Control Automático de Temperatura
3
INTRODUCCIÓN
El proyecto a realizarse está relacionado con un controlador automático de temperatura, el
cual dependiendo de un rango de temperatura de trabajo acciona un ventilador de 12
voltios, para sensar la temperatura se utilizan termistores NTC.
El circuito se puede utilizar en una gran variedad de aplicaciones; entre ellas podemos
mencionar el control de un ventilador común, en donde se controla susu tiempos de
encendido y apagado dependiendo de la temperatura ambiente. Este mecanismo se puede
ajustar en todo un sistema de aire acondicionado.
El trabajo que se efectuará consta de circuitos prácticos, útiles y sencillos, los cuales
necesitarán de componentes fáciles de conseguir o encontrar.
Para la elaboración del proyecto hemos requerido de conocimientos logrados en cursos
anteriormente vistos, y una vez adquiridos u obtenidos los componentes necesarios se
procedió al ensamblaje del mismo en un protoboard como primer requisito, para luego
presentar y comprobar su correcta marcha, y finalmente, llevar el montaje a un circuito
impreso (placa), y luego de haber obtenido el grado de funcionamiento deseado ajustarlo a
nuestra necesidad o instalarlo en forma definitiva en un chasís metálico como segundo
requisito.
Cabe recalcar que para la realización del proyecto fue necesario visitar otras instalaciones
de la Escuela Superior Politécnica del Litoral como los laboratorios de Redes Eléctricas y
de Electrónica, los cuales nos facilitaron equipos para realizar mediciones necesarias.
Control Automático de Temperatura
4
OBJETIVOS
1. Utilizar los elementos esenciales en la Electrónica analógica adecuadamente para
crear una aplicación muy útil en la vida práctica como un controlador de
temperatura.
2. Aplicar la teoría de lazo cerrado de control para un rango específico de temperatura,
que permitirá manipular las acciones de un ventilador.
3. Utilizar los simuladores como herramientas de apoyo para comparar resultados
reales
Control Automático de Temperatura
5
ANÁLISIS TEÓRICO
Termistores El termistor es un tipo de semiconductor de dos terminales que funciona como un
transductor de tipo temperatura –resistencia (el transductor es un fenómeno que convierte
fenómenos físicos como presión, temperatura, luz etc. En señales eléctricas). Es realmente
muy sencillo y fácil de aplicar y aunque no es tan popular como otros dispositivos
semiconductores, es igual de eficiente si se sabe utilizar.
Este componente tiene una amplia gama de aplicaciones que abarca desde el control y la
medición de temperatura, hasta la regulación de circuitos electrónicos, como en el caso que
tratamos. Para comprender mejor como se logra el control por medio de este dispositivo,
haremos las siguientes consideraciones.
1) La corriente que circula por cualquier conductor está afectada de uno u otro modo
por la temperatura.
2) En un voltaje determinado, la corriente que circula por algún conductor a un
temperatura de por ejemplo 100 grados centígrados, será apenas tres cuartas partes
de la corriente que fluirá por el mismo conductor a 25 grados centígrados.
3) Con esto podemos afirmar que un aumento de 75 grados centígrados origina un
incremento de 1:3 veces la resistencia del conductor.
4) Debido a todo esto el material conductor tiene una constante llamada “coeficiente
de temperatura resistiva”. Que indica que tanto cambia la resistencia del material
con la variación de la temperatura.
Características del termistor.
Resistencia medida en frio indica la resistencia medida a una temperatura
ambiente normal (25 grados centígrados por ejemplo). Pero si se va a trabajar a
una temperatura distinta, entonces deberá medirse la resistencia que presenta
este dispositivo a esa temperatura.
Resistencia en caliente. Podemos determinar esta resistencia al generar una
variación de temperatura mediante algún elemento calefactor. Para un
dispositivo NTC, la resistencia en caliente es menos que la resistencia en frio.
Curva de resistencia vs. temperatura de un termistor:
Control Automático de Temperatura
6
La figura No. 2, muestra una curva típica de la resistencia de un termistor con respecto a la
temperatura. La resistencia del termistor se puede calcular en forma matemática a través de
la siguiente formulación:
Donde:
RT = Resistencia del termistor a la temperatura T(K).
R0 = Resistencia del termistor a la temperatura de referencia T0.
T0 = Temperatura de referencia en K (Usualmente T0 = 298 K).
β = Una propiedad particular del material del termistor.
T = Temperatura del termistor.
Gráfico 1 Control automático de temperatura
Curva de resistencia vs. temperatura
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
10000000
-80 -59 -38 -17 4 25 46 67 88 109 130
Resi
stenci
a (
Ohm
.)
