Un simple termostato.

Circutio para activar y desactivar una salida en función de la temperatura ambiente.

Muchos son los integrados que se pueden comprar para realizar esta función: LM26, LM56, TC6502, TC620 son algunos ejemplos. Por temas de coste nos puede interesar montarlo nosotros usando un comparador y un sensor de temperatura.

Como sensor de temperatura lo más barato suele ser usar un termistor, una resistencia NTC en el que su valor depende de la temperatura (a mayor temperatura menor resistencia), se suelen usar para medir entre -50 ºC y +200 ºC. Se pueden encontrar con tolerancias muy bajas en su fabricación, por lo que se pueden intercambiar unas por otras sin tener que recalibrar el circuito.

A la hora de elegir la NTC nos puede interesar que sea de un valor alto y que su volumen sea también grande, de esta forma se minimiza el efecto del autocalentamiento de la resistencia por la potencia disipada en ésta.

Como operacional lo más adecuado es elegir un comparador, a ser posible single supply ya que la alimentación no va a ser simétrica, y en los que su salida por lo general vamos a encontrar un transistor en colector abierto. Comparadores muy baratos que harán la función son el LM339 y LM393, son circuitos integrados muy usados en los que vienen varios comparadores (salen más baratos que comprar un integrado con un sólo comparador), la única precaución que debemos tener es poner a tierra las entradas de los operacionales que no se estén utilizando para evitar una posible oscialción que afecte al resto.

La salida del  comparador es un transistor en colector abiero, lo podemos usar para activar una carga que requiera muy poca corriente o para conectar una resistencia de pull-up a la salida que encienda y apague un transistor externo de más intensidad.

El funcionamiento ideal del comparador es el siguiente: cuando la entrada negativa del comparador es mayor que su entrada positiva, el transistor interno de la salida del comparador está activo y la salida por tanto a tierra. Cuando la entrada positiva es mayor que la negativa el transistor interno está en corte y la salida se pone a Vcc a través de la resistencia conectada en la salida al positivo de la alimentación.

Un circuito para el termostato es el siguiente, comparador inversor:

El circuito es un comparador inversor donde la entrada al comparador (en nuestro caso el sensor de temperatura) se conecta a la entrada negativa del operacional, y la tensión de referencia a la entrada positiva. De esta forma cuando la entrada (entrada negativa del operacional) sea mayor que la tensión de referencia (entrada positiva del operacional) que hemos fijado la salida se pone a cero, y cuando la entrada sea menor que la tensión de referencia la salida se pone a uno a través de R5.

La NTC (R9) se conecta en serie con una resistencia R4 formando un divisor de tensión. Si la temperatura es baja la resistencia de la NTC es alta y la mayor parte de la tensión cae en la NTC, siendo la entrada negativa del comparador mayor que la positiva. Si la temperatura es alta la resistencia de la NTC es baja, por lo que la mayor parte de la tensión cae en R4, siendo la entrada negativa del comparador menor que la entrada positiva de referencia.

De esta forma cuando la temperatura sea más alta que una temperatura de referencia el transistor externo Q1 está en conducción, y cuando la temperatura sea más baja que una temperatura de referencia el transistor externo Q1 está apagado. Si queremos invertir el comportamiento del circuito, por ejemplo para activar un elemento calefactor, sólo hay que cambiar la posición de la NTC con R4.

Se puede dar el caso de que la tensión de la entrada sea muy similar a la de referencia y esté oscilando sobre el valor de ésta, lo que provocaría que la salida del comparador se estuviese encendiendo y apagando continuamente, lo que en muchos casos puede ser molesto o un problema. Para evitar este caso a la hora de fijar la tensión de referencia en la entrada positiva del comparador (mediante el divisor resistivo formado por R1 y R2) se realimenta parte de la salida a través de la resistencia R3, lo que va a dar lugar a lo que se conoce como histéresis: la tensión de referencia en la entrada positiva del comparador es distinta cuando su salida está activada o apagada.

Un ejemplo aproximado, la salida está a cero, la resistencia R3 estaría conectada entre la entrada positiva del comparador y tierra:

La salida estaría a nivel bajo hasta que la entrada sea menor que la tensión de referencia (comparador inversor), la tensión de referencia depende del divisor resistivo formado por R1 y R2, al realimentar la salida a tierra ahora R2 está en paralelo con R3, lo que provoca que la resistencia equivalente sea menor y por tanto disminuye la tensión de referencia que encontraríamos en la entrada positiva del comparador si estuviese solamente R2 sin realimentar la salida a través de R3.

