CIRCUITO PROBADO

Julio de 2012

Los controles de temperatura son dispositivos de aplicación muy frecuente en muchos equipos de uso cotidiano, tales como calentadores de agua, climatizadores para estancias, cámaras frigoríficas, estufas, hornos y muchos otros. Su principal función consiste en mantener la temperatura de algún recinto o fluido dentro de unos márgenes prefijados.
A diferencia de los reguladores en los que se selecciona un punto de funcionamiento del elemento calefactor o refrigerador y el equipo proporciona la potencia seleccionada sin tener información sobre la temperatura alcanzada en cada momento, en el caso del control o controlador de temperatura se necesita tener una medida de referencia que informe al dispositivo sobre la temperatura alcanzada y por tanto del grado de cumplimiento de la condición previamente seleccionada, para que éste pueda modificar su estado de funcionamiento y así adaptarlo en cada momento a la necesidad de potencia requerida por el sistema, cuya temperatura se controla.

Existen controles térmicos de muchos tipos, pero uno de los más utilizados es el control electrónico que utiliza como referencia de medida la tensión eléctrica proporcionada por un transductor de temperatura y en función de dicha tensión y de otra utilizada como referencia para el nivel de temperatura deseado, establece una salida de potencia a un elemento calefactor o refrigerador que modifica la temperatura del recinto controlado.
La forma en que se entrega la potencia a dicho elemento puede ser diferente de uno a otro tipo de control de temperatura y hay algunos que apagan el suministro de potencia cuando se alcanza la condición requerida, reanudándolo cuando se vuelve a perder, mientras que otros entregan de forma continua una parte de la potencia total disponible.

Uno de los factores a tener en cuenta cuando se desea termostatizar un sistema con un volumen determinado de fluido, sea éste aire, agua u otro cualquiera, es su inercia térmica que dependerá del nivel de aislamiento térmico del sistema, del tipo de fluido y de la cantidad del mismo cuya temperatura hay que controlar, ya que ello determina la rapidez con la que el conjunto puede variar su temperatura y la potencia que es necesario entregar para conseguir dicha variación en el periodo de tiempo que se requiere.
En los controladores que desconectan la potencia cuando se alcanza la temperatura seleccionada, la inercia del sistema no es un factor limitante del funcionamiento del controlador, puesto que éste entregará toda la potencia necesaria hasta que se alcance dicha temperatura y desconectará la fuente de potencia en el momento en que se alcance, permaneciendo desconectada hasta que se vuelva a necesitar porque la temperatura medida se aleje de la seleccionada una cierta cantidad prefijada en el control y que determina el ciclo de histéresis necesario para el funcionamiento de este tipo de controles.
Este tipo de funcionamiento requiere por tanto que haya un cierto grado de oscilación térmica en el sistema, entre la temperatura de apagado y la de encendido, que por pequeña que sea puede ser inconveniente en algunas aplicaciones y que conlleva una menor eficiencia térmica pues las pérdidas de calor son mayores de lo adecuado cuando se produce la desconexión y la temperatura sigue aumentando algo por encima de la seleccionada, debido a la inercia térmica del sistema.

En los controles que permiten una entrega continua y limitada de potencia al sistema, la inercia de éste es un factor a tener en cuenta puesto que la potencia entregada en cada momento debe ser la justa para que el sistema mantenga constante la temperatura y no se produzcan oscilaciones de la misma porque la potencia entregada sea mayor o menor que la necesaria.
En estos casos, lo habitual es que cada aplicación concreta de termostatización lleve su propio controlador de temperatura, adaptado para las condiciones de uso del mismo y, por ello, hablar de forma genérica de un control de temperatura de este tipo, sin especificar a qué aplicación concreta se destina, puede parecer un poco extraño, no obstante lo cual es posible dentro de ciertos límites si dotamos al control de un ajuste de inercia térmica, que nos permita adaptarlo a cada aplicación a la que lo destinemos y sea capaz de manejar una salida de potencia suficiente que permita su uso con calefactores en un amplio rango de consumos.

