Termostat Digital Regulable

Volem fer un termostat digital que governi una estufa, de manera que, poguem graduar la temperatura al nostre gust.

Per fer-ho hem de tenir en compte una serie de detalls:

• La sortida del sensor de temperatura ens dona la seguent equació:

Vout (sensor) = 2.73V + 10mV/ºC · T(ºC)

• Regulable entre 0 ºC i 99ºC

• Posibilitat de triar la temperatura amb botons +, -.

• Veure en un display la tempertaura actual.

Esquema del circuit:

Funcionament del circuit:

Volem fixar una temperatura.

El circuit consta de un polsador, amb el que pujarem o baixarem unitats, i un conmutador, que utilitzarem per triar si anirà amunt o avall quan apretem el polsador. Si el conmutador esta conectat directament a massa, comptarà cap avall, quan apretem el polsador baixarem unitats es a dir, que si estava a 30 pasarà a estar a 29. En canvi si el conmutador es conectat a 5v (1 llògic) a la pota E del compador (Enable) el compador comptarà cap a munt i quan presionem el polsador pujarà una unitat, si estava a 10 pasarà a 11.

Un cop seleccionat els digits, els quals seran interpretats més endavant com a graus centigrads, aquets pasaran per dos camins. El primer serà cap als decoders 7 segments on seran convertits en un numero, per a ser llegibles per els displays, i el segon, sera cap als DACS R-2R. De les sortides del comptador de les unitats anirà a parar al primer dac, que esta especialment montat perque a la sortida obtinguem 100mV/ºC. i les sortides del comptador de les desenes aniran a parar al segon dac R-2R, el qual en aquest cas és calculat per que a la seva sortida hi tinguem 1V per unitat, es a dir, 1V per cada 10ºC.

Les sortides dels dacs serán sumades, amb un sumador de resistencies iguales, per tal de que tinguem una tensió proporcional a la temperatura escollida. (si 1ºC son 100mV 51ºC serán 5V de les desenes + 100mV de les unitats = 5.1Volts).

Per altre banda tenim el sensor de temperatura, que a la seva sortida dona 10 mV + 2.73V per ºC. Per poder calcular el circuit de manera més senzilla, volem arrodonir la seva resposta a 100mV/ºC, ja que així sera proporcional a la sortida dels dacs. Per aconseguir-ho, eliminarem la tensió d'offset (2.73v) amb un restador, el quan tingui totes les resistencies iguales perque no volem que amplifiqui ni atenui la senyal en aquests moments, per simplificar els càlculs. Després amplificarem la senyal, ara si, amb un amplificador on farem que el guany sigui 10. Aixo s'aconsegueix fent que la resistencia per la que es realimenta (R2) sigui 10 vegades la R1.(Gv=Vi·R2/R1 Gv=Vi·10/1 Gv=10mv·10=100mV/ºC)

Finalment les senals povinents del sumador i del sensor seran comparades per un Trigger Smichd amb uns marges de ± 1ºC perque no s'estigui encenent i parant constantment. Encara i aixins l'estufa s'engegara i es parara molt sovint.

Un exemple pràctic seria:

En una sala tenim 18ºC. Son captats per el sensor que ens dona a la seva sortida, ja sense offset i amplificada, 1.8V. Si nosaltres volem tenir 25 ºC, mourem el conmutador de manera que tinguem un 1 al u/d', es a dir, perque compti cap amunt, i anirem prèment el polsador fins que als displays hi surti la temperatura desitjada. El numero que hagem introduit pasara a un equivalent en tensió, que anira a parar juntament amb la tensió del sensor al trigger Smichd. Aquest compararà la tensió del sensor amb la del sumador de les tensións dels dacs i al ser mes petita la del primer, conmutará engegant el que tingui a la sortida. Fins que el sensor proporcioni una tensió de 2.5V amb la que quedi igualat amb la dels dacs. Quan la tensió del sensor superi els 2.5V el trigger el calefactor es pararà fins que la tensió del sensor sigui inferior als 2.5V on es tornarà a egegar, i així successivament.

CÀLCULS:

En primer lloc, calcularem un divisor de tensió de forma que obtinguem els 2.73 volts que ens calen per a treure-li l'offset a la senyal de sortida del sensor.

El restador, simplement haura de tenir totes les resistències iguals ja que, d'aquesta manera només resta y no atenua ni amplifica la senyal.

Com que ara la senyal ha sortit negativa y ens interesa positiva, la pasarem per un amplificador inversor y al mateix temps aprofitarem per amplificar-la.

Per altre banda, el comptador esta montat per que compti de 00-99. A la seva sortida hi ha els BCD7Segments que representen els digits en els displays. El més important però, son els DACs. El de les unitats esta calculat de la seguent manera:

Savem que la sortida del dac ens dona:

Doncs per obtenir la sortida desitjada ho calcularem de la següent forma:

-Si Rb = 2Ra Vo=Vref.Volem que a la sortida dongui 100mV/ºC.

Aquest punt es la tensió que sortira del dac

(3.333V)

El segon dac té el mateix i els mateixos valors, pero el seu divisor de sortida es diferent. En aques cas esta calculat per que dongui 1V/10 ºC.

Les sortides dels DACs van a parar a un sumador amb totes les resistencies iguals, perque es limiti solament a sumar les tensions.

Finalment la tensió que surti d'aquest sumador anirar a para a una de les entrades del trigger smichd on serà comparada amb la tensió provinent del sensor.

Volem tenir un marge de un grau per amunt i per avall. Per aquest motiu fem servir un trigger Smichd, ja que amb ell podem graduar els marges de conmutació. Aquest bloc final consta de un trigger smich, un sumador i un buffer.

El sumador, per variar, té totes les resistencies iguales i es l'encarregat de sumar la tensió dels marges amb la procedent del sumador dels dacs. Així quan tinguem seleccionats 30ºC el calefactor seguira ences fins a 31 graus i es pararà. I quan la temperatura arribi al 29 ºC es tornara a engegar.

Material necessari:

• 6 Operacionals (8 amb els de dins dels dacs R-2R)

• 19 Resistencies de 1K

• 1 Resistencia de 11K

• 1 Resistencia de 7.2K

• 1 Pulsador

• 1 Conmutador

• 2 Comptadors 74LS192

• 2 Decodificadors BCD7Segments

• 2 Displays

• 1 Circuit sensor de calor

Observacions:

• Tots els operacionals van alimentats a ± 10 V

• No totes les resistencies estan normalitzades

• A la sortida s'hi por posar un circuit com aquest per fer funcionar un calefactor: