamente dopado para criar semicondutores tipo P e tipo N. A Figura 01 acima dá o esquema de funcionamento. Ao circular corrente pelas junções calor é transferido de uma para outra e o dispositivo funciona como um refrigerador sem partes móveis.

Arranjos práticos

Figura 01

Na prática não é usado apenas um par de junções, mas uma série delas para maximizar a potência de resfriamento. Na Figura 01 as junções são eletricamente ligadas em série e termicamente em paralelo.

Figura 02

E várias séries são agrupadas em forma de matriz, formando um conjunto ou módulo de aspecto conforme Figura 02. Comercialmente os módulos são disponíveis em uma variedade de formatos, tensões, correntes, capacidades térmicas. Um módulo típico pode proporcionar diferenças de temperaturas de algumas dezenas de graus Celsius.

Figura 03

Diferenças ainda maiores podem ser obtidas com associações em cascata conforme Figura 03Exemplo de características de um módulo comercial singelo típico de tamanho médio: dimensões 55 x 55 x 4 mm, tensão máxima 31 V, corrente máxima 6 A, potência calorífica máxima 112 W, diferença máxima de temperatura 73ºC.

Aplicações

O conjunto tradicional de refrigeração (compressor, condensador, evaporador) é pouco adequado para equipamentos pequenos. Ocupa razoável espaço, tem partes móveis, a manutenção é especializada. Os dispositivos Peltier são pequenos, confiáveis, não têm partes móveis e podem ser usados em aplicações de pequena capacidade de refrigeração e pouco espaço, como pequenas geladeiras para automóveis, equipamentos de laboratório, refrigeração de processadores para aumentar o desempenho (overclock).

Figura 04

A potência dissipada por unidade de área é relativamente alta e, em muitos casos, há necessidade de ventilação forçada na junção quente conforme Figura 04 e o conjunto fica parecido com um cooler comum de processador com um módulo Peltier intercalado. Se o conjunto é instalado no interior de algum equipamento, provavelmente será necessária a instalação de ventilação adicional para evitar aquecimento de outras partes. Em caso de defeito, o dispositivo a resfriar fica isolado do dissipador e proteções devem existir se o superaquecimento não for tolerado.

Outro aspecto a considerar é a possibilidade de condensação de água. Isso pode ser evitado pela correta seleção do tipo, evitando superdimensionamentos. Uma boa opção seria o uso de sistemas de controle para evitar excesso de resfriamento e, por consequência, a indesejável condensação.

RTD – Detector de Temperatura de Resistência

RTD é abreviação inglesa de Resistance Temperature Detector (Detector de Temperatura de Resistência). A base do funcionamento é o conhecido fenômeno da variação da resistência elétrica dos metais com a temperatura. Os metais mais usados são platina, níquel, cobre, ferro, molibdênio e/ou ligas dos mesmos. Embora os sensores vistos nos tópicos anteriores usem princípios similares, em geral eles não são classificados como RTDs, uma vez que os elementos resistivos não são metais, mas sim óxidos e semicondutores.

Figura 01

Na Figura 01, esboços dos dois tipos comuns de RTD:

Em (a), o RTD de fio (o fio metálico é enrolado em forma de espiral dentro de um tubo cerâmico com suportes e outros detalhes não mostrados).

Em (b), o RTD de filme (um filme metálico é depositado sobre uma placa de cerâmica). O RTD de filme é também colocado no interior de um tubo para proteção. 

A variação da resistência elétrica com a temperatura de um fio metálico é dada pela relação:

R(t) = R0 (1 + a t + b t2 + c t3) . Onde:

R0 é a resistência a 0ºC.

Coeficientes a, b e c são características do metal ou liga.

O resultado prático é uma variação bastante pequena de resistência e circuitos adequados devem ser usados. Ver no gráfico da Figura 02 a comparação com um termistor típico.

Figura 02

É praxe a especificação térmica de um RTD ser dada pelo coeficiente médio (α) de temperatura na faixa de 0 a 100ºC. Assim,

α = (R100 − R0) / (100 R0) . Unidade 1/ºC.

Pequenas proporções de impurezas ou elementos de liga podem afetar consideravelmente o coeficiente de temperatura. Algumas vezes, impurezas são propositalmente adicionadas para contrabalançar o efeito de impurezas existentes de difícil remoção. 
Embora, para o caso de RTDs, seja desejável a maior variação possível de resistência com a temperatura, em outros casos deve ser o contrário. Exemplo: uma liga de  84% Cu 12% Mn 4% Ni  quase não apresenta variação com a temperatura. É usada para fabricar resistores de precisão.

Segue tabela comparativa para alguns metais e ligas mais usados.

