Control de Temperatura


Este circuito mantiene la temperatura de un sistema entre dos valores prefijados, poniendo en marcha un sistema de calentamiento o un sistema de enfriamiento cuando las condiciones así lo requieran. En base a un circuito de Newton Braga, publicado en saber Electrónica Nº 23, y por la solicitud de varios lectores, ensayamos el presente circuito que posibilita la actuación de relés cuando la temperatura cae de un determinado valor o supera otro valor de referencia, permitiendo así que un sistema pueda encontrarse dentro de un rango de temperaturas fijado por el operador. De esta manera, el proyecto puede ser usado en estufas, cámaras de secado, incubadoras electrónicas, salas de computadoras, salas de estar o reuniones, sistemas de refrigeración de máquinas, etc.


Desarrollo


Si quiere mantener la temperatura de un ambiente en una faja determinada previamente, puede emplear el circuito que describiremos a continuación.
Cabe aclarar que para obtener un funcionamiento adecuado precisamos de un sensor eficiente que pueda percibir con cierta rapidez (pequeña inercia térmica) cualquier variación de la temperatura controlada. También necesitamos que el circuito encargado de corregir las alteraciones de temperatura, como por ejemplo un sistema de calentamiento si la temperatura cae por debajo de cierto valor, o de refrigeración si sube más allá de cierto valor, sea sencillo desde el punto de vista electrónico.
En los casos en que la faja controlada tuviera límites más allá de las variaciones normales de la temperatura ambiente, precisaremos de los dos controles: calentamiento y enfriamiento. Ese tipo de sistema es el que, evidentemente, presenta mayores problemas y dificultades de proyectar.
Si la temperatura que queremos controlar supera un determinado valor preajustado, nuestro aparato debe desconectar el sistema de calefacción, para que la misma vuelva normalmente a caer.
Si el valor preajustado fuera inferior a la temperatura ambiente en un determinado instante del día, incluso aunque desconectemos el sistema de calefacción, la temperatura no disminuirá, debido a la tendencia a igualarse con el ambiente. Se hace necesario, en este caso, el uso de un sistema de refrigeración forzada, conectando por ejemplo, un acondicionador de aire o simplemente un ventilador. Del mismo modo, si la temperatura a controlar cae por debajo de un valor prefijado y éste fuera superior a la temperatura ambiente, la simple desconexión de un equipo de refrigeración no permite que, a través de un intercambio de calor espontáneo, el sistema vuelva a su temperatura normal, por lo que habrá necesidad de activar un calentamiento forzado.
Así, si se debe “regular” la temperatura entre límites “más allá” de los normales, se hace necesario un control doble de temperaturas. Tenemos entonces que disponer tanto de un sistema que dispare con sobretemperaturas como con subtemperaturas, activando en un caso la refrigeración y en otro la calefacción (figura 1).

El sistema que proponemos usa un único sensor, y cuenta con la posibilidad de ajustarlo para dos temperaturas diferentes, tanto en el paso por el límite superior como en el paso por el límite inferior.

Las características del aparato son:

- Corriente de control de la carga: 10A (posible ampliación)
- Sensores usados: NTC o transistor
- Faja de temperaturas de operación: -25ºC a + 125ºC
- Tensión de alimentación: 110/220VCA ó 12VDC
- Número de circuitos integrados: 2
- Número de Transistores: 4
- Variables de ajuste: 3

Nuestro circuito utiliza dos comparadores de tensión con amplificadores operacionales del tipo 741. En estos comparadores tenemos dos entradas, una inversora y la otra no inversora, representadas por "-" y "+". Podemos entonces tener dos modalidades de funcionamiento:

a) Disparo por Subtemperatura:
Si aplicamos una tensión de referencia en la entrada inversora, dada por el divisor resistivo R3-R4 en la figura 2, la tensión de salida podrá variar entre 0V y 9V, aproximadamente en las siguientes condiciones: cuando la tensión aplicada en la entrada no inversora (venida del sensor) fuera menor que la tensión de referencia, la tensión de salida será prácticamente nula. Por otro lado, cuando la tensión en la entrada no inversora fuera mayor que la tensión de referencia, la tensión de salida será prácticamente 9V. La transición entre esas dos tensiones se hace de modo bien acentuado dado la elevada ganancia del amplificador operacional, del orden de 100.000 veces.
En la salida de un operacional conectado de esta forma, si acoplamos un driver PNP su conducción ocurrirá justamente cuando la tensión estuviera próxima de cero, mientras que si fuera un transistor NPN, éste conducirá cuando la tensión de salida del operacional alcance los 9V.
Si colocamos dos transistores NPN en cascada, con el objeto de poder controlar cargas más grandes, ahora el segundo transistor conducirá cuando el primero esté abierto y esta condición se da cuando la tensión cae por debajo del nivel de referencia (figura 3).
Así, en esta configuración el transistor de salida conducirá, activando el relé, cuando la tensión proporcionada por el circuito en el que se ubica el sensor fuera menor que la tensión de referencia.
Teniendo en cuenta que un sensor conectado de la forma mostrada en la figura 4, con coeficiente negativo de temperatura (NTC), hace caer la tensión de entrada cuando la temperatura “baja” (sube la tensión sobre el termistor y, por lo tanto, baja la tensión de entrada), este circuito opera como un disparo por “sub” temperatura (el relé RL2 se activa cuando la temperatura cae por debajo del nivel de referencia dado por la temperatura t1).

b) Disparo por Sobretemperatura:
En esta modalidad, aplicamos la tensión de referencia en la entrada no inversora (+) y la tensión del sensor en la entrada inversora.
Igualmente, dada la ganancia del amplificador operacional, tenemos una transición muy rápida en su salida, cuando un valor supera al otro.
Así, cuando la tensión de la entrada inversora (circuito donde se ubica el sensor) supera a la de referencia, la tensión de salida caerá a cero, y se activará el relé RL1, tal como muestra la figura 5.
Como también conectamos, en la salida, un driver con dos transistores NPN en cascada, la conducción del segundo transistor ocurre cuando la tensión cae a cero, lo que quiere decir que tendremos un disparo por sobretemperatura, considerando nuevamente la conexión del sensor con coeficiente negativo de temperatura (NTC).
Así, si la temperatura sube por encima de un determinado valor t2, entonces la tensión sobre el termistor cae, subiendo la tensión de entrada del primer operacional por encima del nivel de referencia, haciendo que la salida de dicho operacional caiga a 0V, permitiendo el disparo del relé RL1.
En síntesis, para temperaturas por debajo de t1 se activa RL2, quien podrá poner en marcha un sistema de calentamiento y por encima de una temperatura t2 se activa RL1 quien podrá poner en marcha un sistema de enfriamiento.

Para temperaturas:
t1<t<t2 los dos relés
estarán deshabilitados.