De igual forma si la salida del comparador está activada encontramos lo siguiente:

Ahora al estar la salida activada (a Vcc) la resistencia R3 está en paralelo con R1 (el valor de la resistencia de pull-up es despreciable frente al valor de R3) lo que provoca que el valor de la resistencia superior del divisor resistivo sea inferior al de antes, por lo tanto el valor de Vref es ahora mayor que antes (cae más tensión en R2 ya que la resistenca superior del divisor es menor). La salida estaría a nivel alto hasta que el valor de tensión de la entrada sea mayor (comparador inversor) que Vref.

Con esto se consigue lo siguiente, si por ejemplo fijamos el divisor resistivo formado por R1 y R2 a 4 V y no realimentamos la salida a través de R3, y tenemos una entrada que oscila entre 3.9 V y 4.1V la salida estaría oscilando con la entrada. Realimentando la salida a través de R3 conseguiríamos por ejemplo que la salida no se apague hasta que la entrada no supere los 4.5 V y no se encenda hasta que la entrada sea menor de 3.5 V, metiendo 1 V de histéresis entre la tensión de encendido y apagado para evitar la oscilación de la salida, lo que en la mayoría de los casos va a ser un problema.

La realimentación de la salida en los comparadores ha de ser siempre a la entrada positiva de éste, si lse hace con la entrada negativa el circuito se puede volver inestable.

Ejemplo práctico: diseño de un circuito que active un ventilador cuando la temperatura sea superior a 40 ºC y lo desactive cuando la temperatura sea imferior a 35 ºC. Alimentación 12V.

El circuito va a ser el anterior, un comparador inversor con un LM393 y una NTC:

Para este ejemplo se va a usar una NTC de 100k, lo que significa que para una temperatura de 25 ºC la resistencia de la NTC va a ser 100k Ohmios. La variación de la resistencia con la temperatura suele venir especificada en el datasheet de la NTC mediante fórmulas o tablas, en este caso viene una tabla con los valores de la resistencia en función de la temperatura en pasos de 5 ºC. La resistencia de la NTC para 35 ºC es 64K Ohmios y para 40 ºC es 51K Ohmios.

El circuito se debe activar a 40 ºC y desactivar a 35 ºC por lo que tenemos una histéresis de 5 ºC que se debe traducir a una diferencia de tensión.

Lo primero es fijar el valor de R4 y a partir de este valor y de la NTC elegida se calculan los valores de R2, R1 y R3, varias combinaciones de estas resistencias son solución al problema.

Por ejemplo eligiendo un valor de 47K para R4 podemos calcular un valor de tensión (divisor resistivo con la NTC) en la entrada negativa del comparador de 6.92V para 35 ºC y de 6.28V para 40 ºC, es decir una histéresis de 0.64V en el comparador. Con este dato debemos seleccionar R1, R2 y R3. R3 debe ser mucho mayor que la resistencia R5 de pull-up para que ésta no afecte en los cálculos.

Podemos hacerlo a mano, pero lo más fácil es buscar una calculadora online que nos muestre los valores de la tensión de referencia cuando la salida está activada o apagada en función de los valores de la resistencias elegidos. Enlace a la calculadora.

Esta calculadora hace la misma aproximación que se ha explicado antes, pone R3 en paralelo con R1 y R2 para calcular los valores de tensión en la entrada positiva del comparador en función del valor de la salida. Eligiendo los valores que se ven en la imagen obtenemos unos valores de referencia de tensión muy próximos a los buscados. Los valores de resistencia elegidos deben estar normalizados, es decir, que los podamos comprar en una tienda. En este enlace vemos cuál es el valor más próximo normalizado para un valor de resistencia seleccionado.

El funcionamiento sería el siguiente, la temperatura es baja por lo que el valor de la resistencia de la NTC es alto, siendo la entrada negativa del comparador mayor que la positiva y estando la salida a tierra lo que produce una tensión de referencia de 6.24 V en la entrada positiva del comparador. Según aumenta la temperatura la resistencia de la NTC se hace más pequeña disminuyendo el valor de tensión en la entrada negativa del comparador, cuando este valor es menor de 6.24 V el comparador pone su salida a la tensión de alimentación, lo que activa el ventilador conectado al transistor externo, a la vez que produce una tensión de 6.865 V en la entrada positiva del comparador. Ahora si la temperatura disminuye y la NTC quiere volver a apagar el circuito no debe superar los 6.24V anteriores si no los 6.865 V actuales, lo que produce una histéresis que se corresponde con las temperaturas buscadas.