Metal Faixa ºC Alfa Observações
Cobre Cu −200/260 0,00427 Baixo custo
Molibdênio Mo −200/200 0,00300 e 0,00385 Opção de menor custo p/ Pt em faixa limitada
Níquel Ni −80/260 0,00672 O custo é baixo mas a faixa é limitada
Níquel-ferro Ni-Fe −200/200 0,00518 Baixo custo
Platina Pt −240/660 0,00385 e 0,00392 Boa precisão

RTDs de cobre

Cobre é raramente usado para essa finalidade e parece não haver padrões internacionais. Quando usado, é comum um coeficiente α = 0,00427 1/ºC. Na faixa de temperatura 0 a 200ºC e se não há necessidade de muita precisão, pode ser empregada uma relação simplificada:

R(t) = R0 (1 + 0,00427 t).

RTDs de molibdênio

O material cerâmico alumina (óxido de alumínio) tem coeficiente de expansão térmica próximo do molibdênio e, portanto, formam um bom conjunto para o tipo filme metálico. O coeficiente do metal é α = 0,00300 1/ºC. Através de dopagem com outros metais, é também disponível com α = 0,00385 1/ºC, o que dá compatibilidade com a platina para uma faixa mais reduzida de temperaturas.

RTDs de níquel

São usados em aplicações onde o baixo custo é importante. Em relação à platina, o níquel tem menor resistência à corrosão e é menos estável em temperaturas elevadas. Por isso, é geralmente usado para ar sem impurezas.

Alguns fabricantes sugerem uma fórmula modificada:

R(t) = R0 (1 + a t + b t2 + d t4 + f t6 ), onde:
a =  5,485 10−3

b =  6,650 10−6

d =  2,805 10−11

f = −2,000 10−17

O coeficiente α é 0,00672 1/ºC. Se não há muita exigência de precisão, pode-se usar:

R(t) = R0 (1 + α t).

RTDs de níquel-ferro

Têm custo ainda menor que o de níquel e são usados em aplicações onde são possíveis e esse aspecto (custo) é fundamental. O fator α é 0,00518 1/ºC.

RTDs de platina

Platina é o metal mais usado por sua resistência à corrosão e estabilidade em altas temperaturas. É empregada uma fórmula modificada:

R(t) = R0 [ 1 + a t + b t2 + c (t − 100) t3 ] .

Existem dois padrões internacionais, que diferem no nível de dopagem e, portanto, nos coeficientes:

1) Padrão Pt100:
α =  0,00385055 1/ºC

R0 = 100 ohms

a =  3,90830 10−3

b = −5,77500 10−7

c = −4,18301 10−12

Para t entre 0 e 200ºC. Para t entre 0 e 800ºC, os mesmos a e b, mas c = 0. O padrão é usado em muitos países.

2) Padrão USA

α =  0,0039200 1/ºC

R0 = 98,129 ohms

a =  3,97869 10−3

b = −5,86863 10−7

c = −4,16696 10−12

Termopares

Os sensores anteriores operam basicamente pela variação da resistência elétrica com a temperatura. Isso significa que uma corrente elétrica deve ser fornecida ao elemento sensor.

O termopar opera de modo completamente diverso. Ele gera uma tensão elétrica que tem relação com a diferença de temperaturas entre junções de metais diferentes. A Figura 03 dá o esquema básico do funcionamento.

Figura 03

A junção da extremidade é a junção de medição e fica fisicamente no local do qual se deseja medir a temperatura. As duas junções de conexão dos fios para o dispositivo de medição são as junções de referência ou junções frias. Embora sejam duas, na realidade podem ser consideradas únicas, pois o metal em ambos os condutores é o mesmo (cobre normalmente). Além da tensão provocada pela diferença de temperaturas entre junções, há a parcela gerada pelo gradiente de temperatura ao longo dos fios. Ao contrário da primeira, ela tem uma relação quadrática com a temperatura e é responsável pela relação não linear do dispositivo. Notar que junções na mesma temperatura não afetam a saída. Assim, elas podem ser soldadas (as junções produzidas pelo metal da solda estão na mesma temperatura).

Vantagens e desvantagens

Termopares geram sua própria tensão, não requerem corrente de excitação (isso significa que não há erros por auto-aquecimento, que podem ocorrer com os anteriores). São simples, robustos, imunes a vibrações, fáceis de construir, operam em ampla faixa de valores. Por essas características, são amplamente usados em equipamentos industriais.

Certamente as principais desvantagens são o baixo nível da saída (valores típicos estão na faixa de 50 mV), a não linearidade e a necessidade de compensação da temperatura da junção de referência. Com níveis tão baixos de tensão, cuidados devem ser tomados para evitar ação de interferências (blindagens, fios trançados, etc).

