Un thermostat numérique

Idéal pour le contrôle d’une installation de chauffage ou de climatisation, cet appareil visualise la température ambiante en °C ou °F sur un afficheur LCD à 3 chiffres et 1/2 et permet le réglage de l’hystérésis et du seuil de déclenchement avec une grande précision.



Ce thermostat peut mesurer des températures de –50 à +150 °C, si l’on monte le “strap” filaire JC (–60 à +300 °F si l’on monte plutôt JF). La résolution est de ±0,1 °C ou ±1 °F. Le circuit a la particularité de comporter un réglage de l’amplitude de l’hystérésis, c’est-à-dire la plage située entre le déclenchement du relais et sa relaxation : il est réglable de 0,2 à 10 °C (0,4 à 18 °F).

Le schéma électrique
Le schéma électrique de la figure 1 montre que l’appareil se compose d’un étage de détection de la température, d’un comparateur déterminant le seuil d’activation du relais et d’un affichage LCD basé sur un voltmètre électronique. Le premier bloc est un thermomètre à pont de Wheatstone, dans lequel le pont proprement dit est constitué de R2, R3, R33 et RV1, ainsi que du capteur de température (thermistance) R32 : le côté R2, RV1, R33, une fois le trimmer réglé, présente à la broche 13 de l’amplificateur opérationnel IC2d, un potentiel fixe. Le côté où est inséré le capteur R32 envoie en revanche sur la broche 9 de IC2c une tension dépendant de la température à laquelle est soumise la thermistance constituant ce capteur R32 : celle-ci est un PTC, ou plutôt une CTP (résistance à Coefficient de Température Positif) qui présente une résistance d’environ 2 k à 25 °C (plus la température augmente plus la résistance augmente et vice versa). R32 est en pont avec R34 et chaque variation de température ambiante déséquilibre ce pont dont les sorties sont reliées (chacune) à un amplificateur opérationnel configuré en inverseur et restituant sur sa sortie une tension amplifiée 5,6 fois. IC2 étant alimenté asymétriquement, les potentiels aux sorties de IC2c et IC2d sont toujours positifs, ce qui change c’est le déroulement : si la tension aux extrémités de R32 chute, celle présente entre la broche 8 de l’amplificateur opérationnel et la masse augmente et vice versa. IC2c et IC2d ont le même gain et traitent deux potentiels qui, si le pont était équilibré, seraient égaux en valeur absolue, mais opposés par rapport à un hypothétique zéro de référence situé à la moitié de la tension d’alimentation de IC2. Supposons justement que ce pont soit parfaitement équilibré et que les broches 9 et 13 reçoivent chacune un volt : la broche 8 tendrait à restituer 5,6 V négatifs et la 14 5,6 V positifs.
IC2 étant alimenté en asymétrique, il ne peut donner de tensions négatives mais seulement des tensions supérieures ou égales à zéro. C’est pourquoi on a dû polariser la broche 10 et la 12 avec un potentiel de référence servant à donner le zéro de la mesure. La polarisation est obtenue au moyen du réseau correspondant au trimmer RV2 réglé pour mettre lessorties de IC2c et IC2d à environ la moitié de la tension d’alimentation, afin de permettre l’amplification de tensions relativement négatives.
Les sorties de IC2c et IC2d vont chacune à une entrée du troisième amplificateur opérationnel IC2b monté en dif férentiel et dont le rôle est d’amplifier la dif férence entre les potentiels obtenus à partir des deux branches du pont de Wheatstone. En fait, il fournit la différence entre la tension donnée par le capteur de température et la tension de seuil du thermostat. Quand la température ambiante dépasse la température paramétrée, le potentiel de seuil (RV1) est inférieur à celui du capteur : dans ce cas, il en résulte, à la sortie du différentiel, une tension positive inférieure à celle présente, sous l’effet du réseau de rétroaction formé par R6, RV4, R26, sur la broche 3 de IC2a. Si la température est inférieure, la tension fournie par la broche 7 est toujours positive, mais supérieure au potentiel de la broche 3 de IC2a. Ce dernier est le comparateur proprement dit et c’est lui qui décide dans ce circuit si et quand il faut exciter le relais ou le relaxer. Sa sortie (broche 1) est à environ 0 V quand le potentiel reçu par l’entrée inverseuse dépasse celle qui polarise la non inverseuse (température inférieure à la température de seuil) et elle prend le niveau logique haut (+V1) quand c’est cette dernière qui est positive par rapport à la broche 7 de IC2b (température supérieure à celle de seuil).
Le comparateur a une certaine hystérésis, dont l’intérêt est de rendre plus sûre la commutation et d’éloigner adéquatement les seuils. Un exemple : supposons que l’amplificateur opérationnel mette sa sortie au niveau logique bas quand la broche 2 atteint le potentiel de 2 V. R6 (reliée à la sortie) se trouve alors au niveau de la masse, alors qu’avant elle était à environ +V1.