Temperatura (ºC)
Resistencia vs. Temperatura
44004/44003
44006/44031
Control Automático de Temperatura
7
Resistencia
Se denomina resistencia eléctrica a la dificultad u oposición que presenta un cuerpo al paso
de una corriente eléctrica para circular a través de ella. En el Sistema Internacional de
Unidades, su valor se expresa en ohmios, que se designa con Ω.
Capacitor
Un capacitor ó condensador es un dispositivo formado por dos conductores ó armaduras,
generalmente en forma de placas o láminas, separados por un material dieléctrico, que
sometidos a una diferencia de potencial adquieren una determinada carga eléctrica. A esta
propiedad de almacenamiento de carga se le denomina capacidad y se mide en Faradios (F).
OPAMP
Es un dispositivo amplificador de la diferencia de sus dos entradas, con una alta ganancia,
una impedancia de entrada muy alta, (mayor a 1 Megaohm) y una baja impedancia de
salida (de 8 a 20 ohmios). Debido a estas características se deduce que las corrientes de
entrada son prácticamente nulas y que tiene la característica de poder entregar corriente
relativamente alta.
Internamente el Amplificador Operacional contiene un gran número de transistores,
resistores, capacitores, etc.
Disipador
Cuando se genera potencia, también se genera calor, o sea, que toda etapa de salida de un
amplificador, sea este de un transmisor, salida de audio, etc., disipa potencia en forma de
calor. Para proteger a estos componentes se colocan sobre una placa metálica, que puede
estar provista de aletas para pasar este calor al aire circundante. A esta placa es a lo que se
denomina disipador. La función del disipador en un amplificador es eliminar el calor a los
transistores o IC de salida y pasarlo al ambiente.
Relé
El relé se activa o desactiva (dependiendo de la conexión) cuando el electroimán (que
forma parte del relé) es energizado (le ponemos un voltaje para que funcione).
Control Automático de Temperatura
8
Esta operación causa que exista conexión o no, entre dos o más terminales del dispositivo
(el relé). Esta conexión se logra con la atracción o repulsión de un pequeño brazo, llamado
armadura, por el electroimán. Este pequeño brazo conecta o desconecta los terminales antes
mencionados.
Oscilador 555
1 - Tierra o masa
2 - Disparo: Es en esta patilla, donde se establece el inicio del tiempo de retardo, si el 555
es configurado como monoestable. Este proceso de disparo ocurre cuando este pin va por
debajo del nivel de 1/3 del voltaje de alimentación.
3 - Salida: Aquí veremos el resultado de la operación del temporizador 555, ya sea que esté
conectado como monoestable, astable u otro. Cuando la salida es alta, el voltaje de salida es
el voltaje de aplicación (Vcc) menos 1.7 Voltios
4 - Reset: Si se pone a un nivel por debajo de 0.7 Voltios, pone la patilla de salida # 3 a
nivel bajo.
5 - Control de voltaje: Cuando el temporizador 555 se utiliza en el modo de controlador de
voltaje, el voltaje en esta patilla puede variar casi desde Vcc (en la práctica como Vcc-1
voltio) hasta casi 0 V (en la práctica aprox. 2 Voltios).
6 - Umbral: Es una entrada a un comparador interno que tiene el 555 y se utiliza para poner
la salida (Pin # 3) a nivel bajo.
7 - Descarga: Utilizado para descargar con efectividad el condensador externo utilizado por
el temporizador para su funcionamiento.
8 - V+: También llamado Vcc, es el pin donde se conecta el voltaje de alimentación que va
de 4.5 voltios hasta 16 voltios (máximo). Hay versiones militares de este integrado que
llegan hasta 18 Voltios
El temporizador 555 se puede conectar para que funcione de diferentes maneras, entre los
más importantes están: multivibrador astable y como multivibrador monoestable
Control Automático de Temperatura
9
DIAGRAMA DE BLOQUES
Gráfico 2 Control automático de temperatura
Diagrama de bloques del circuito
CÁLCULOS NUMÉRICOS
Control Automático de Temperatura
10
Etapa 1(Mayor temperatura de referencia)
Gráfico 3 Control automático de temperatura
Diagrama del circuito realizado en P-SPICE.
Con el Relay Apagado
Pot1=6k
R (termistor)=8.5k
V (salida del OPAMP1)
=> Q1 en saturación
Con el Relay Encendido
Control Automático de Temperatura
11
Pot1=6k
R (termistor)=4k
V (salida del OPAMP1)
=> Q1 en corte
Etapa 2(Menor temperatura de referencia)
Temperatura de apagado del ventilador
Gráfico 4 Control automático de temperatura
Diagrama del circuito realizado en P-SPICE.
