Control térmico para invernaderos (ART1296S)

El circuito que proponemos tiene como objetivo el control térmico de cualquier entorno, manteniendo la temperatura en un cierto pista de valores, y se puede utilizar en invernaderos, cámaras de secado, amortiguadores electrónicos, salas de ordenadores, salas de estar o reuniones, sistemas de refrigeración de máquinas, etc.

Mantener la temperatura de un entorno determinado en una banda previamente establecido es un problema que se puede resolver eficientemente si utilizamos recursos electrónicos.

 

Pero ṡcuáles son estas características?

 

En primer lugar, necesitamos un sensor eficiente que pueda percibir con cierta velocidad (pequeña inercia térmica) cualquier variación en la temperatura controlada.

 

Entonces necesitamos los recursos que puedan corregir los cambios de temperatura, como un sistema de calefacción si la temperatura cae por debajo de un cierto valor, o enfriar si sube más allá de un cierto valor.

 

En los casos en que la banda controlada esté con límites más allá de las variaciones normales en la temperatura ambiente, necesitaremos los dos controles: calefacción y refrigeración. Este tipo de sistema es lo que, por supuesto, presenta los mayores problemas y dificultades de proyecto.

 

Si la temperatura que queremos controlar supera un cierto valor preestablecido, nuestro aparato debe apagar el sistema de calefacción para que se caiga de nuevo de forma natural.

 

Si el valor preestablecido es, sin embargo, inferior a la temperatura ambiente en un determinado punto del día, incluso si apagamos el sistema de calefacción, la temperatura no disminuirá debido a la tendencia a coincidir con el entorno.

 

Es necesario, en este caso, el uso de un sistema de refrigeración forzada, vinculando, por ejemplo, un aire acondicionado o simplemente un ventilador.

Del mismo modo, si la temperatura a controlar cae por debajo de un valor prefijado, y es superior a la temperatura ambiente, el simple apagado del equipo de refrigeración no permite que el sistema vuelva a su temperatura normal mediante un intercambio de calor espontáneo, y es necesario calentarse por forzado.

 

Por lo tanto, con una banda de temperatura de control en los límites internos de una pista más amplio de temperaturas ambientales normales, se requiere un doble control.

 

Entonces debemos tener un sistema que dispare sobre temperaturas como subtemperaturas, activando en un caso la refrigeración y el otro la calefacción. (figura 1)

 

Figura 1 – Bandas de actuación
Figura 1 – Bandas de actuación | Haga click en la imagen para ampliar |

 

 

El sistema que proponemos en este artículo hace precisamente eso, utilizando un solo sensor y siendo se puede configurar a 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 carga: 2 A (posible ampliación)

Sensores utilizados: NTC o transistor

Pista de temperatura de funcionamiento: de -25Ḟ C a +125Ḟ C

Tensión de corriente: 110/220 VCA o 12VDC

Número de integrados: 3

 

CÓMO FUNCIONA

Se utilizan dos comparadores de tensión con amplificadores operacionales tipo 741. En estos comparadores tenemos dos entradas, un inversor y el otro no inversor, representado por "-" y "+".

 

A continuación, podemos tener dos modos de funcionamiento:

 

a) Si aplicamos una tensión de referencia a la entrada del inversor, dada por el divisor resistivo R1-R2 en la figura 2, la tensión de salida puede variar entre 0 V y 12V aproximadamente bajo las siguientes condiciones: cuando la tensión aplicada en la entrada no inversor (procedente del sensor) es menor que la tensión de referencia, la salida será nula virtualmente.

 

   Figura 2 - Primer modo de operación
Figura 2 - Primer modo de operación

 

 

Por otro lado, cuando la tensión en la entrada no inversor es mayor que la tensión de referencia, la tensión de salida será prácticamente de 12 V. La transición entre estas dos tensiones se realiza de una manera muy acentuada dada la alta beneficio del amplificador operacional, del orden de 100 000 veces.

 

A la salida de un funcionamiento conectado de esta manera, si conectamos un controlador PNP su conducción ocurrirá precisamente cuando la tensión está cerca de cero.

 

Por lo tanto, en esta configuración el transistor de salida conducirá, activando el relé, cuando la tensión proporcionada por el sensor es menor que la tensión de referencia.

 

Teniendo en cuenta que un sensor conectado en la forma indicada en la figura 2, con coeficiente de temperatura negativo, disminuye la tensión de entrada cuando la temperatura aumenta, este circuito funciona como un disparo por sobre la temperatura.

 

b) En este modo, aplicamos la tensión de referencia a la entrada no inversor (+) y la tensión del sensor a la entrada del inversor.