Il s’ensuit une diminution du potentiel que le réseau de rétroaction positive applique à la broche 3. Comme cette dernière est la référence du comparateur, nous pouvons en déduire que maintenant, pour provoquer une nouvelle commutation et pour remettre au niveau logique haut la sortie (broche 1), la tension appliquée entre la broche 2 et la masse devra descendre en dessous de la valeur ayant provoqué la commutation précédente du niveau logique haut au zéro volt. C’est la résistance complexe de réaction insérée qui décide de combien le nouveau seuil doit être inférieur. En réglant le trimmer, on élargit ou on rétrécit l’hystérésis : curseur de RV4 vers R6 on réduit la résistance de rétroaction et on élargit la plage entre les deux seuils, curseur vers R26 on augmente la résistance et on diminue l’espace entre les seuils. Avec RV4 on peut faire varier l’hystérésis de 0,2 à 2 °C (R24 et R25 = 180 k), mais si on monte les cavaliers J1 et J2 qui les court-circuitent, on peut aller de 1 à 10 °C.
Quant à l’étage de sortie du thermostat, quand la broche 1 du comparateur de tension passe au niveau logique bas (seuil de température dépassé) le pont R27/R28 détermine la polarisation directe de la jonction base/émetteur du PNP, T1 est saturé et son collecteur alimente l’enroulement du relais qui s’excite. Pour l’utiliser avec une installation de chauffage, on se servira des contacts COM/NO (normalement ouvert), lesquels se ferment quand il fait trop froid. Par contre, pour l’utiliser avec un climatiseur ou une ventilation, on se servira des contacts COM/NC (normalement fermé), lesquels se ferment quand la température dépasse le seuil et s’ouvrent quand elle est inférieure au seuil.
La platine de visualisation est un voltmètre numérique à afficheur LCD à 3 chiffres et 1/2 dont la fonction est double : en utilisation normale il indique la température ambiante de la pièce où le capteur se trouve et, si on appuie sur le poussoir S1, il aide l’usager à paramétrer les seuils au moyen de RV1. Cet instrument de mesure utilise un ICL7106 de Intersil : un voltmètre numérique basé sur un A/N très précis et pourvu d’un pilote avec tampon capable de régenter un afficheur LCD dont chacun des 3 chiffres et 1/2 comporte sept segments plus l’éventuel signe. L’entrée de mesure est broche 31 et la tension appliquée se réfère à la broche 30. Les sorties des chiffres sont sur les broches 2 à 8 pour le premier (unités), 9 à 14 et 25 pour le deuxième (dizaines) et 15 à 18 pour les centaines. Le demi-chiffre restant (millier) est commandé par la 19, la 20 gérant le signe. La virgule est gérée par T2, piloté par un signal rectangulaire sortant de la broche 21 (“BackPanel”) et utilisé pour polariser en mode variable l’afficheur tout entier. La polarisation se fait par signal rectangulaire car sinon il ne serait pas possible d’orienter correctement les cristaux liquides pour une visualisation correcte. Le point décimal, broche 16, peut être activé ou non selon le type de visualisation choisi : en °C avec JC, oui il est activé, en °F avec JF, non. Pour passer des °C aux °F, il ne suffit pas de jouer sur JC/JF, il faut en plus régler différemment la sensibilité du voltmètre, en faisant varier le potentiel appliqué, à travers RV3, à l’entrée de référence supérieure du A/N intégré dans le ICL7106. La valeur de référence minimale du convertisseur A/N se paramètre avec la tension fournie à la broche 30 par RV2 (s’occupant dans ce circuit du zéro du thermomètre).
Mais à quoi sert RV5 ? Il a une fonction particulière si on se sert du thermostat pour un chauffage avec température nocturne : il permet de régler une seconde valeur de température que le système de chauffage devra maintenir dans certaines situations, par exemple quand personne ne se trouve dans le local (dans ce cas, on fixe un seuil de 7 ou 8 °C de température de hors gel) ou pour la nuit (15 °C suffisent). Pour régler cette température économique, on doit fermer l’interrupteur correspondant (ES) de façon à mettre le réseau comprenant le trimmer en parallèle avec la partie du pont relative à RV1 : en fermant S1 on tourne le curseur de RV5 jusqu’à lire la température que l’on veut maintenir avec l’interrupteur fermé. Quand le circuit fonctionnera avec S1 ouvert, il maintiendra la température réglée avec RV1, quand il fonctionnera avec S1 fermé, le thermostat se déclenchera au seuil réglé avec RV5.
Enfin l’alimentation doit fournir les tensions nécessaires à partir du secteur 230 V : c’est un circuit standard avec petit transformateur et fusible (entrée du cordon bornes MAINS), le secondaire donne 12 Vac qui deviennent, après le pont de Graetz formé de D1, D2, D3 et D4, 16 Vcc, disponibles non stabilisés en +V1 et donnant grâce à la zener les 5 V stabilisés nécessaires comme tension de référence au comparateur et pour alimenter le ICL7106.
Ajoutons que le relais ayant un pouvoir de coupure maximal d’un ampère sous 250 V, si l’appareil à commander a une puissance supérieure à 250 W, il faudra placer entre les deux, un ou plus relais intermédiaires.