Con el Relay Apagado
Control Automático de Temperatura
12
Pot2=6.5k
R (termistor)=8.5k
V(salida del OPAMP2)
=> Q2 en saturación
Con el Relay Encendido
Pot2=6.5k
R (termistor)=4k
V (salida del OPAMP2)
=> Q2 en corte
Control Automático de Temperatura
13
Datos del 555
Gráfico 5
Control automático de temperatura
Diagrama del circuito realizado en P-SPICE.
Relay apagado
S=1, R=1, Q=0 =>
Con estos datos Q3 en saturación y Q4 en corte.
El Relay permanece apagado hasta que la resistencia del termistor sea menor a 6k.
Relay encendido
S=1, R=0, Q=1 =>
Con estos datos Q3 en corte y Q4 en saturación.
El Relay permanece encendido hasta que la resistencia del termistor sea mayor a 8k.
Control Automático de Temperatura
14
Datos Teóricos
Relay apagado
Etapa 1
Tabla 1 Control Automático de temperatura
Tabla de datos obtenidos de la etapa de control de encendido de la carga.
Tabla 2 Control Automático de temperatura
Tabla de datos obtenidos de la etapa de control de apagado de la carga
VOLTAJE VOLTIOS
10.854V
11.960V
1.06V
0.121V
12V
VOLTAJE VOLTIOS
10.821V
0.961V
Control Automático de Temperatura
15
Relay encendido
Etapa 1
Tabla 3 Control Automático de temperatura
Tabla de datos obtenidos de la etapa de control de encendido de la carga.
Tabla 4 Control Automático de temperatura
Tabla de datos obtenidos de la etapa de control de apagado de la carga
Tabla 5 Control Automático de temperatura
Tabla de datos obtenidos del voltaje en la carga
VOLTAJE VOLTIOS
0.12V
0.012V
12V
0.748V
0.220V
VOLTAJE VOLTIOS
0.0184V
12V
VOLTAJE(CARGA) VOLTIOS
0V
11.99V
Control Automático de Temperatura
16
Datos Experimentales
Relay apagado
Etapa 1
Tabla 6 Control Automático de temperatura
Tabla de datos obtenidos de la etapa de control de encendido de la carga.
Tabla 7 Control Automático de temperatura
Tabla de datos obtenidos de la etapa de control de apagado de la carga
VOLTAJE VOLTIOS
10.74
10.83
0.85
0.142
12.18
VOLTAJE VOLTIOS
10.75
0.82
Control Automático de Temperatura
17
Relay encendido
Etapa 1
Tabla 8 Control Automático de temperatura
Tabla de datos obtenidos de la etapa de control de encendido de la carga.
Tabla 9 Control Automático de temperatura
Tabla de datos obtenidos de la etapa de control de apagado de la carga
Tabla 10 Control Automático de temperatura
Tabla de datos obtenidos del voltaje en la carga
VOLTAJE VOLTIOS
0.1
0.019
10.42
0.85
0.224
VOLTAJE VOLTIOS
0.02
11.39
VOLTAJE(CARGA) VOLTIOS
0.1
11.99
Control Automático de Temperatura
18
CÁLCULO DE ERRORES
Parte reguladora de señal de pulsos
Relay Apagado
Control Automático de Temperatura
19
Relay Encendido
Control Automático de Temperatura
20
SIMULACIONES
Gráfico 6 Control automático de temperatura
Diagrama del circuito realizado en P-SPICE.
Control Automático de Temperatura
21
Gráfica de color naranja es el voltaje sobre la carga.
Gráfica de color amarillo es el voltaje a la salida del OPAMP 1.
Gráfica de color celeste es el voltaje a la salida del 555.
Con el Relé encendido
Gráfico 7
Control automático de temperatura
Relay normalmente encendido
Con el Relé apagado
Gráfico 8 Control automático de temperatura
Relay normalmente apagado
Time
0s 1ms 2ms 3ms 4ms 5ms 6ms 7ms 8ms 9ms 10ms
V(R16:2) V(R12:2)
4.0mV
5.0mV
6.0mV
SEL>>
V(U4:COM2)
0V
10V
20V
Time
0s 1ns 2ns 3ns 4ns 5ns 6ns 7ns 8ns 9ns 10ns
V(R6:1) V(R4:2)
8V
9V
10V
V(0)
-1.0uV
0V
1.0uV
SEL>>
Control Automático de Temperatura
22
Gráfico 9 Control automático de temperatura
Diagrama del circuito realizado en Proteus.
