Termostato elettronico
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- Ultima modifica: 15 Marzo 2021
- Pubblicato: 21 Gennaio 2011
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Il termostato è un dispositivo presente sotto più aspetti nelle nostre case, pensate solo al forno o al frigorifero. Il suo funzionamento è molto semplice: cambiare lo stato di una uscita quando la temperatura dell'ambiente o di una superficie supera o ritorna sotto una certa soglia solitamente impostabile. Spesso i termostati semplici (non i cronotermostati) sono realizzati sfruttando parti meccaniche che attraverso vari fenomeni fisici permettono la commutazione di un contatto elettrico. Questo termostato, invece, sfrutta componenti elettronici per rilevare la temperatura attraverso un sensore mentre lo stato di uscita del termostato è gestito da un comparatore.
In questo articolo sono presentate due versioni di termostato elettronico: una con e una senza relè. La prima versione è quella con relè.
VERSIONE CON RELE'
SCHEMA ELETTRICO
Osservando lo schema è possibile notare il modulo che provvede ad alimentare il termostato costituito dal classico stabilizzatore 7812 che fornisce al circuito una tensione di 12V stabilizzata partendo dai 15VDC in ingresso (o tensione superiore nei limiti del 7812). Il termostato è poi costituito da un partitore avente una resistenza fissa da 4,7Kohm e una termistore NTC da 4,7Kohm. Il termistore NTC è una particolare resistenza costituita da materiale semiconduttore che ha la particolarità di diminuire la propria resistenza all'aumentare della temperatura (al contrario delle normali resistenze o termoresistenze che, invece, aumentano la propria resistenza all'aumentare della temperatura). Altro particolare differente rispetto alla classiche resistenze è che le NTC non hanno un andamento della propria curva caratteristica lineare ma esponenziale: questo particolare per un termostato, al contrario di un termometro, è relativo visto che basta adattare opportunamente l'eventuale scala del cursore di selezione della temperatura d'intervento. La tensione uscente dal partitore contenente la sonda NTC rappresenta la temperatura convertita in una tensione elettrica infatti a 25°C (il valore di resistenza dell'NTC è riferito solitamente a questa temperatura) si avrà in uscita la metà della tensione di alimentazione del partitore (6V) avendo le due resistenze lo stesso valore in ohm. Se la temperatura sale oltre i 25°C la tensione in uscita dal partitore diminuirà poiché la resistenza NTC presenterà un valore in ohm minore rispetto all'altra resistenza da 4,7Kohm e pertanto la tensione cadrà più sulla resistenza fissa che sulla NTC, al contrario se la temperatura scende la tensione in uscita dal partitore aumenterà essendo il valore in ohm dell'NTC maggiore dell'altra resistenza fissa e pertanto sulla resistenza NTC si avrà una maggiore caduta di tensione. Questo vi permette anche di utilizzare una NTC diversa da 4,7K ohm tanto per mantenere questo funzionamento è sufficiente che le due resistenze del partitore siano uguali, mentre utilizzando valori diversi potrete anche avere vari range di misurazione utilizzando la formula caratteristica dell'NTC o la sperimentazione.
L'altro partitore permette di selezionare attraverso un trimmer la temperatura di intervento con un range stabilito dalle due resistenze disposte ai capi del trimmer che permette di avere nel cursore come massimo 2/3 e come minimo 1/3 della tensione di alimentazione stabilizzata (queste resistenze possono essere anche un valore minore o addirittura omesse: il range aumenterà ma si avrà una maggiore difficoltà nella taratura). Così costituito il termostato dovrebbe avere un range di intervento dai 10 ai 40°C, ma dipende dalle caratteristiche della sonda NTC. Ovviamente cambiando i valori delle resistenze si possono ottenere altre combinazioni di range: ad esempio eliminando le due resistenze ai capi del trimmer si otterrà una selezione della temperatura più difficoltosa ma si potranno ottenere range che permettono di rilevare anche temperature oltre i 40°C per sostituire i classici termostati a contatto dei tubi di riscaldamento (soluzione adottata dal sottoscritto).
