Control automatico de temperatura
- 1. CONTROL AUTOMATICO DE TEMPERATURA Oscar Montoya y Alberto Franco En este artículo presentamos un circuito de control automático de temperatura, el cual, como es obvio, permite controlar la temperatura Introducción dentro de un rango más o menos constante para sistemas que así lo El circuito se puede utilizar en una gran varie- requieran. Aprovecharemos la dad de aplicaciones; entre ellas podemos men- oportunidad para revisar algunos cionar el control de un ventilador común, en aspectos de la operación de los donde controla sus tiempos de encendido y apa- comparadores (utilizando gado dependiendo de la temperatura ambiente. amplificadores operacionales) y de los Este mecanismo se puede ajustar, incluso, en termistores, que permiten convertir los todo un sistema de aire acondicionado. cambios de temperatura en cambios de Usted podrá encontrar muchas más aplicacio- voltaje. En este proyecto utilizamos un nes de este circuito de las que aquí podemos circuito multivibrador monoestable mencionar; lo importante es entender su opera- para activar un relevador, que es el ción completa, y es por ello que empezaremos que finalmente activa o desactiva a los explicando los bloques funcionales de manera dispositivos externos (ventilador, independiente, para finalmente observar la ope- calefactor etc.) ración general de dicho circuito. 70 ELECTRONICA y servicio
- 2. Diagrama a bloques del sistema de control automático de temperatura Nivel alto Detector de temperatura Generador de Comparador (transductor) pulsos de disparo Ajuste de temperatura Amplificador de salida Detector de temperatura (transductor) Nivel Bajo Dispositivo de control externo Figura 1 Análisis de los bloques funcionales físicos, como presión, temperatura, luz etc., en señales eléctricas). Es realmente muy sencillo y La figura 1 muestra el diagrama a bloques del fácil de aplicar; y aunque no es tan popular como circuito de un control automático de temperatu- otros dispositivos semiconductores, es igual de ra; las partes que lo forman son: eficiente si se le sabe utilizar. Este componente tiene una amplia gama de • Detector de temperatura (nivel alto y nivel aplicaciones que abarca desde el control y la me- bajo). dición de temperatura, hasta la regulación de • Comparadores. circuitos electrónicos, como en el caso que tra- • Referencia de temperatura (para ajuste de en- tamos. Para comprender mejor cómo se logra el cendido y apagado del circuito). control por medio de este dispositivo, haremos • Generador de impulso para activar el control las siguientes consideraciones: de encendido. • Amplificador de salida (para el correcto mane- 1) La corriente que circula por cualquier conduc- jo del dispositivo de control de salida). tor está afectada, de uno u otro modo, por la • Dispositivo de control de salida, el cual se en- temperatura. carga de activar o desactivar el elemento o sis- 2) Así, en un voltaje determinado, la corriente tema a controlar (el ventilador por ejemplo). que circula por algún conductor a una tem- peratura de por ejemplo 100 grados centígra- Termistores dos, será apenas tres cuartas partes de la co- rriente que fluiría por el mismo conductor a Antes de continuar con la descripción de nues- 25 grados centígrados. tro circuito, es importante hacer un paréntesis 3) Con esto podemos afirmar que un aumento para describir un dispositivo en el cual es la base de 75 grados centígrados, origina un incremen- para hacer automático el control de temperatu- to de 1:3 veces la resistencia del conductor. ra: el termistor. 4) Debido a esto, todo material conductor tiene El termistor es un tipo de semiconductor de una constante llamada “coeficiente de tem- dos terminales que funciona como un transduc- peratura de resistencia”, que indica qué tanto tor de tipo temperatura-resistencia (el transduc- cambia la resistencia del material con la va- tor es un dispositivo que convierte fenómenos riación de la temperatura. ELECTRONICA y servicio 71