Control Automático de Temperatura
23
TABLA DE COMPONENTES Y PRECIOS ADEMÁS DEL TOTAL EN
DÓLARES NORTEAMERICANOS
Tabla 11 Control automático de temperatura
Tabla de componentes y precio total del proyecto.
DESCRIPCIÓN VALOR
UNITARIO TOTAL
2 capacitores (de 0,01uF y de100uF) $ 0,10 $ 0,20
20 resistencias (9 de 47k, 5 de 1.5k, 4 de
4.7k, 2 de 330) $ 0,05 $ 1
4 diodos zener 5V $ 0,25 $ 1
2 potenciómetros (10k) $ 0,40 $ 0,80
1 diodo 1N4148 $ 0,10 $ 0,10
2 OPAMP LM324 $ 0,50 $ 1
1 555 $ 0,25 $ 0,25
1 Rele DP-DT $ 1.5 $ 1.50
$7 borneras - $ 1,20
1 motor DC 12V $ 2,50 $ 2,50
1 transformador 120V - 12V $ 4,10 $ 4,10
1 puente de 4 diodos $ 0,22 $ 0,22
2 integrados reguladores (7812 y 7805) $ 0,10 $ 0,20
2 capacitores (2200uF) $ 0,40 $ 0,80
2 metros de cable UTP - $ 0,80
2 Cajas plásticas $ 7.50 $ 15
1 placa para la fuente $ 3 $ 3
1 placa para el circuito $ 12 $ 12
Diseño del circuito $ 10 $ 20
PCB $ 15 $ 15
Precio del controlador automático de temperatura $ 70,67
Control Automático de Temperatura
24
IMPRESO DEL PCB
Gráfico 10 Control automático de temperatura
PCB del circuito.
Control Automático de Temperatura
25
Gráfico 11 Control automático de temperatura
PCB del circuito.
Control Automático de Temperatura
26
Gráfico 12 Control automático de temperatura
Presentación final en la placa.
Control Automático de Temperatura
27
HOJAS DE ESPECIFICACIONES DE COMPONENTES
LM 324 OPAMP
Tabla 11 Control automático de temperatura
Tabla de las características del LM 324.
Control Automático de Temperatura
28
7812-7805 Regulador de voltaje
Tabla 12 Control automático de temperatura
Tabla característica del 7812 - 7805.
Control Automático de Temperatura
29
BC548
Tabla 13 Control automático de temperatura
Tabla de las características del BC548
Control Automático de Temperatura
30
Control Automático de Temperatura
31
Tabla 14 Control automático de temperatura
Tabla de las características del 2N5770
Control Automático de Temperatura
32
Control Automático de Temperatura
33
TIMER 555
Tabla 15 Control automático de temperatura
Tabla de las características del 555.
Control Automático de Temperatura
34
Control Automático de Temperatura
35
RELAY DPDT
Tabla 16 Control automático de temperatura
Tabla de las características del Relay DPDT
Control Automático de Temperatura
36
CURVA DE RESISTENCIA VS. TEMPERATURA
TERMISTOR 44031
Tabla 16
Control automático de temperatura Tabla resistencia vs. Temperatura del termistor
Control Automático de Temperatura
37
HOJA DE ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL PROYECTO
Este pequeño sistema de control consta básicamente de dos termistores que están censando
temperatura, el uno se encuentra en la etapa 1 que controla el encendido del ventilador.
Cuando la temperatura a la que se llega es mayor a la de referencia entonces se enciende el
ventilador y se apaga hasta que se llegue a una temperatura tal que sea menor a la
temperatura que se fijo en la etapa 2.
El Relay es el que permite el encendido y apagado del ventilador, puesto que cuando está
apagado envía la señal que se produce en la etapa 1 al pin 2 del 555, mientras que cuando
se enciende el Relay, ahora envía la señal que se produce en la etapa 2 al pin 2 del 555.
Cuando la salida del 555 está en alto los transistores Q3 y Q4 están en saturación y corte
respectivamente. Como Q4 está en corte, entonces no permite el paso de la corriente a
través del Relay, lo que hace que este apagado.
Cuando la salida del 555 está en bajo los transistores Q3 y Q4 están en corte y saturación
respectivamente. Como Q4 está saturado, entonces la bobina queda en paralelo a la fuente
de 12 voltios, esto hace que fluya corriente a través de ella y el Relay se encienda.
Características de circuito:
Voltaje de suministro de carga: 12 VDC.
Máxima corriente continua: 0.15 Amps.
Modo de operación: Rango de temperatura ajustable de acuerdo a las necesidades
del usuario. El ajuste es interno.