Successivamente è presente un amplificatore operazionale configurato come comparatore di tensione con isteresi: quando all'ingresso non invertente (+) la tensione del partitore con il trimmer è superiore alla tensione dell'ingresso invertente (-), data dal partitore con la sonda NTC, l'uscita dell'operazionale si attiverà (si avrà in uscita la tensione di alimentazione positiva). Quando invece la tensione dell'ingresso invertente, con la sonda NTC, supererà la tensione dell'ingresso non invertente, data dal trimmer, l'uscita dell'operazione si disattiverà (portando la sua uscita alla tensione di alimentazione negativa). Essendo la tensione invertente data dalla NTC (diminuisce all'aumentare della temperatura) l'operazionale si attiverà solo quando il calore (e quindi l'NTC) farà diminuire la tensione dell'ingresso invertente sotto al livello di tensione impostato con il trimmer all'ingresso non invertente. La resistenza da 220Kohm tra l'ingresso non invertente e l'uscita permette di aggiungere una isteresi al funzionamento, cioè la soglia di tensione cambia in attivazione e disattivazione per evitare che l'operazionale inizi a oscillare con valori in ingresso vicini alla soglia impostata con il trimmer.
Il circuito procede all'uscita dell'operazionale con un diodo zener da 4,7V e un diodo classico 1N4148. Questi due componenti permettono di ottenere una soglia di tensione in grado di non far pervenire al transistor l'offset di tensione che ha in uscita l'operazionale. Questo poiché l'operazionale TL081 non è progettato per operare in alimentazione singola e questo tipo di configurazione ad alimentazione singola (con la tensione negativa a massa) provoca un offset di tensione in uscita che manterrebbe attivo il transistor successivo anche quando non è richiesto. Inoltre con questa configurazione se si omettono le resistenze ai capi del trimmer si dovrà, nella taratura, mantenere il trimmer con il cursore non al minimo (altrimenti si noterà una attivazione anomala del circuito).
Il circuito si conclude con un transistor che funziona come interruttore, esso provvede ad attivare e disattivare il relè, mentre il diodo ai capi della bobina del relè provvede a proteggere il transistor dalle extratensioni inverse provocate dalla bobina durante la disattivazione del relè. Un led, infine, indica l'attivazione del relè.
COLLEGAMENTO SONDA NTC E CARICO
La sonda NTC va collegata agli appositi terminali presenti nello schema e nel circuito stampato, non è necessario rispettare alcuna polarità. Per misurare la temperatura di un ambiente è necessario porre la sonda a contatto dell'aria presente nell'ambiente da misurare collegando la sonda direttamente nella scheda, mentre per misurare la temperatura di tubi, altre superfici o ambienti separati è necessario collegare la sonda ad un cavo schermato o "twistato" e isolare i terminali con delle guaine termorestringenti o con del nastro isolante. La sonda va posta a diretto contatto della superficie, facendo attenzione alla temperatura massima sopportabile dalla sonda NTC (solitamente fino a 125°C). Nel caso sia necessario inserire la sonda in un liquido è necessario inserire la sonda in un contenitore del diametro più stretto possibile, possibilmente di materiale ad elevata conduzione termica e ovviamente impermeabile.
Al relè sono accessibili 3 terminali: comune, normalmente aperto e normalmente chiuso. Applicando un filo del carico tra il comune e uno dei terminali normalmente aperto o normalmente chiuso è possibile far si che il carico si attivi quando la temperatura è al di sotto della soglia impostata (contatto normalmente chiuso) o al di sopra della soglia impostata (contatto normalmente aperto). Attenzione che nel caso in cui il termostato sia non alimentato il contatto normalmente chiuso rimarrà chiuso. Essendo quelli del relè contatti puliti è possibile collegare come carico qualsiasi tipo di dispositivo alimentato in continua o alternata: nel caso usiate la tensione di rete provvedete a stagnare le piste che portano dai morsetti al relè ed a mettere tutto il circuito dentro una scatola isolante o anche di metallo purché sia collegata a terra. Ovviamente valutate le possibilità in relazione al relè disponibile (nel mio caso un finder mod. 40.52). La figura sotto illustra come fare i collegamenti.
