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TÉCNICA – Conserto de Adega Climatizada Eletrônica 1 de dezembro de 2013eusebiopDeixe um comentárioGo to comments 17 Votes Placa de adega eletrônica Este post mostra o princípio de funcionamento de uma adega eletrônica, baseada em célula Peltier e o que foi feito para recuperá-la, pois tinha deixado de funcionar, com pouco tempo de uso. Além da resolução do defeito, foi feita uma melhoria no circuito, de modo a evitar o aquecimento de certas áreas da placa de circuito impresso e aumentar a durabilidade do equipamento. Como a adega eletrônica funciona Toda adega eletrônica (ou adega climatizada) é igual a uma geladeira, ou seja, é um trocador de calor. Ela extrai o calor do compartimento interno e o espalha para o ambiente. O frio é “gerado” desta forma: bombeando o calor do interior para o exterior. Este sistema também é conhecido como bomba de calor. Muito calor. Se formos colocar uma geladeira com a porta aberta e a ligarmos, dentro de um quarto completamente fechado, em pouco tempo a temperatura do ambiente subirá. Porque o calor retirado da parte interna é jogado no dissipador de calor externo (aquela grade sempre preta, que fica atrás da geladeira) e irá anular a transferência, já que com a porta aberta não há isolamento térmico entre o interior e o exterior. Além disso, a eficiência do sistema (conversão de uma energia em outra) é bem menor que 100%. O resultado final é o aquecimento do ambiente, por causa da energia transformada em calor, principalmente no motor. Uma adega ou um

Conserto de Adega Climatizada Eletrônica

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TÉCNICA – Conserto de Adega Climatizada Eletrônica1 de dezembro de 2013eusebiopDeixe um comentárioGo to comments

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Placa de adega eletrônica

Este post mostra o princípio de funcionamento de uma adega eletrônica, baseada em célula Peltier e o que foi feito para recuperá-la, pois tinha deixado de funcionar, com pouco tempo de uso.Além da resolução do defeito, foi feita uma melhoria no circuito, de modo a evitar o aquecimento de certas áreas da placa de circuito impresso e aumentar a durabilidade do equipamento.Como a adega eletrônica funcionaToda adega eletrônica (ou adega climatizada) é igual a uma geladeira, ou seja, é um trocador de calor. Ela extrai o calor do compartimento interno e o espalha para o ambiente. O frio é “gerado” desta forma: bombeando o calor do interior para o exterior. Este sistema também é conhecido como bomba de calor. Muito calor.Se formos colocar uma geladeira com a porta aberta e a ligarmos, dentro de um quarto completamente fechado, em pouco tempo a temperatura do ambiente subirá.Porque o calor retirado da parte interna é jogado no dissipador de calor externo (aquela grade sempre preta, que fica atrás da geladeira) e irá anular a transferência, já que com a porta aberta não há isolamento térmico entre o interior e o exterior.Além disso, a eficiência do sistema (conversão de uma energia em outra) é bem menor que 100%. O resultado final é o aquecimento do ambiente, por causa da energia transformada em calor, principalmente no motor. Uma adega ou um bebedouro comportariam-se exatamente da mesma forma, mesmo que utilizassem outros métodos de refrigeração a energia elétrica.

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Por isso é que há a recomendação de deixar um espaço entre a geladeira e a parede, para permitir a convecção. Além disso, se a geladeira fica junto a uma parede que aquece (com o sol da tarde, por exemplo), haverá muito maior consumo de energia elétrica, pois reduzirá a eficiência da transferência de calor do eletrodoméstico.Geladeiras precisam de temperaturas mais baixas do que as adegas, por isso aquelas sempre utilizam sistemas de refrigeração com compressor, aliado ao fluido de refrigeração. Adegas eletrônicas grandes também, pois o sistema de compressor é uma tecnologia razoavelmente eficiente, bem sedimentada e confiável.As adegas, por sua vez, necessitam manter uma temperatura interna amena, entre 7 e 18ºC, em média. Nos modelos muito pequenos, a relação custo-benefício torna inviável o uso do sistema de compressor, o que faz interessante o uso das células (módulos, placas, elementos) Peltier.Estas placas são bombas de calor que tiram proveito do efeito termoelétrico.  São acionadas por energia elétrica e adequadas para potências de até 200W, segundo a Danvic [1]. Ou seja, infelizmente não se prestam para construir aparelhos de ar-condicionado…O efeito termoelétricoO fenômeno termoelétrico ocorre quando a energia elétrica é convertida em energia térmica e vice-versa. A circulação de corrente elétrica entre dois materiais diferentes – condutores ou semicondutores – resulta numa diferença de temperatura nas junções. O efeito termoelétrico é também chamado de efeito Peltier-Seebeck [2].Ele foi descoberto inicialmente por Thomas Johann Seebeck, em 1821, quando verificou que dois metais diferentes (ele utilizou cobre e bismuto), unidos como nas figuras 1 e 2, geravam energia elétrica, pois havia deflexão do ponteiro de uma agulha imantada, quando somente uma das junções era aquecida. Quando a mesma junção era resfriada, a agulha movia-se em direção contrária [3], [4] e [5].