El circuito electrónico que se presenta a continuación corresponde a un control de temperatura de este último tipo citado, aplicable a un rango de temperaturas entre 20º y 100º C aproximadamente, en el que la temperatura se mantiene constante entregando en cada momento a la carga la potencia necesaria para conseguirlo, evitando oscilaciones de la misma y en el que se puede ajustar el modo de funcionamiento de acuerdo con la inercia térmica del sistema cuya temperatura se quiere controlar.

El tipo de control que se lleva a cabo con este circuito se conoce con el nombre de proporcional-diferencial, el circuito está diseñado para controlar una potencia de salida a la carga de hasta 1000w y su funcionamiento es relativamente sencillo, ofreciéndose a continuación un análisis del mismo.

El elemento que se utiliza como sensor de temperatura es un diodo de silicio D1 que, para mayor robustez, puede ser la unión base-emisor de un transistor npn con cápsula metálica del tipo BC109 o similar y que, adecuadamente polarizada con la resistencia R4, sitúa la unión en la zona de conducción, donde la variación de la tensión Vbe de la unión con la temperatura es de unos -2 mv/ºC aproximadamente.
Esta tensión Vbe es la que se lleva a la entrada negativa del operacional U2A, uno de los cuatro amplificadores operacionales incluidos en el circuito integrado tipo FET, LF347.
A la entrada positiva del mismo se lleva la tensión ajustable, Vp1, del punto intermedio de la resistencia variable R9 con la que podremos fijar el cero de referencia, obteniendo de esta forma un termómetro que a la salida del operacional dará una tensión Vt proporcional a la temperatura medida, Vt=A1(Vp1-k1.Vbe), siendo k1 una constante que resulta de la diferente ganancia que presenta el operacional para las tensiones que se introducen en sus entradas inversora y no inversora.

La temperatura a la que se quiere mantener constante el sistema se fija por medio de la tensión obtenida del divisor R8-R10 en el que, por medio de la resistencia variable R10, se selecciona la tensión Vp2 que se lleva a la entrada positiva del operacional U2B, también incluido en el integrado LF347, y que funciona con ganancia ajustable de forma que a su salida obtenemos la tensión Vr=A2.Vp2 .

Estas dos tensiones se llevan a las entradas del operacional U2C, similar a los anteriores, que funciona también con ganancia ajustable y en cuya salida tendremos una señal proporcional a la diferencia entre Vt y Vr , de la forma ; Ve=A3(Vt-Vr) .
Esta tensión diferencia se lleva a la entrada positiva del amplificador operacional U2D, que actúa como sumador y a cuya entrada positiva se lleva también la tensión, Vp3, obtenida de la resistencia variable R20 y, a la entrada negativa se introduce la tensión Vr, de forma que a la salida del operacional tendremos una tensión ; V0 = A4 (Ve - Vr) + A4 Vp3 , que es combinación de las anteriores y es la que controla el ciclo de trabajo del oscilador 555 a través del transistor FET de canal n , Q3 , del tipo BF244.

En el equilibrio, es decir cuando se ha alcanzado la temperatura deseada y se debe mantener constante, será Vt=Vr y por tanto Ve=0 , de donde V0=A4(Vp3-Vr) y de esta forma a través de la tensión variable Vp3 se podrá ajustar el funcionamiento en el punto de equilibrio y la tensión V0 disminuirá linealmente al aumentar la tensión Vr que selecciona la temperatura de funcionamiento.
Con ello se consigue que la potencia entregada a la carga varíe también linealmente con la temperatura seleccionada, ya que a una menor tensión V0 corresponde un aumento en la anchura de los pulsos entregados por el oscilador 555 , que a su vez controlan la conducción del triac Q1, del tipo BTA12400, por medio del emisor del transistor npn, BC549b, que controla la compuerta del triac y cuya base recibe los pulsos de salida del oscilador astable.