CIRCUITO STAMPATO
Il circuito stampato visibile sotto è indicativo, per realizzare la scheda utilizzate i file allegati!
Il circuito stampato è monofaccia ed è stato realizzato utilizzando il programma gratuito FidoCAD, nel file .zip scaricabile dal link sottostante potete trovare, oltre al documento di fidocad, il master in pdf pronto da utilizzare e la disposizione dei componenti.
ALCUNE IMMAGINI
VERSIONE COMPATTA SENZA RELE'
SCHEMA ELETTRICO
Lo schema è sostanzialmente uguale al progetto con relè fatta eccezione per l'utilizzo di un transistor BC337 con una uscita di tipo "open collector" a cui è possibile collegare un relè esterno o un ingresso digitale di una scheda I/O come nel mio progetto MassaBus. Ai morsetti viene resa la possibilità di utilizzare come positivo la tensione di 12V stabilizzata del termostato, ma è possibile utilizzare anche una tensione esterna per un carico avente un assorbimento massimo di 800mA e una tensione di funzionamento non superiore a 45V logicamente in continua, data da un alimentatore avente la massa in comune con il termostato. La resistenza di base del BC337 da 5,6Kohm può andar bene per carichi che assorbono fino a circa 80mA, dopodichè è necessario ricalcolare tale resistenza per garantire la saturazione, considerando l'hFE del BC337.
COLLEGAMENTO CARICO
Il carico può essere collegato direttamente ai morsetti di uscita rispettando le caratteristiche del circuito, del transistor e avendo cura di inserire un diodo a polarità invertita ai capi del carico se esso è un carico di tipo induttivo (vedere ad esempio la versione con relè). Attenzione ad accertarsi che il carico non abbia la propria massa in comune con quella del termostato, altrimenti il transistor essendo bypassato non può intervenire nella disattivazione del carico.
CIRCUITO STAMPATO
La caratterisitca principale di questa scheda è la sua compattezza grazie ai componenti montati in verticale.
Il circuito stampato è monofaccia ed è stato realizzato utilizzando il programma gratuito FidoCAD, nel file .zip scaricabile dal link sottostante potete trovare, oltre al documento di fidocad, il master in pdf pronto da utilizzare e la disposizione dei componenti.
ALCUNE IMMAGINI
avrei un problema da risolvere e non so se qui mi sapreste dare una mano. Abbiamo costruito da poco un essiccatore abbastanza rudimentale. Abbiamo bisogno di un termostato per la regolazione della temperatura al suo interno.
Il calore è fornito da tre resistenze in parallelo sulla stessa fase che assorbono 27A.
Non riusciamo a trovare un termostato con tale amperaggio in uscita. Esistono? Avreste in mente qualche altra soluzione che potremmo adottare.
Grazie mille e di nuovo buona giornata,
Christopher
Grazie
Grazie in anticipo.
Avrei bisogno di realizzare un termostato con termocoppia con temperatura di intervento a 42° e di stacco a 35°. il carico che deve sopportare è di 40 W a 220 v.
Grazie
probabilmente il consumo si avvicina troppo al limite del transistor rapportato alla temperatura ambientale. Le soluzioni sono di usate un transitor più potente (ad esempio su case T220 come il TIP31). Oppure applicare un dissipatore tipo TO92 al BC337.
Cordialmente
Marco Massari
lo zener va bene da 4 a 6V. Le resistenze differenti non sono critiche e non inficiano sul funzionamento del termostato. Possono essere scelte del valore commerciale superiore o inferiore.
Cordialmente
Marco
abbassi la resistenza sulla base del BC337 da 5,6K a 1,2Kohm. Con tali modifica si possono pilotare carichi che assorbono fino a 800mA
Un saluto
Marco
Sono un appassionato di elettronica e volevo chiederti se con pochi accorgimenti al tuo schema potevo realizzare un automatismo che mi permetta tramite il controllo della temperatura del pannello solare e quella del serbatoio di accumulo di far partire la pompa di riciclo quando sul pannello l'acqua a una temperatura superiore a quella del serbatoio.
