Existen diversas técnicas disponibles con las que el lector puede controlar la temperatura de un entorno. Los sensores de temperatura son de diversos tipos como, por ejemplo, NTCs, diodos e incluso transistores, lo que abre un abanico de posibilidades prácticas para el proyectista, algunas de las cuales exploramos en este artículo.
Nota: Artículo publicado en la revista Electrónica Total 158 de 2013. ART5558
Mantener una temperatura ambiente constante es una preocupación en muchos proyectos. Esto incluye cámaras frigoríficas, salas de trabajo, invernaderos, incubadoras e incluso transmisores cuyos cristales deben estar a una temperatura específica para cumplir con los requisitos legales.
El proyectista de aparatos electrónicos, ya sean simples o complejos, cuya finalidad sea mantener una temperatura ambiente constante, tiene muchas opciones. Además de los sensores, que pueden ser de varios tipos, los propios circuitos de Activamiento permiten una gran variedad de configuraciones en función de lo que necesiten activar.
En este artículo nos centramos más de cerca en los principales tipos de proyectos que implican el control de la temperatura ambiente y también ofrecemos algunas sugerencias prácticas para los lectores que participan en este tipo de trabajo.
Los sensores
Para los controles de temperatura más habituales, podemos contar con diversos sensores, cuya elección depende de varios factores como:
• Linealidad;
• Banda de temperatura de funcionamiento;
• Sensibilidad;
• Costo. Acontinuación se presentan algunas de las características de estos sensores.
Diodos
Al polarizar inversamente un diodo o cualquier juntura PN, fluye una pequeña corriente. Esta corriente se debe a la liberación de portadores de carga por la agitación térmica de los átomos de la juntura, como se ilustra en la figura 1.
En la banda de -40°C a +125°C, la intensidad de la corriente de escape, como se la llama, varía casi linealmente con la temperatura absoluta, como se muestra en el gráfico de la figura 2.
En una sección suficientemente pequeña de esta curva, podemos considerar que la respuesta de un diodo es lineal y así utilizarlo para medir la temperatura.
Sin embargo, las corrientes obtenidas a partir de diodos comunes de silicio (o germanio), cuando se utilizan como sensores de temperatura, son muy bajas, del orden de unos pocos microamperes, lo que requiere el utilización de etapas amplificadoras con alta ganancia y linealidad.
La forma más sencilla de aumentar la corriente de estos sensores se muestra en la figura 3 y consiste en utilizar un solo transistor como seguidor de emisor. Esta configuración se caracteriza por que la alta impedancia de entrada de la etapa coincide con las características del sensor, lo que también resulta en una alta ganancia de corriente.
Si incluso después de este paso aún no tenemos suficiente ganancia para la aplicación deseada, podemos proceder a un Darlington, como se ve en la figura 4.
La ganancia será aproximadamente el producto de las ganancias de los transistores utilizados, y la impedancia de entrada será el producto de la resistencia de carga (Rx) y la ganancia de la etapa. La activación de un relé de este tipo de sensor se puede lograr con relativa facilidad utilizando el circuito que se muestra en la figura 5.
Este circuito no es muy sensible, pero aún así, dependiendo del punto en el que se necesite operar, es posible añadirle un control consistente en un potenciómetro (como se muestra en la misma figura).
Para una mayor sensibilidad, podemos utilizar la configuración mostrada en la figura 6, que se basa en un amplificador operacional.
El sensor (diodo) se conecta a un transistor de manera que este componente, junto con un resistor, forma un divisor de tensión. Esta tensión se aplica a la entrada no inversora de un amplificador operacional. La tensión de referencia se aplica a la entrada inversora, que también tiene retroalimentación que establece la ganancia del circuito. Dejar esta retroalimentación abierta permite una ganancia máxima y, por lo tanto, una acción de conmutación más nítida, como se muestra en el gráfico de la figura 7.
La tensión de referencia determina el punto de activación y se puede configurar mediante un potenciómetro. Si el transistor de control es NPN, la bobina del relé se activará cuando la salida del amplificador operacional sea positiva. Por otro lado, si se utiliza un transistor PNP en la configuración que se muestra en la figura 8, la activación se producirá con la salida a 0 V. Estas dos posibilidades permiten al circuito controlar tanto los elementos de calefacción como de refrigeración, manteniendo el relé activado solo cuando se necesita suministrar estos dispositivos. Esto es importante para reducir el consumo energético del aparato.
Una versión más sofisticada incluye la activación de un TRIAC con un acoplador óptico, como se muestra en la figura 9.
En este caso, cuando el LED se activa, ya sea por el nivel alto o bajo en la salida del amplificador operacional, el TRIAC se activa, controlando así las cargas de alta potencia. El acoplador es del tipo que incluye un optodiac.