Ahora sólo queda seleccionar un Mosfet de canal N de la intensidad adecuada, el ventilador requiere más intensidad de la que puede pasar por el transistor interno del LM393 (20 mA). La tensión del umbral de disparo del Mosfet debe ser mayor que el valor máximo de tensión cuando el comparador activa su transistor interno de salida para poner ésta a tierra, mirando el datasheet vemos que el valor máximo de tensión Vce de este transistor es 0.7 V, es decir cuando el comparador ponga la salida a tierra podemos encontrar hasta una tensión de 0.7V en ésta.

La resistencia R5 de pull-up debe ser lo suficientemente grande para no superar los 20 mA que pueden pasar a través del transistor interno, y suficientemente pequeña para que sea despreciable en los cálculos de la histéresis, un valor entre 5K y 10K Ohmios es adecuado para este caso.

El ventilador es una carga inductiva por lo que hay que añadir un diodo D1 en antiparalelo con su motor para evitar los picos de tensión producidos por su bobina.

Una vez seleccionadas las resistencias y los componentes el siguiente paso es montarlo, se puede montar en una protoboard o en un pcb. Subo un fotolito donde se puede montar este circuito.

Esquema y lista de componentes:

Respecto al trazado del PCB poner el cobre que podamos en el drenador del transistor, ya que si la corriente es alta servirá para que el transistor pueda disipar más potencia, y no poner en serie la alimentación del motor con la del resto del circuito.

Por ejemplo si vamos poniendo el multímetro a lo largo de la pista de retorno del ventilador podemos ver como la tensión va aumentando desde la entrada de tierra hasta llegar al transistor, esta pista tiene un ancho de 1 mm y sólo lleva 500 mA.

Retorno del motor:

Se puede ver como según nos alejamos de la entrada de la tierra la tensión va aumentando debido a la intensidad que circula por la pista de tierra del motor y su resistencia.

Por lo que siempre que vayamos a hacer pcbs para motores o por donde pueden circular mucha intensidad es conveniente separar la alimentación de potencia del resto de la electrónica, ya que si por ejemplo queremos una histéresis de 100 mV y tenemos las pista de alimentación de la electrónica  compartidas con las de los motores, si las pistas son finas y la corriente que llevan alta nos pueden provocar un error en los cálculos.

Si se compara con la pista de vuelta de la electrónica se puede ver como ésta lleva mucha menos intensidad y su caída de tensión de un extremo a otro es despreciable:

Recomendable el U1242B de Agilent, probablemente (con permiso del fluke 179) la mejor opción en polímetros en el rango de los 200 €.

Por último un video del funcionamiento del circuito.


 

 

 

 

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4 Responses to “Un simple termostato.”

  1. Sorin says:

    Hola me gusto mucho lo que pusiste ariba (todas las explicaciones),podrias ayudarme con adaptar lo que tu hiciste para arancar a 7ºC y parar a 4ºC un relee?Y si fuera posible que se alimente desde 220V alternativo?Gracias de todas formas ,y lo siento de mi gramatica que da pena ,soy extrajera.Un saludo.

  2. JMN says:

    Hols Sorin,

    si tienes una duda en concreto respecto a esta entrada del blog y sé responderte lo haré, más o menos todos los pasos creo que están detallados en la entrada.

    Para pedir ayuda de electrónica en internet, para un proyecto personal, desde mi punto de vista lo correcto es utilizar un foro de electrónica, o así lo suelo hacer yo.

    Un saludo,

  3. Johana Ramirez says:

    Buenas noches … muy bueno el proyecto pero necesito un poco de ayuda, es que yo tengo un proyecto en una materia de mi uni y es algo similar pero el termoresistor que tengo que utilizar es de 20K como hago???

  4. JMN says:

    Hola,

    lo primero es tener una tabla o gráfica de los valores de la resistencia variable según la temperatura, una vez que conoces el valor de la ntc para la temperatura deseada puedes calcular los valores necesarios según se explica.

    Pero vamos si es un trabajo para la universidad, tendrás un profesor experto en la materia al que preguntar y que te podrá resolver las dudas mucho mejor que yo.

    Un saludo.

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