In commercio nè ho visti diversi tipi però, avrei voluto realizzarne uno con le mie mani.
Grazie.
si è possibile, l'idea più semplice è di sostituire il trimmer con un altro partitore con l'NTC identico al primo. Consideri che gli NTC per come sono montati diminuiscono la tensione in ingresso dell'operaziona le all'aumentare della temperatura. Pertanto la temperatura misurata dall'NTC collegato sull'ingresso invertente se avrà temperatura più alta (tensione più bassa) della NTC collegata sull'ingresso non invertente farà attivare il relè in uscita, mentre nel caso contrario il relè di disattiverà.
Cordialmente
Marco Massari
si può usare lo stesso circuito e la stessa NTC basta apporre tra sonda NTC e pin 2 TL081 un secondo operazionale in configurazione "buffer". In pratica si avrà sonda + resistenza > operazionale in configurazione "buffer" > collegamento agli operazionali dei singoli termostati.
basta invertire la resistenza da 4,7K sopra il sensore con il sensore. In pratica il PTC nello schema sarà sopra invece che nella parte bassa.
si può modificare la resistenza da 4,7K collegata sopra l'ntc per avere il medesimo range o per modificarlo. Sensore e resistenza formano un partitore di tensione classico.
Saluti
Ciao, i contatti del relè sono indipendenti e forniscono semplicemente la chiusura (o apertura) di un circuito esterno. Nello schema è rappresentata la sola bobina (il rettangolo a destra del primo schema) li ci vanno collegati iterminali della bobina del relè. Il led più resistenza che vedi in parallelo alla bobina serve ad indicare quando il relè è eccitato, ovvero quando il termostato passa ad una temperatura più alta di quella impostata. Il diodo di cui parli va posto sempre in parallelo alla bobina con il catodo rivolto verso il positivo, sebbene sembri strano serve a stanare le extratensioni inverse che la bobina del relè genera al distacco e che potrebbero danneggiare il transistor di controllo.
Inoltre, il diodo va collegato in parallelo o in serie alla bobina?
Salve, grazie per i complimenti! Si il circuito può anche essere alimentato a batteria. Per il relè ne va bene uno qualsiasi a con bobina a 12V. L'amperaggio dei contatti dipende dall'applicazio ne che intende controllare. Comunque il più comune è a 230V 16A sui contatti.
Complimenti per il circuito e alla spiegazione molto esauriente. Sono alle prime armi con la sperimentazione nei circuiti, vorrei chiedere se sia possibile alimentare il circuito con 10 pile da 1.5 V (che posseggo) anziché dalla rete esterna. Inoltre in caso affermativo, quale relé dovrei utilizzare (quale amperaggio). Grazie mille anticipatamente !
Si certo, nel mio caso l'ho usato per rilevare l'eventuale blocco di una caldaia, rilevando il riscaldamento dei tubi dei termosifoni. Le temperature quindi coprono anche quel range.
Grazie
Ciao, per l'uso che ne vuoi fare penso che vada mene già così come da schema. La temperatura a cui commuta non l'ho misurata precisamente però ho ottenuto dopo qualche regolazione empirica del trimmer una perfetta discriminazione tra riscaldamento acceso e spento.
Salve, ci sono vari possibili cause. Escludendo possibili errori di collegamento, il problema potrebbe derivare dal fatto che ha usato una PTC al posto di una NTC. Infatti la sonda PTC presenta un coefficiente positivo (più aumenta temperatura, più la sua resistenza aumenta) ovvero l'esatto contrario di una NTC. La cosa è facilmente verificabile con un tester in misura della resistenza e vedere la variazione della sua resistenza al riscaldamento. Oppure potrebbe essere errato il collegamento dei contatti del relè: se il led di indicazione dell'attivazion e si attiva superata la temperatura impostata il problema è proprio nel collegamento dei contatti del relè in quanto il circuito di pilotaggio si comporta correttamente.
bello il circuito.
Credo di utilizzarlo per una regolaazione temperatura per la mia caldaia.
domanda: per arrivare alla T 60 ° quali componenti devo modificare?
Grazie,
ermes
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