En este caso, la retroalimentación operativa controla la ganancia y el potenciómetro de recorte El divisor de referencia establece la temperatura a la que se produce la activación. Una característica importante de este circuito es su aislamiento. Los optodiacs aíslan eléctricamente el circuito de control de la carga de alta potencia para una mayor seguridad operativa.
Transistores
Cuando aplicamos una tensión entre el colector y el emisor de un transistor, manteniendo su base abierta, fluye una pequeña corriente, llamada corriente de escape (Iceo), que también depende de la temperatura. Esta corriente tiene la misma naturaleza que la corriente de escape de los diodos y, por lo tanto, permite la utilización de transistores comunes como sensores de temperatura. Los circuitos de aplicación son básicamente los mismos que vimos para los diodos, pero existen algunas posibilidades adicionales.
Podemos controlar la corriente de reposo e incluso amplificar con una polarización adecuada de la base del transistor, como se muestra en la figura 10.
Esto significa que, incluso con las aplicaciones básicas de los diodos, la utilización de un transistor como sensor de temperatura ofrece algunos elementos adicionales para el proyecto.
En el caso de diodos, transistores y otros sensores de temperatura, es importante observar una característica que influye considerablemente en la aplicación prevista. Cuando ponemos un sensor en contacto con un medio determinado para "detectar" su temperatura, este tarda un tiempo determinado en ocurrir.
Existe un intervalo de tiempo durante el cual el calor fluye del sensor al entorno (si este se encuentra a mayor temperatura), o del entorno al sensor (si este se encuentra a menor temperatura), hasta que se alcanza el equilibrio térmico (figura 11). Este intervalo depende básicamente del material del sensor, sus dimensiones y la diferencia de temperatura entre este y el entorno.
Al minimizar la capacidad térmica del sensor, lograremos entonces la máxima velocidad de respuesta, es decir, la máxima "disposición", lo que conduce a un tiempo de reacción mínimo. En los sensores de termómetro, esta característica es importante, aunque en el caso de controles menos críticos, como incubadoras o invernaderos, esta característica no es tan importante.
Los diodos de silicio pequeños presentan una capacidad de respuesta razonable, a pesar de que sus encapsulados de vidrio se consideran ideales en términos de conductividad térmica. Los diodos termométricos especiales, como el de la figura 12, utilizan encapsulados especiales que reducen la capacidad térmica y, por lo tanto, aumentan su capacidad de respuesta, lo que los hace ideales para aplicaciones de medición de temperatura.
Estos diodos también se fabrican mediante procesos que aumentan su linealidad dentro de la banda operativa, lo que los hace más preciosos.
En cuanto a los transistores, al ser más grandes tienen una tasa de disponibilidad menor, pero también se pueden utilizar en muchos proyectos.
La figura 13 muestra un ejemplo donde se utiliza un transistor para regular la polarización (corriente de salida) de una etapa de potencia en un amplificador de audio. El transistor debe montarse en contacto térmico con el disipador de calor de los transistores de salida, como se muestra en la figura 14.
A medida que aumenta la temperatura de los transistores, la corriente de escape tiende a aumentar, generando más calor en un proceso acumulativo que culmina en la quema de los transistores de salida. Al detectar el aumento de temperatura en los componentes de potencia, el transistor sensor compensa la polarización de base de los transistores de salida, evitando así un mayor aumento de la corriente de reposo.
NTCs
Los NTCs (Negative Temperature Coefficient) se utilizan ampliamente en sistemas de control de temperatura. Estos componentes consisten en elementos resistivos cuya temperatura disminuye casi linealmente con la temperatura absoluta, vea la figura 15. Dependiendo de su construcción y del material utilizado, estos dispositivos pueden presentar resistencias (a temperatura ambiente) que van desde unos pocos ohms hasta cientos de kilohms.
Los formatos dependen de las aplicaciones, siendo los más comunes los que se muestran en la figura 16, que combinan características de baja capacidad térmica con buena conductividad térmica. Para tipos en la banda de 1 kΩ a 100 kΩ, su utilización en circuitos de control sencillos se puede realizar como se muestra en los ejemplos a continuación.
En una aplicación más sencilla, tenemos un medidor de temperatura con un NTC (sensor) y un microamperímetro como indicador. El circuito de la figura 17 presenta una linealidad razonable en una banda de temperatura de aproximadamente 0 a 50°C, lo que permite su utilización como un termómetro simple. Para activar un relé en función de un aumento o caída de la temperatura en el sensor, tenemos el circuito que se muestra en la figura 18.
El potenciómetro configura el punto de activación, es decir, la temperatura a la que el relé alcanza el umbral de cierre de sus contactos. Este circuito funciona correctamente en la banda de -10 a +100°C, lo que constituye una base eficiente para el proyecto de control de temperatura. En una aplicación más sofisticada, podemos utilizar un amplificador operacional con la configuración que se muestra en la figura 19.
