Termostato elettronico

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.

FILE TERMOSTATO CON RELE'

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.

FILE TERMOSTATO TRANSISTOR

ALCUNE IMMAGINI