- 3. Una de las formas en que se puede utilizar un Símbolo de un termistor termistor es como divisor de voltaje, ya que Se le llama “de caldeo directo“, porque la temperatura que la variación de voltaje es inmediata con la va- incide sobre el termistor es la del medio ambiente. Se le llama “de caldeo indirecto“, porque el caldeo riación de la resistencia del termistor; y es pre- (aplicación de calor) es producido principalmente cisamente este principio el que se utiliza en por un elemento calefactor eléctrico incorporado dentro del termistor. este proyecto. a) De caldeo directo Como ya comentamos, este dispositivo es rela- tivamente sencillo. La resistencia varía en un valor conocido (dato proporcionado por el fa- bricante). La mayoría de los termistores tienen un “coeficiente negativo de temperatura” (NTC: Termistor negative temperature coefficient), pero también hay los que tienen “coeficiente positivo de tem- b) De caldeo indirecto peratura” (PTC). Aun cuando el termistor se considera como una resistencia, lo que lo distingue de estos dis- positivos es el material del cual está hecho. Elemento Las resistencias normalmente contienen car- calefactor Figura 2 bón, mientras que los termistores están hechos a partir de elementos como el cobalto, níquel, etc. caliente es menor que la resistencia en frío, Para utilizar este tipo de componentes y po- mientras que para un elemento PTC, la resis- der incorporarlos en nuestro circuito, debemos tencia en caliente es mayor que la resistencia conocer las características del termistor que en frío. marca el fabricante. Esto no siempre es posible, • Resistencia en función de la temperatura. Es la debido a que en los sitios donde se venden es- característica que presenta normalmente el fa- tos componentes, o no tienen estas hojas, o los bricante, en forma de una gráfica como la mos- vendedores no se toman la molestia de buscar trada en la figura 3. entre sus catálogos la información; así que es mejor tomar un camino alternativo. En la figura 2 se muestra el símbolo del termis- Figura 3 tor en sus dos posibilidades, las de caldeo indi- recto y de caldeo directo; estos últimos son los Gráfica característica típica de resistencia-temperatura en un termistor NTC. que encontramos normalmente en el mercado. 10M Características del termistor 1M Resistencia (Ω) • Resistencia en frío. Indica la resistencia medi- 100K da a una temperatura ambiente normal (25 gra- 10K dos centígrados por ejemplo). Pero si se va a 1K trabajar a una temperatura distinta, entonces deberá medirse la resistencia que presenta este 100 dispositivo a esa temperatura. 10 • Resistencia en caliente. Podemos determinar 1 esta resistencia al generar una variación de temperatura mediante algún elemento calefac- -100 0 100 200 300 tor. Para un dispositivo NTC, la resistencia en Temperatura (ºC) 72 ELECTRONICA y servicio
- 4. Diagrama esquemático general +12V + 12V 330Ω R7 47KΩ 47KΩ R3 R9 8 4 R1 47K 1N4001 ELECTRONICA y servicio 4 R12 1.5K 3 + A 1 6 5.1V 2 - 11 3 R13 D3 1.5K 2 555 47KΩ 47KΩ R4 4.7K Q4 R2 D1 SL100 Q1 TR1(NTC) 7 1.5K R10 VR1 5.1V D4 4.7K 1N4001 Q3 10KΩ BC547 C1 + 1 R11 4.7K 5.1v 100µFd 0.01µFd - 25V +12V A,B: LM324 A la carga (RL) VCC R14 R17 47KΩ 47KΩ 5 + 7 B Relevador 6 R15 47KΩ - 2 P2T 12 V 47KΩ R19 1.5K R16 1.5KΩ R18 D5 Q2 5.1V BC547 TR2 (NTC) R20 4.7K VR2 10K Figura 4 73
- 5. Operación del circuito valor en frío tal, que el potenciómetro no alcan- ce a compensar este valor de resistencia. Con las ideas básicas sobre la operación de los Con algunos cálculos sencillos podemos de- elementos ya descritos podemos analizar de terminar, por ejemplo, si aumenta la resistencia manera completa el circuito. del potenciómetro, el voltaje de referencia au- En la figura 4 se muestra el circuito propues- menta; por el contrario, si la resistencia dismi- to para el control automático de temperatura, nuye, también lo hace el voltaje de referencia donde podemos identificar con facilidad los di- (figura 5B). ferentes bloques que se proponen en el diagra- El termistor tiene un