Fuera del equilibrio, es decir cuando todavía no se ha alcanzado la temperatura seleccionada o el sistema se ha desviado de ella por algún motivo, lo que varía V0 con respecto a la temperatura será :

DV0 /DT = A4 D(Ve - Vr) /DT

puesto que Vp3 es independiente de la temperatura y dado que Vr es también independiente de ella, resultará que : DV0 /DT = A4.A3.DVt /DT , por lo que V0 variará A4.A3 veces lo que varía la tensión correspondiente a la temperatura medida, corrigiendo su valor para que cualquier desviación respecto de Vr sea cancelada hasta alcanzar el equilibrio, lo cual nos permite, al elegir el valor de la ganancia A3, poder establecer la velocidad con la que responderá el sistema y ajustarlo así a la inercia del mismo.
Así pues, la resistencia R13 que es variable y permite seleccionar la ganancia A3 es la que permite ajustar el controlador para funcionar con sistemas de diferente inercia térmica, puesto que es la que determina el nivel de variación de la salida de potencia para una variación determinada de la temperatura medida.

Las tensiones de alimentación del circuito son ±5v y 0v , que pueden obtenerse de una fuente dual como la descrita en el anterior vínculo y la tensión a la carga se aplica intercalando ésta en serie con el triac entre la tensión de fase, i2, de la red de alimentación y el neutro, i1, que se toma también como referencia de tierra para el circuito, por lo que es conveniente que el conector de red que se utilice asegure que se mantiene esta conexión para así poder evitar posibles accidentes, en caso de que la conexión a tierra del circuito sea accesible desde el exterior por contacto con algún conector o carcasa del mismo.
Para la calibración del funcionamiento del controlador con un sistema determinado, se procede a establecer las escalas del termómetro y del potenciómetro R10 comprobando primero la linealidad en la variación de la temperatura al variar la lectura en el potenciómetro selector R10 y comprobar después que en las posiciones de equilibrio la tensión diferencial, Ve, es prácticamente cero, ajustando si es necesario la potencia entregada por medio de la resistencia R20 y , una vez comprobada la linealidad, ajustar el valor de la resistencia R13 para que el sistema se mantenga en las posiciones de equilibrio entregando la potencia adecuada, sin producir rebotes ni oscilaciones de la misma. El proceso puede resultar un poco lento en sistemas que tengan una inercia considerable, pero es necesario para garantizar que el sistema funcionará en lo sucesivo de acuerdo con las especificaciones previstas.

El montaje del circuito puede hacerse sobre un circuito impreso en una placa de fibra de vidrio con lámina de cobre por una de sus caras, montando sobre él los componentes respetando las polaridades y los esquemas de conexión, y en la que se puede incluir también la fuente de alimentación para que resulte mas compacto. El transformador, de unos 7 va, puede ir incluido en el circuito impreso, y el conjunto con el potenciómetro puede incluirse en una caja en la que también podemos incluir un interruptor de red y un piloto neon para verificar cuando se producen los pulsos de potencia.
Se necesitarán también, para la conexión a la red, una clavija y un cable bifilar de la sección necesaria para la potencia que se pretenda controlar y una toma de enchufe, que irá instalada en la caja, para conectar en ella la carga a controlar.

Si el punto donde se va a medir la temperatura está a una distancia de 50 cm o más del circuito, se deberá utilizar un cable blindado para la conexión entre el diodo y la placa del circuito para así evitar posibles interferencias de RF. El triac deberá ir provisto de un disipador de calor adecuado a la potencia que se prevea que debe disipar, en buen contacto térmico con la superficie del triac, para evitar su sobrecalentamiento y posible destrucción, siendo suficiente un disipador de tamaño medio de unos 8 cm² con aletas para controlar cargas de hasta 1000 w de potencia.
Para la medida de la temperatura puede utilizarse un voltímetro conectado a la salida del amplificador U2A , pero es importante recordar que cualquier medida o comprobación que se realice sobre el circuito conectado a la red de energía eléctrica, debe hacerse con la máxima precaución porque hay tensiones en él peligrosas para la salud y la vida.