Figura 04

Há diversos arranjos físicos de termopares. Figura 04 dá dois exemplos.

Em (a), o elemento é colocado no interior de um tubo (aço inox com peças internas de cerâmica para evitar contato elétrico ou cerâmica para temperaturas mais altas). Essa construção dá alguma proteção contra ação do meio. 

Em (b), o elemento é envolvido por uma barra cerâmica, deixando somente a junção exposta. Há menor proteção, mas as respostas às variações são mais rápidas.

A tabela abaixo relaciona alguns tipos de termopares mais usados.

Tipo Positivo Negativo Precisão Faixa Observações
B Pt 30%Rh Pt 6%Rh 0,5% >800°C 50 a 1820 Para altas temperaturas
C W 5%Re W 26%Re 1% >425°C 0 a 2315 Para temperaturas muito altas
D W 3%Re W 25%Re 1% >425°C 0 a 2315 Para temperaturas muito altas
E Ni 10%Cr Cu 45%Ni 0,5% ou 1,7°C −270 a 1000 Uso geral para temperaturas médias e baixas
G W W 26%Re 1% >425°C 0 a 2315 Para temperaturas muito altas
J Fe Cu 45%Ni 0,75% ou 2,2°C −210 a 1200 Alta temperatura em atmosfera redutora
K Ni 10%Cr Ni 2%Al 2%Mn 1%Si 0,75% ou 2,2°C −270 a 1372 Uso geral, alta temperatura em atmosfera oxidante
M Ni Ni 18%Mo 0,75% ou 2,2°C −50 a 1410
N Ni 14%Cr 1,5%Si Ni 4,5%Si 0,1%Mg 0,75% ou 2,2°C −270 a 1300 Substituto melhor para o tipo K
R Pt 13%Rh Pt 0,25% ou 1,5°C −50 a 1768 De precisão, para alta temperatura
S Pt 10%Rh Pt 0,25% ou 1,5°C −50 a 1768 De precisão, para alta temperatura
T Cu Cu 45%Ni 0,75% ou 1,0°C −270 a 400 Uso geral p/ baixa temperatura, resistente à umidade

Compensação

Conforme já dito, a tensão do termopar é função da diferença de temperaturas das junções de medição e de referência. Por estar junto do equipamento, a temperatura desta última é normalmente acima da temperatura ambiente. E o que se deseja saber é a temperatura da junção de medição e não essa diferença. Um meio de se evitar isso é o uso de cabos especiais, dos mesmos metais dos elementos do termopar ou ligas com características termoelétricas similares. Assim, eletricamente não há a junção de referência. É como se o termopar se estendesse até o dispositivo de medição.

Figura 05

Outra possibilidade são circuitos de compensação conforme Figura 05, que dispensam cabos especiais, podendo ser usados condutores de cobre. As junções de referência devem estar em um bloco de material isolante com alguma condutividade térmica, de forma que um sensor (termistor ou RTD) capta a temperatura real da junção. Na medição analógica (a), o sinal do sensor de temperatura é amplificado para um nível tal que o somador compensa a tensão gerada pela junção de referência. No arranjo digital (b) o circuito de medição faz o processamento. É uma solução melhor. Em caso de mudança do tipo de termopar, o ajuste pode ser facilmente executado via software.

O circuito de medição também deve compensar a não linearidade da função tensão x temperatura do termopar.

Termopares também podem ser ligados em série, formando uma termopilha. Com isso, a tensão de saída é aumentada, amenizando o problema da baixa tensão individual.

Figura 06

No diagrama da figura ao lado, a tensão V é proporcional à diferença de temperaturas Ta − Tb.

Termopilhas com dezenas ou centenas de termopares são usadas em instrumentos como medidores de fluxo de calor, radiômetros e outros. Podem ser construídas com fios ou outras técnicas como eletrodeposição. 
O efeito termoelétrico também pode ser usado para gerar energia. Geradores termoelétricos foram usados em algumas sondas espaciais. Com termopilhas e ligas especiais para maximizar a corrente. A fonte de calor é um material radioativo como o plutônio e o resfriamento é dado pela dissipação no espaço. Geradores desse tipo podem fornecer dezenas de watts por vários anos. Entretanto, os perigos da radioatividade impedem o emprego em outras áreas.

O termopar pode operar de forma inversa, isto é, se uma corrente é aplicada no mesmo, uma junção aquece e a outra esfria. Isso é chamado efeito Peltier e é usado em pequenos dispositivos de refrigeração.

Fonte: www.mspc.eng.br

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