coeficiente negativo de ma que se presentó antes. Este circuito requiere resistencia, lo cual indica que a mayor tempera- de una alimentación de 12 volts regulados (esto tura, menor resistencia. Con esto podemos con- se puede lograr mediante un regulador 7812). cluir que si aumenta la temperatura, disminuye La primera etapa del circuito, constituida por la resistencia y el voltaje de referencia y si, por los divisores de voltaje formados por las resis- el contrario, disminuye la temperatura, la resis- tencias de R1 a R4; por el potenciómetro VR1 y tencia aumentará provocando también un incre- el termistor, componen el detector de tempera- mento en el voltaje de referencia (terminal ne- tura. En la figura 5A se muestra esta etapa aisla- gativa del comparador). da junto con el comparador para una mejor com- Inicialmente este circuito se encuentra a tem- prensión. peratura normal (ambiente de operación normal, Como podemos apreciar, las resistencias R1 por ejemplo, 20 grados centígrados); la salida de a R4 son del mismo valor, dejando la posible los comparadores es cero, esto es, tiene un ni- variación en el valor de salida (hacia los compa- vel de salida BAJO. Al momento en que se radores) al potenciómetro y al termistor. incrementa la temperatura, los valores en la en- El potenciómetro VR1 sirve, como se podrá dar trada de los comparadores varían, sobre todo en cuenta, para ajustar el valor de referencia para las entradas de referencia negativas que son las que el termistor funcione con su temperatura en que están conectadas a los termistores. Esta va- frío. Este valor del potenciómetro es susceptible riación de temperatura provoca una conmuta- de cambio, ya que el termistor puede tener un ción en la salida del comparador (el intervalo +12V +12V A B Figura 5 Si VR1=10KΩ R1 R2 47KΩ 12V 12V +12V i = 47K+47K+10K = 104KΩ Salida + 12V VRE F= iRREF= ( ) ( 57KΩ) 104KΩ - 47KΩ VREF ≈ 6.58V R3 R4 Si VR1 = ØΩ RREF VREF = 6V VREF Termistor VR1 RREF= Resistencia equivalente de VR1 referencia NTC RREF= 47KΩ +VR1 74 ELECTRONICA y servicio
- 6. para que se dé la conmutación se ajusta con el cuando el circuito está encendido con la tempe- potenciómetro VR1). ratura normal, las salidas de los comparadores La siguiente etapa utiliza la salida del com- A y B, así como la salida del monoestable, son parador para trasladar esta conmutación hacia BAJAS. Con esto, el transistor T3 está apagado y el monoestable (figura 6). provoca que T4 esté encendido; por lo tanto, la carga está conectada a la fuente de alimenta- ción. Al incrementarse la temperatura se genera un Etapa de disparo del monoestable disparo en el monoestable que proviene desde +12V el comparador vía Q1. La salida del monoestable Vcc (terminal 3 del 555), tiene entonces un nivel ALTO, lo que resulta en una conducción del tran- Vref 1 R7 330Ω + sistor Q3 y provoca que Q4 esté en corte. En este LM 324 momento los interruptores se abren, por lo que Salida Vref 2 - el relevador desconecta la carga de la fuente de 1K R5 D2 alimentación. El circuito monoestable mantiene Q1 BC547 ese estado y tiene salida sólo cuando la tempe- 5.1V ratura cae por debajo del nivel bajo de tempera- 5.1K R6 tura determinado por el comparador B, el cual debe cambiar a BAJO y nuevamente encender la Figura 6 carga (conectar a la fuente de alimentación). Es importante insistir que el primer compa- rador se ajusta (mediante VR1) para la tempera- Cuando la salida del comparador es BAJA, el tura en la que el dispositivo a controlar (un ven- diodo zener no se polariza, por lo que el transis- tilador, por ejemplo) está conectado. Al tor Q1 está apagado manteniendo la salida de la incrementar este nivel de temperatura, el dispo- etapa en estado ALTO (1 lógico). sitivo se desconecta. Por el contrario, si la salida del comparador La carga se vuelve a conectar hasta que la es ALTA, el diodo zener se polariza, con lo que temperatura cae a un nivel de temperatura de provoca que el transistor llegue a su estado de reinicio determinada (ajustada) por el