Figura 1 – Princípio do experimento de Thomas Johann Seebeck.

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Figura 2 – Instrumento de Thomas Johann Seebeck e a representação da experiência. Fonte: Fu Jen University [3].

Mais tarde, em 1834, Jean Charles Athanase Peltier descobriu que o inverso do experimento de Seebeck também era verdadeiro: se dois materiais diferentes são percorridos por uma corrente elétrica, as suas junções apresentarão temperaturas diferentes. Ele também fez uma experiência com cobre e bismuto [6], cujas junções ficavam imersas em líquido, para monitorar as mudanças (figura 3).

Figura 3 – Experimento de Jean Peltier. Fonte  IXBT  Labs [6].

O efeito termoelétrico é objeto de diversos estudos para geração de energia e redução do desperdício, como pode-se notar nas referências [7] a [15]. Este princípio é utilizado também em sondas espaciais (geradores termoelétricos a radioisótopos). A Voyager I, por exemplo, levou 36 anos para sair do sistema solar – foi lançada em 1977 – e ainda segue funcionando [8] [9].Há também um experimento muito interessante de geração de energia termoelétrica, num excelente sítio em holandês: Thuis Experimenteren (algo como “Experiências em casa” [12]). Lá é mostrado que é possível acionar um pequeno motor com hélice a partir de placas Peltier.As pastilhas termoelétricas ou células PeltierAs placas Peltier atuais são formadas por pequenos blocos individuais de material semicondutor, dopados para apresentarem característica semicondutora tipo P ou N (figura 4).  Os materiais utilizados continuam os mesmos da época de Peltier, essencialmente.  Os blocos são feitos de bismuto, unidos por trechos de cobre.  

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O semicondutor mais empregado é uma liga de telureto de bismuto, mas conforme o caso, podem ser empregadas outras ligas, como o telureto de chumbo, o germânio-silício e o bismuto-antimônio [5]. Materiais com baixa condutividade térmica são mais adequados para fabricar os blocos P e N.

Figura 4 – Detalhe dos blocos P e N em módulo Peltier.

Figura 5 – Vista construtiva de um módulo Peltier. Fonte: Danvic [1].

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Figura 6 – Aspecto de um módulo Peltier comercial, sem vedação. Fonte: TECA [16].

Estes blocos P e N são ligados intercalados, eletricamente em série e termicamente em paralelo e acondicionados entre duas placas de cerâmica, como na figura 5. Com esta configuração, o poder de bombeamento de calor aumenta tremendamente, em média consegue-se 40ºC de diferença entre as duas faces. Nos dispositivos mais sofisticados, este valor alcança 70ºC. Na figura 6, é mostrada uma placa Peltier comercial, sem isolamento, onde é possível perceber os blocos semicondutores. Pelas minhas contas, com 15 blocos de cada lado desta pastilha, dá um total de 225 blocos.Provavelmente, a junção de cobre entre as peças P e N (ou a forma de dopagem do material) elimina a barreira de potencial típica dos semicondutores, pois com 225 blocos em série, se cada junção tivesse uma queda de 0,7V, seriam necessários mais de 150VCC para alimentar o módulo.Nem tudo é maravilhaUma aplicação muito adequada para os módulos Peltier é o controle de temperatura de pequenos compartimentos. Câmaras climatizadas, adegas ou incubadoras, que devem ficar a temperaturas estáveis, ligeiramente diferentes da temperatura externa, são exemplos disto. No inverno elas precisam ser aquecidas e no verão, resfriadas (considerando uma região de clima temperado).Mas quando é necessária maior diferença de temperatura, fica evidente o quanto de energia gastamos para ter o frio ou o calor que queremos. A Memmert [17] mostra isto de uma forma claríssima (figura 7). Podemos ver que para conseguirmos 80W de energia de resfriamento, são gastos 150W de energia elétrica e dissipados 230W de calor (80+150W).Trocando em miúdos, significa que o sistema tem uma eficiência de 0,53, considerando o calor bombeado (80W) e a potência fornecida ao módulo (150W). Por isso há que dissipar no ambiente 230W, não é pouca coisa.

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Figura 7 – Operação de resfriamento com elemento Peltier, em equipamento comercial. Fonte: Memmert [17].

