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Control Automático de Temperatura

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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.


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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


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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:


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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


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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).


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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

http://www.unicrom.com/Tut_voltaje.asp

http://www.unicrom.com/tut_comparadores.asp


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DIAGRAMA DE BLOQUES


Diagrama de bloques del circuito

CÁLCULOS NUMÉRICOS


10

Etapa 1(Mayor temperatura de referencia)


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


11

Pot1=6k

R (termistor)=4k


=> Q1 en corte

Etapa 2(Menor temperatura de referencia)

Temperatura de apagado del ventilador



Con el Relay Apagado


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


=> Q2 en corte


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Datos del 555

Gráfico 5

Control automático de temperatura


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.


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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 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


15

Relay encendido

Etapa 1






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


16

Datos Experimentales

Relay apagado

Etapa 1





VOLTAJE VOLTIOS

10.74

10.83

0.85

0.142

12.18

VOLTAJE VOLTIOS

10.75

0.82


17

Relay encendido

Etapa 1






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


18

CÁLCULO DE ERRORES

Parte reguladora de señal de pulsos

Relay Apagado


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Relay Encendido


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SIMULACIONES




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


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>>


22


Diagrama del circuito realizado en Proteus.


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


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IMPRESO DEL PCB


PCB del circuito.


25


PCB del circuito.


26


Presentación final en la placa.


27

HOJAS DE ESPECIFICACIONES DE COMPONENTES

LM 324 OPAMP


Tabla de las características del LM 324.


28

7812-7805 Regulador de voltaje


Tabla característica del 7812 - 7805.


29

BC548


Tabla de las características del BC548


30


31


Tabla de las características del 2N5770


32


33

TIMER 555


Tabla de las características del 555.


34


35

RELAY DPDT


Tabla de las características del Relay DPDT


36

CURVA DE RESISTENCIA VS. TEMPERATURA

TERMISTOR 44031

Tabla 16

Control automático de temperatura Tabla resistencia vs. Temperatura del termistor


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.


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.


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.


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.


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.


42

ANEXOS


Presentación en el protoboard.


Presentación final en el protoboard.

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