En este circuito, configuramos la tensión de referencia P1, por lo tanto, a la temperatura umbral de activación, la tensión en la otra entrada es del mismo orden, según el NTC utilizado. La resistencia del NTC debe ser del mismo orden que la mitad de P1 a temperatura de activación.
La gran variación de resistencia obtenida en función de la temperatura hace que este tipo de sensores sean ideales para el control de invernaderos, cámaras frigoríficas, etc. Un factor importante que también debemos analizar en este tipo de circuitos es su histéresis. Como se muestra en la figura 20, la temperatura a la que un relé se cierra es ligeramente diferente a la temperatura a la que se abre. Esto se debe a que la corriente de conmutación de un relé es mayor que su corriente de mantenimiento.
Si necesitamos, por ejemplo de 100 mA para activar un relé, no abrirá sus contactos con los mismos 100 mA, sino con algo menos, aproximadamente 90 mA, porque hay una corriente de histéresis del orden de 10 mA.
En un sistema de control de temperatura para un invernadero, por ejemplo, esta histéresis implica que no podemos mantener la temperatura exactamente a una temperatura establecida, sino dentro de una banda, como se sugiere en la figura 21.
La amplitud de esta banda depende precisamente de la histéresis del circuito. Con un amplificador operacional de alta ganancia o incluso un buen comparador de tensión, podemos reducir los efectos de la histéresis del relé, pero el efecto de la capacidad térmica del sensor persiste.
Una vez que el sistema se activa para calentar un ambiente, por ejemplo, un invernadero, debido a una bajada de temperatura, el sensor tarda un tiempo en detectar la recuperación de esta. Este tiempo hace que el relé sea desactivado incluso cuando la temperatura preestablecida ya se ha superado ligeramente, como se ilustra en la figura 22.
Este problema también implica que el sistema siempre opera dentro de una banda, cuya amplitud dependerá de la rapidez con la que el sensor responda a las variaciones de temperatura. Se pueden desarrollar circuitos muy interesantes basados en NTCs, además de los que hemos visto.
La figura 23 muestra una aplicación dual, donde se utiliza un solo NTC para activar un relé cuando la temperatura cae por debajo de un valor determinado y para activar el segundo relé cuando supera otro valor.
El circuito integrado podría ser un 741 dual como el MC1458 (o equivalente). P1 y P2 son configurados para activar los dos relés. Una aplicación importante de este circuito es activar un calentador cuando la temperatura desciende por debajo de un valor mínimo establecido y un sistema de refrigeración cuando supera otro valor predeterminado.
Los contactos suplementarios del relé pueden utilizarse para formar un sistema lógico que impide que ambas cargas se activen simultáneamente. Otra configuración importante para el control de temperatura se muestra en la figura 24, basada en un discriminador de ventana.
Este circuito mantiene un relé energizado sólo cuando la temperatura se encuentra entre dos valores preestablecidos. La diferencia entre estos valores constituye la "ventana" del circuito y puede modificarse según los componentes de referencia de tensión. Un comparador de tensión dual, como los de la serie CA139 (pueden utilizar dos comparadores de los cuatro disponibles en los circuitos integrados de esta serie), lo cual es adecuado para este tipo de aplicación. También se pueden utilizar amplificadores operacionales comunes, como el 741.
El circuito de la figura 24 se puede modificar fácilmente para funcionar con optodiacs, obteniendo así la configuración que se muestra en la figura 25.
El funcionamiento es el mismo. Cuando los LEDs infrarrojos de los optodiacs cuando los TRIACs se excitan, conducen, suministrando potencia a las cargas. La carga está completamente aislada del circuito de control. También podemos modificar el circuito para tener una ventana de desactivación, como se muestra en el circuito de la figura 26. En este circuito, el relé permanece desactivado cuando la temperatura del sensor está entre los dos valores preestablecidos.
El ancho de la “ventana” se puede configurar fácilmente según los componentes de referencia de tensión. En la salida, podemos utilizar relés, según la aplicación, o también opto acopladores del tipo con DIAC interno, en cuyo caso podemos controlar directamente un dispositivo de administración externo vía TRIAC.
Otros circuitos
Existen circuitos integrados proyectados específicamente para operar en controles de potencia. Un integrado importante en este tipo de aplicaciones es el TDA1023 que consiste en un control electrónico para TRIACs, especialmente proyectado para permitir un control muy preciso de equipos de calefacción.
La figura 27 muestra un circuito de aplicación para este integrado, apto para potencias de 1200 W a 2000 W, con una banda de temperatura de 5 a 30°C, y que utiliza el TRIAC BT139 de Philips Componentes. El circuito está proyectado para la red de 220 V y el NTC es de 22 kC a temperatura ambiente.
El VDR es de 250 V y el diodo es un BYW56. El resistor conectado al pino 11 del integrado debe tener una tolerancia del 1 %.