Segundo a Danvic [1] o conceito de eficiência, que é a relação entre a entrada e saída de energia numa máquina, raramente é utilizado nesta área, porque a energia que entra é muito diferente da que sai. É fornecida energia elétrica e retornado o bombeamento de calor. Utiliza-se, por isto o COD (coeficiente de desempenho), que é a magnitude da transferência de calor dividida pela quantidade de potência fornecida ao sistema. O COD médio das placas Peltier fica em torno de 0,4 a 0,7.Particularmente, eu prefiro a informação da Memmert, que transformou o calor em Watt e simplificou tudo.Outro aspecto, que os fabricantes mostram como uma vantagem – a confiabilidade -, pode ser difícil de alcançar, porque depende da qualidade da fonte de energia e do sistema de ventilação. Inclusive, o que motivou a escrita deste artigo foi justamente um defeito na fonte chaveada de uma adega eletrônica.Apesar disso, também há aspectos positivos, em relação aos compressores. Na faixa de temperaturas próximas à ambiente, as células Peltier gastam menos energia do que os sistemas a compressor, por causa da pequena diferença de temperatura para ser corrigida.Estes módulos podem ser acionados por pequenos intervalos, de modo a manter a temperatura sob controle preciso. Já os compressores necessitam ficar ligados por algum tempo, até poder desligar novamente.Além disso, as placas Peltier são muito mais simples de instalar e de manter do que os sistemas a compressor. Sem partes móveis, não causam vibração (exceto por ventoinhas com problemas) e tem uma longa expectativa de vida – 100.000 horas MTBF (Mean Time Between Failures ou Tempo Médio Entre Falhas), segundo a Memmert [17].  Contando o funcionamento ininterrupto por 24 horas, dá mais ou menos 11 anos.Mas a vida útil da adega eletrônica depende da qualidade da fonte chaveada.  A do cliente falhou com menos de 8.000 h, pois antes de um ano de uso já teve que ir para conserto…

O defeito da adega

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Como a adega defeituosa estava em outra cidade, recebi somente o circuito responsável pelo acionamento e o bloco de refrigeração, completo.Na figura 8, é possível ver o sistema funcionando, antes das modificações. Aparentava não ter problemas, já que a temperatura ambiente era mais de 20ºC.Foi trocado um capacitor estufado da linha de 12V (1000uF/25V), que ligava a placa Peltier e as ventoinhas. Fora isso, nenhum outro problema aparente, até porque a adega tinha pouquíssimo tempo de uso. Mas aquele capacitor não seria suficiente para causar o defeito reclamado pelo cliente: fraco resfriamento, com as hélices girando levemente.

Figura 8 – Sistema de resfriamento de adega eletrônica. À esquerda, o painel interno, com sensor e LED azul. O termômetro indica funcionamento normal.

Daí, como o defeito não aparecia, resolvi extrair o esquema do circuito, para compreender o funcionamento. Foi necessário retirar algumas peças, para poder enxergar todos os componentes.Após a remontagem, o circuito ficou com o defeito reclamado pelo cliente. Ainda bem, pois os defeitos intermitentes são os piores.Pesquisando o problema, foi visto que havia uma ligação em ponte na placa, para fazer a conversão para 110V. Como esta ponte não tinha sido recolocada após a retirada das peças, a fonte ficou como se estivesse chaveada para 220V. Na figura 9, pode-se ver o lugar da ponte de solda. Com a conexão refeita (figura 10), o equipamento voltou a funcionar normalmente.

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Figura 9 – Local da solda para a conversão de 110V.  As soldas são novas.

Figura 10 – Ponte para 110V, pronta.

O que lembrei é que a solda naquele ponto estava muito fraca, quase esfarelando. Por conta disto, ressoldei todos os locais possíveis de aquecimento da placa (soldas maiores) e pude perceber que o diodo duplo, retificador dos 12V da fonte, estava com as soldas muito ruins.

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Isto indicava sobreaquecimento, inconcebível numa fonte projetada para ficar ligada 24 horas direto, por anos a fio. O diodo original era de 2x10A (STPS2045CT). Ele foi substituído por um de 2x20A (S20SG4M), proveniente de sucata de fonte de PC (figuras 11 e 12). Com isso, aquele ponto não aqueceu mais. Junto ao diodo, tinha um capacitor de poliéster “queimadinho de sol”, que também foi trocado.Para evitar que estufasse novamente o capacitor, foi providenciado um filtro Pi, ou seja, somado ao capacitor original, foi conectada uma bobina em série com o positivo e mais um capacitor, da forma mostrada nas figuras 12 e 13. Este filtro suaviza a forma de onda para a placa Peltier – que é a que mais consome energia – e reduz o estresse de carga e descarga sobre o primeiro capacitor.  Inclusive, o valor de 1000uF  é muito baixo para o consumo da placa Peltier.  Por isto a necessidade do filtro.