Control Automático de Temperatura
38
OBSERVACIONES
Al circuito original fue necesario hacer algunos cambios, como por ejemplo se
cambio los pines de los OPAMPS comparadores, los termistores que originalmente
estaban en el pin+ fueron cambiados al pin-.
Para mantener el control de encendido y apagado del ventilador en un determinado
rango de temperatura fue necesario cambiar las conexiones del Relay para lograr
dicho propósito. El Relay permite realizar el control, primero se envía la señal del
Vce del transistor Q1 al pin 2 del 555, cuando el Relay esta encendido se envía el
valor del Vce de Q2 al pin 2 del 555.
El transistor SL100 no se lo pudo encontrar en el mercado, por lo que fue necesario
buscar un equivalente. El transistor equivalente que se consiguió fue el Q2N5770.
Cabe recordar que este circuito es para cargas que requieran poca corriente, no
mayor a 0.150A que es la corriente máxima que puede entregar la fuente.
El ajuste del valor de los potenciómetros es interno, si se desea aumentar o
disminuir el rango de temperatura se debe ajustar los valores de acuerdo a la tabla
que se encuentra en la pagina 36.
El diodo que se encuentra en el pin 7 del 555 fue colocado de tal manera que el
capacitor no pueda descargarse, de tal forma que el set sea siempre igual a 1 y que
el control de si la salida es alto o bajo se lo haga únicamente a través del Reset.
Todos los transistores trabajan únicamente en corte y saturación para así tener todas
las etapas estén comparando si las señales son un alto o un bajo.
Control Automático de Temperatura
39
RECOMENDACIONES
Es importante el uso de disipadores en los integrados 7805, 7812, IRF740, para
eliminar el calor o evitar un sobrecalentamiento, sobre todo para que la fuente
después de cierto tiempo de trabajo empieza a calentarse..
La base sobre la cual se coloca la fuente debe estar fija para evitar que los cables del
transformador se suelten, para ello podría ajustarse la fuente con pernos a la base de
la caja.
Es de suma importancia que el usuario tenga conocimiento de que la resistencia que
se ajusta mediante el potenciómetro en la etapa uno debería ser menor o igual a la
que se ajusta en la etapa 2. De esta forma se mantendrá trabando en un rango
específico de temperatura.
Verificar las conexiones de los elementos en su respectivo datasheet, para así evitar
errores en las conexiones. Por ejemplo no todas las conexiones de transistores son
iguales, para nuestro caso la conexión del BC548 es diferente a la del Q2N5770.
No desarmar las conexiones del proto hasta observar que el funcionamiento en la
placa sea el correcto. En caso de que no funcione en la placa se podría observar el
proto y encontrar con mayor facilidad posibles errores de conexión.
Revisar que el Relay que se escogió sea el correcto porque estos tienen un voltaje al
cual se logra la conmutación. Para nuestro caso elegimos un Relay de 12V y de
ocho terminales.
Control Automático de Temperatura
40
APLICACIONES
Controlar la temperatura de un aparato electrónico tal que no se caliente demasiado,
para ello se fijara el rango de temperatura tal que dicho aparato no sufra daños por
sobrecalentamientos.
Podría utilizarse como una alarma contra incendios, que accione una sirena y
también permita el accionamiento de una llave de agua, las mismas que
permanecerán encendidas hasta llegar a la temperatura de referencia de nivel
inferior.
En muchas instalaciones domésticas o industriales es importante conocer cuando se
apaga accidentalmente una luz piloto o una llama continua. Y si esto sucede
encender una alarma pero este circuito emplearía un termistor del tipo PTC.
Otra aplicación seria regular de un gas o líquido a través de un canal. Para ello el
termistor R2 se coloca en el tubo por el que atraviesa el gas, en cambio el termistor R1
puede colocarse dentro de la cámara para que este a menor temperatura.
También podría aplicarse como un controlador de nivel de liquido ya que la
resistencia cuando está en vacio es menor que cuando está sumergida sobre un
liquido como por ejemplo agua.
Control Automático de Temperatura
41
CONCLUSIONES
Se logró controlar el encendido y apagado del ventilador, en el rango de temperatura
de 30 y 38 grados centígrados.
Las simulaciones tanto en PSPICE como en PROTEUS, permitieron tener una
visión más clara del funcionamiento del circuito.
Los termistores NTC son los principales protagonistas de nuestro control
automático, debido a que actúan como sensores que nos indica la resistencia a un
valor determinado de temperatura.
Control Automático de Temperatura
42
ANEXOS
Gráfico 13 Control automático de temperatura
Presentación en el protoboard.
Gráfico 14 Control automático de temperatura
Presentación final en el protoboard.