En el proyecto final (figura 6) tenemos la fijación de los puntos de disparo por el ajuste de la tensión de los terminales de referencia en determinadas temperaturas a través de trimpots.
El sensor puede ser tanto un transistor común, aprovechándose de su corriente de fuga (ICEO) que depende de la temperatura como parámetro principal, como también un NTC.
Lo importante, al elegir el sensor, es llevar la tensión en el divisor formado por R9 (sensor) y VR3 a un valor próximo de la mitad de la alimentación (4,5V), en las condiciones medias de operación (temperatura normal). Ajustamos entonces las tensiones de referencia arriba o abajo de ésta, según los puntos de disparo.
Un factor importante en la operación de este tipo de circuito es la llamada inercia térmica.
Una vez que la temperatura varía en el ambiente, el circuito no responde de inmediato, pues el sensor precisa de un cierto tiempo para equilibrar su propia temperatura. La velocidad con que ocurre el equilibrio depende del tamaño del sensor, o sea, de su "capacidad térmica". Para un sensor tipo termométrico, en que la capacidad térmica es muy pequeña, la reacción es casi instantánea, pero para un transistor o incluso un NTC precisamos hasta algunos minutos para esto.
Lo importante en las aplicaciones en que se exige un control más rápido es que el sensor sea montado en un lugar que permita la detección rápida de cualquier variación de temperatura. Siempre es importante conocer la curva de variación de la resistencia del componente con la temperatura, para que se haga un ajuste correcto del sistema.
En el circuito de la figura 6 no se ha incluido la fuente de alimentación y se propone la alimentación con una tensión de 9V para una eventual aplicación portátil, en cuyo caso se podría alimentar con una batería. Si lo alimenta con fuente, puede emplear cualquiera de 9V con 100mA de corriente.
La placa de circuito impreso para este montaje es la que aparece en la figura 7.
Los resistores son todos de 1/8 ó 1/4W con 10% ó 20% de tolerancia, y los relés así como los integrados, son montados en zócalos DIL de 8 y 16 pins.
Los diodos de protección y conmutación pueden ser 1N914 o 1N4148.
El sensor puede ser un NTC con resistencia entre 1kž y 10kž, caso en que tendremos la alteración de VR2 para 10kž y 500 ohm respectivamente.
Para el control externo podemos prever tanto la colocación de tomas como una barra de terminales con tornillos.
Para el sensor se puede prever una conexión remota a través de un enchufe, y se debe emplear un cable blindado si el mismo queda a más de 5 metros del aparato de control.
Para ajustar y probar el control, el lector precisará de un multímetro conectado en la escala de tensiones continuas (volt DC) que permita leer 5V.
Conecte el aparato y ajuste VR3 para leer una tensión de 4,5V en el punto A en el diagrama (entrada de tensión de los comparadores a partir del sensor).
El sensor debe estar inicialmente en la temperatura ambiente.
Gire entonces VR1 y verifique si existe un punto de transición en que el relé conmuta (abre o cierra). Haga lo mismo con VR2.
Con este procedimiento comprobamos el funcionamiento de los dos comparadores, sus drivers y los relés.
Para ajustar el aparato, coloque VR1 en el punto que corresponde al disparo en temperatura más alta. Para eso, coloque el sensor en lugar de temperatura conocida (más alta) en que debe ocurrir el disparo y ajuste VR1 para que el relé RL1 actúe.
Haga lo mismo para la temperatura más baja, ajustando VR2 al valor adecuado.
Hechos los ajustes de los extremos de actuación sólo falta hacer la instalación del sensor en el lugar a ser controlado y conectar las salidas a los controladores (ventiladores, calentadores, etc.)
Para una incubadora, donde la temperatura debe ser mantenida en valores elevados, 38ºC por ejemplo, el sistema de refrigeración puede no ser necesario, usando sólo el calentador, que será conectado en subtemperatura (RL2). Este calentador puede ser una lámpara de 100 watt o incluso de alambre de nicromo para 200 watt.

Sensores

LM35/LM35A/LM35C/
LM35CA/LM35D

National Semiconductor posee, en su línea de componentes, sensores de temperatura para la banda de grados centígrados indicados por proyectos industriales.
La principal característica de estos integrados es la de proporcionar una salida, cuya tensión es linealmente proporcional a la temperatura en la faja de -55ºC a + 150ºC. Como el consumo de estos sensores es de apenas algunos microamperes, no hay calor generado en los mismos que puedan causar variaciones en la temperatura a ser medida.

Las características principales de estos sensores son:

- Tensiones máximas de alimentación: -0,2V a +35V
- Tensiones de salida: -1,0V a +6,0V (máx.)
- Corriente de salida máxima: 10mA
- Banda de temperaturas de operación:
LM35, LM35A: -55ºC a +150ºC
LM35C, LM35CA: -40ºC a +110ºC
LM35D: 0ºC a +100ºC
- Precisión típica del sensor: +10,0mV/ºC.

Con el cambio de los resistores R2 y R4 por otros de 1kž, y la conexión directa de la salida de los sensores al punto de A, estos sensores estarán aptos para operar en nuestro circuito

De la Redacción de la Revista Saber Electrónica
 
 
FIGURA 1
 
 
FIGURA 2
 
 
FIGURA 3
 
 
FIGURA 4
 
 
FIGURA 5
 
 
FIGURA 6
 
 
FIGURA 7
 
 
 


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