Igualmente, dada la ganancia del amplificador operacional, tenemos una transición muy rápida en su salida, cuando un valor supera al otro.

 

Por lo tanto, cuando la tensión de la entrada del inversor (sensor) excede la tensión de referencia, la tensión de salida caerá a cero, como se muestra en el gráfico de la figura 3.

 

Figura 3 - Segundo modo de funcionamiento
Figura 3 - Segundo modo de funcionamiento

 

 

Como también conectamos en la salida un driver de tipo PNP, la conducción de este transistor se produce cuando la tensión cae a cero, lo que significa que tendremos un disparo por subtemperatura, considerando de nuevo la conexión del sensor con coeficiente de temperatura negativo (NTC).

 

En el proyecto final tenemos la fijación de los puntos de cocción configurando la tensión de los terminales de referencia a ciertas temperaturas a través de trimpots.

 

El sensor puede ser un transistor común, aprovechando su corriente de fuga (ICEO) que depende de la temperatura como parámetro principal, o un NTC.

 

Lo importante a la hora de elegir el sensor es llevar la tensión en el divisor formado por R2 y P2 a un valor cercano a la mitad de la fuente de corriente (6 V), en las condiciones de funcionamiento promedio (temperatura normal).

 

A continuación, configuramos las tensiones de referencia por encima o por debajo de él, dependiendo de los puntos de disparo. Un factor importante en el funcionamiento de este tipo de circuito es la llamada inercia térmica.

 

Dado que la temperatura varía en el entorno, el circuito no responde inmediatamente, ya que el sensor necesita una cierta cantidad de tiempo para equilibrar su propia temperatura.

 

La velocidad a la que se produce la balanza depende del tamaño del sensor, es decir, de su "capacidad térmica". Para un sensor termométrico, como se muestra en la figura 4, donde la capacidad térmica es muy pequeña, la reacción es casi instantánea, pero para un transistor o incluso un NTC necesitamos hasta unos minutos para esto.

 

Figura 4 - Sensores comunes
Figura 4 - Sensores comunes

 

 

Lo importante en aplicaciones donde se requiere un control más rápido es que el sensor está montado en un lugar que permite la detección rápida de cualquier variación de temperatura.

 

Para los CNC no será necesario utilizar el amplificador de transistor, dada su mayor variación de temperatura.

 

De todos los modos siempre es importante conocer la curva de variación de la resistencia del componente con la temperatura para que se realice una configuración correcta del sistema.

 

MONTAJE

En la figura 5 tenemos el diagrama completo del aparato, incluyendo la fuente de corriente.

 

 

Figura 5 - Diagrama completo del aparato
Figura 5 - Diagrama completo del aparato

 

 

Si el aparato está alimentado por batería, el sector de origen se puede eliminar, pero si hay una necesidad de precisión de funcionamiento, recomendamos una versión reductora, como se muestra en la figura 6.

 

Figura 6 - Fuente con regulador
Figura 6 - Fuente con regulador

 

 

La placa de circuito impreso para este montaje se muestra en la figura 7.

 

 

Figura 7 - Placa para montaje
Figura 7 - Placa para montaje | Haga click en la imagen para ampliar |

 

 

Los resistores son todos de 1/8 o 1/4 W con 10% o 20% de tolerancia, y los relés, así como los integrados se montan en zócalos DIL de 8 y 16 pinos, según corresponda.

 

Los diodos de protección y conmutación pueden ser 1N914 o 1N4148.

 

El sensor puede ser un NTC con resistor entre 1k y 10 k, en cuyo caso tendremos el cambio de P2 y R2 a 10k y 470 ohms respectivamente o de lo contrario un transistor de germanio 2SB75, AC188 etc. porque estos tienen una mayor variación de la corriente de fuga ICEO con a- temperatura.

 

Los Trimpots son comunes, y el capacitor de filtro de origen tiene una tensión de trabajo de 25 V.

 

El transformador debe ser de 500 mA a 1 A, como relés que requieren el fuego de corriente más alta a 100 mA o más. Para el control externo podemos predecir tanto la colocación de tomas como una barra de bornes con tornillos.

 

En la figura 8 mostramos la conexión en un doble control en el que tenemos la activación de un ventilador cuando la temperatura supera un cierto valor y la activación de un calentador cuando cae por debajo de un cierto valor.

 

 

 

 

Figura 8 - Control dual
Figura 8 - Control dual | Haga click en la imagen para ampliar |

 

 

Para el sensor se puede proporcionar una conexión remota a través de un jaque, y se debe utilizar un cable blindado si está a más de 5 metros del aparato de control.