compara- saturación y por lo tanto de conducción. dor B. Esta configuración del transistor es un inver- En la figura 8 se presenta el diseño de la ta- sor; debido a esto, la salida es virtualmente co- blilla de circuito impreso, tanto del lado de los nectada a tierra, así que ésta tiene un estado componentes como del lado de la soldadura. BAJO (0 lógico). Aquí es importante mencionar que puede variar El diodo zener se utiliza para garantizar que este diseño en lo que se refiere al relevador, ya el transistor se mantenga en los estados de sa- que en ocasiones se encuentran relevadores con turación y corte, es decir, para estar en función diferentes asignaciones de terminales; pero cree- de encendido y apagado. mos que no será difícil resolver esta situación Esta salida, como ya analizamos, es la salida por nuestro lector. Todos los demás elementos inversa del comparador; es la que activa al cir- se colocan en la posición indicada, y sólo se debe cuito monoestable hecho con un temporizador tener cuidado con la polaridad de diodos y 555 (figura 7). La forma en que está conectado capacitores, así como con la disposición de los este circuito hace que no sólo dependa de la transistores. Los termistores no tienen polaridad, constante de tiempo normal en este tipo de cir- ya que se comportan como una resistencia. cuitos (T = 1.1 x R9 x C1), sino que también de- Finalmente, debe tener cuidado con la colo- penda del estado en que se encuentra el compa- cación de los chips. La forma en que se marcan rador B (terminal 7 de LM324). Inicialmente, en la figura es la “posición frontal”, es decir la ELECTRONICA y servicio 75
- 7. Etapa del circuito monoestable y Etapa de salida + Vcc 47K R9 8 4 R12 D6 D3 6 Disparo R13 2 8 Q4 7 R10 D4 D1 Q3 1 5 R11 C1 0.01µFd A la carga 9 Resistencias 47KΩ Vcc 5 Resistencias 1.5KΩ 4 Resistencias 4.7KΩ 2 Preset 10KΩ 2 Termistores NTC 4 Diodos Zener 5.1V 3 Transistores BC547 + 1 Transistor SL100 B Interruptores del 2 Diodos IN4001 - relevador DPDT 1 Capacitor 100µfd 25v 1 Capacitor 0.01µFd R19 D5 Q2 R20 Figura 7 terminal 1 del chip se encuentra en la parte infe- biente dentro de un intervalo bien definido de rior izquierda del rectángulo marcado para el temperatura. respectivo circuito. Físicamente se observa un Además, si se requiere, en lugar de controlar punto a la altura de la terminal 1, viendo el chip algún dispositivo calefactor, se puede conectar desde arriba. algún tipo de alarma, incluso con el mismo relevador. Así construimos una alarma contra in- Aplicaciones cendios. En realidad, es cuestión de adaptar este cir- El circuito que acaba de analizarse podemos cuito a las necesidades específicas, ya que es conectarlo, por ejemplo, en algún sistema de ca- muy estable gracias a los componentes y confi- lefacción que debe mantener la temperatura am- guraciones utilizadas. 76 ELECTRONICA y servicio
- 8. Impreso (lado soldadura) Figura 8 Impreso (lado componentes) C - TR1 + VR1 LM324 555 TR1Termistor 1 TR2 Termistor 2 VR1 Presets 100k VR2 VR2 (+) (-) Relay R2 También, para despertar su curiosidad, hemos En realidad, estos circuitos los encontramos de decirle que mediante termistores se pueden con mucha frecuencia, pero la mayoría de las construir tanto termómetros como medidores de veces pasan desapercibidos. Basados en este flujo de algún líquido (incluso gases). ¿Y por qué diseño podemos hallar un número ilimitado de no un trabajo un poco más detallado pero no aplicaciones con ciertas variaciones que no cam- menos eficiente?: se pueden usar como biarán su configuración principal. El análisis compensadores para la polarización de transis- basado en bloques funcionales o etapas permite tores, sobre todo de potencia, los cuales modifi- tanto la comprensión más clara, como la posibi- can sus características con la variación de tem- lidad de sustituir alguna de estas etapas de acuer- peratura, de ahí la importancia de compensar en do con a las necesidades específicas de alguna la polarización. otra aplicación. ELECTRONICA y servicio 77