Figura 11 – Diodo original (pequeno) e respectivo substituto.

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Figura 12 – Diodo substituto já montado e filtro adicional.

Figura 13 – Diagrama do circuito de alimentação da placa Peltier.

O sistema de adega eletrônica com placa PeltierConforme o que vimos até agora, um sistema de adega eletrônica consiste de um bloco de refrigeração com a placa Peltier, acoplado a um circuito de controle (fonte de alimentação

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variável), comandado por 2 sensores (interno e externo) e pelo potenciômetro de ajuste de temperatura. Uma visão simplificada deste circuito pode ser vista na figura 14.

Figura 14 – Sistema de refrigeração de adega eletrônica.

Para uma boa eficiência, a adega necessita de um gabinete hermético e isolado termicamente do exterior, aliado a um bloco de refrigeração, composto por:– Dissipador e ventoinha, internos, para uniformizar a temperatura das garrafas;– Dissipador mais ventoinha, GRANDES, externos, para expulsar o calor gerado para o ambiente;– Placa Peltier, que é o “recheio do sanduíche”.A figura 15 mostra o bloco da adega que consertamos. A parte do isopor é aonde fica o elemento Peltier. Ele não foi desmontado, pois funcionou normalmente em outra fonte de alimentação, além de ter lacres nos parafusos. Para aqueles que quiserem saber como este bloco é por dentro, encontrei na Wikipedia um ótimo desenho, que exibe a vista explodida da montagem (figura 16).Mas os dissipadores deste bloco deixaram muito a desejar no quesito acabamento, pois estavam lotados de rebarbas grandes, que pioravam a ventilação (figura 17). É um típico problema de redução de custos.As rebarbas foram removidas e após o conserto, o cliente comentou que a adega passou a funcionar melhor que antes.  Obviamente, não só a retirada das rebarbas ajudou a melhorar o desempenho.  Talvez o filtro Pi tenha a maior parcela de influência nisso, além da eliminação das soldas com falhas.

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Figura 15 – Bloco de refrigeração. Acoplado ao dissipador maior, há uma junta de vedação, em cinza.

Figura 16 – Vista explodida do bloco de refrigeração. Fonte: Wikipedia [18].

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Figura 17 – Rebarbas do dissipador.

O circuito eletrônico da adegaO circuito eletrônico de controle é, em essência, uma fonte chaveada típica, que varia sua tensão de saída pelo comando de dois sensores, um junto às garrafas e outro junto à placa Peltier (rever figura 14).O sensor NTC interno, das garrafas, está acoplado a um potenciômetro que, juntos, determinam a temperatura que deve ser alcançada. O sensor informa a temperatura atual e o potenciômetro define até quando deve ser esfriado (figura 19). Esta informação faz a tensão de saída para a placa Peltier variar entre 3 e 12V, aproximadamente.

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Figura 18 – Placa com a eletrônica de controle da adega eletrônica.

Figura 19 – Painel interno, com potenciômetro, sensor NTC, chave e LED azul.

O outro sensor NTC (resistor com Negative Temperature Coefficient – Coeficiente de Temperatura Negativo), junto ao módulo de refrigeração, serve para monitorar a diferença entre os lados quente e frio da placa Peltier e proteger o sistema contra sobreaquecimento.Nas figuras 20 e 21, respectivamente, são mostrados os esquemas do estágio primário e secundário da adega eletrônica. A posição dos transformadores foi mantida igual nos dois diagramas, para facilitar o entendimento.  Não é mostrado o filtro Pi, comentado anteriormente, pois foi uma melhoria e ficou fora da placa.

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O chaveamento do lado “vivo” (estágio primário) é controlado pelo TL494, que fica no secundário. Este circuito integrado gera um sinal simétrico tipo PWM (Pulse Width Modulation ou Modulação por Largura de Pulso), nos pinos 8 e 11, que acionam um pequeno estágio push-pull, que comanda os transistores do primário, através de um transformador de pulsos. Os componentes responsáveis por isso estão no canto inferior esquerdo da figura 21 (U1, T4, T5 e arredores).No canto superior direito da mesma figura está o circuito do painel interno da adega, que determina a temperatura. Pode-se notar que aquele sensor NTC e o potenciômetro de ajuste estão ligados em série. Além disso, há uma chave que liga ou desliga a fonte e um LED azul, indicador de funcionamento.

Figura 20 – Estágio primário da fonte da adega.

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Figura 21 – Estágio secundário da fonte da adega.

Nas referências, há alguns trabalhos na mesma área, como o da PUCPR [19], “Cooler Peltier Microcontrolado; da Danvic [20], “Tese: Projeto de uma micro-adega climatizada de baixo custo”; e da UFRGS [21], “Sistema de dissipação de calor em uma resistência elétrica através de módulo Peltier” .