 

El fusible protector en la entrada tiene su corriente elegida de acuerdo con los aparatos controlados, y las 5 A recomendadas son para la carga máxima.

 

PRUEBA Y USO

Para configurar y probar el control, el jugador necesitará un multímetro conectado en la escala de tensión continua (Volts DC) que permite Ieer 6 V.

Encienda el aparato y configure P2 para leer una tensión de 0V en el punto indicado en el diagrama (entrada de tensión de los comparadores desde el sensor).

 

El sensor debe estar inicialmente a temperatura ambiente.

 

A continuación, gire P1 y compruebe si hay un punto de transición donde el relé cambia (se abre o se cierra). Haz lo mismo con P3. Con este procedimiento demostramos el funcionamiento de los dos comparadores, sus conductores y relés.

 

Para configurar el aparato, coloque P1 en el punto correspondiente al disparo de temperatura más alta. Para ello, coloque el sensor en un lugar de temperatura conocido (más alto) donde se deba producir el disparo y configure P1 para hacerlo.

 

A continuación, coloque el sensor en un lugar de temperatura de disparo mínima y configure P3 para que el relé K2 actúe.

 

Después de las configuraciones de los extremos de accionamiento, sólo tiene que instalar el sensor en el lugar a controlar y conectar las salidas a los controladores (ventiladores, calentadores, etc.).

 

Para un incubadora, donde la temperatura debe mantenerse a valores altos, 38Ḟ C, por ejemplo, el sistema de refrigeración puede ser innecesario, con sólo el calentador encendido en la subtemperatura (K2) como se muestra en la figura 9.

 

 

Figura 9 - Uso en incubadora
Figura 9 - Uso en incubadora

 

 

Este calentador puede ser una lámpara de 100 watts o incluso un hilo de nicromo de hasta 200 watts.

 

SENSORES - LM35/LM35N/LM350/LM35CA/LM350

A National Semiconductor (Ahora Texas Instruments) tiene en su línea de componentes los sensores de temperatura para la pista de grados centígrados indicados por los tipos anteriores.

 

La característica principal de estos integrados es proporcionar una salida, cuya tensión es linealmente proporcional a la temperatura en la pista de -55ḞC a +150ḞC.

 

Como el consumo de estos sensores es de sólo 60 uA, no se genera calor en ellos, lo que puede hacer que se miden las variaciones de temperatura.

En la figura 10 tenemos las carcasas de estos componentes.

 

 

  Figura 10 - Carcasas
Figura 10 - Carcasas

 

 

Las principales características de estos sensores son:

Tensiones máximas de corriente: -0.2V a +35V

Tensiones de salida: -1.0V a +6.0V (máx.)

Corriente de salida máxima: 10 mA

Banda de temperatura de funcionamiento: LM35, LM35A: -55Ḟ C a +150Ḟ C

Precisión típica a 25ḞC: 0,2ḞC

Ganancia típica del sensor: +10,0 mV/ḞC

 

En la figura 11 tenemos circuitos de aplicación típicos proporcionados por el fabricante.

 

 

Figura 11 - Circuitos típicos
Figura 11 - Circuitos típicos

 

 

Con el intercambio de resistores R4 y R6 por otros de 1k, y la conexión directa de la salida del sensor al punto de 6 V, sin el uso de R2, P2, y otros componentes, estos sensores serán capaces de operar en nuestro circuito.

 

Cl-1, CI-2 - LM 741 - amplificadores operacionales

CI-3 -. 7812 - regulador de tensión de circuito integrado

Q1 - sensor de germanio - ver texto

Q2 - BC548 - transistor NPN de propósito general

Q3, Q4 - BC558 - transistores PNP de propósito general

Diodos de propósito general de silicio D1, D2 D5, D6 - 1N4148 o 1N914

D3, D4 - 1N4004 o equivalente - diodos rectificadores

P1, P2, P3 - 100 k - trimpots

F1 - 5A - fusible

S1 - interruptor simple

Micro relés K1, K2 - 12 V

T1 - 15 +15 V x 500 mA o 1 A - transformador con primario según el red local

C1 - 1000 uF x 25 V - capacitor electrolítico

R1 - 1k - resistor (marrón, negro, rojo)

R2 - 4k7 - resistor (amarillo, violeta, rojo)

R3, R4, R5, R6 - 10 k - resistores (marrón, negro, naranja)

R7, R8 - 1k - resistores (marrón, negro, rojo)

Varios: placa de circuito impreso, zócalos DIL para integrado y relés, cable de energía, enchufe de corriente (X1), soporte de fusible, cable de conexión del sensor, etc.