Figure 1 : Schéma électrique du thermostat numérique.

Figure 2a : Schéma d’implantation des composants de la platine de base du thermostat numérique.

Figure 2b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de la platine de base du thermostat numérique.

Figure 3a : Schéma d’implantation des composants de la platine afficheur du thermostat numérique.

Figure 3b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de la platine afficheur du thermostat numérique.

Figure 4 : Photo d’un des prototypes de la platine de base du thermostat numérique.

Figure 5 : Photo d’un des prototypes de la platine afficheur du thermostat numérique.

Liste des composants
R1 ............. 560 Ω
R2 ............. 91 kΩ résistance à couche métallique
R3 ............. 100 kΩ
R4 ............. 100 kΩ
R5 ............. 100 kΩ
R6 ............. 100 kΩ
R7 ............. 33 kΩ
R8 ............. 100 kΩ
R9 ............. 1,8 kΩ
R10 ............ 390 Ω
R11 ............ 120 kΩ
R12 ............ 18 kΩ
R13 ............ 1 Ω
R14 ............ 150 kΩ
R15 ............ 220 kΩ
R16 ............ 220 kΩ
R17 ............ 560 kΩ
R18 ............ 560 kΩ
R19 ............ 4,7 kΩ résistance à couche métallique
R21 ............ 10 k résistance à couche métallique
R22 ............ 47 kΩ résistance à couche métallique
R23 ............ 47 kΩ résistance à couche métallique
R26 ............ 820 Ω
R27 ............ 1 kΩ
R29 ............ 82 Ω
R30 ............ 47 kΩ
R31 ............ 10 kΩ
R32 ............ PH17 (capteur)
R33 ............ 22 kΩ
R34 ............ 6,8 kΩ
R35 ............ 5,6 MΩ
RV1 ............ trimmer 4,7 kΩ
RV2 ............ trimmer 100 Ω
RV3 ............ trimmer 10 kΩ
RV4 ............ trimmer 10 kΩ
RV5 ............ trimmer 4,7 MΩ
D1 ............. 1N4007
D2 ............. 1N4007
D3 ............. 1N4007
D4 ............. 1N4007
D5 ............. 1N4148
ZD1 ............ zener 8,2 V
T1 ............. BC557
T2 ............. BC557
C1 ............. 1 000 μF 25 V électrolytique
C2 ............. 100 μF 25 V électrolytique
C3 ............. 100 nF
C4 ............. 100 nF
C5 ............. 10 nF 400 V polyester
C6 ............. 100 pF céramique
C7 ............. 100 nF 250 V polyester
C8 ............. 220 nF 100 V polyester
C9 ............. 470 nF 63 V polyester
C10 ............ 1 μF 63 V polyester
LD1 ............ LED rouge 5 mm
S1 ............. poussoir pour circuit imprimé
IC1 ............ ICL7106
IC2 ............ LM324N
RY1 ............ relais 12 V 10 A
LCD1 afficheur LCD

Divers :
1 .............. porte-fusible pour circuit imprimé
1 .............. support 2 x 20
1 .............. support 2 x 7
3 .............. connecteurs 2 pôles
1 .............. connecteur 3 pôles
1 .............. transformateur 230 V/12 V
Sauf spécifi cation contraire, les résistances sont des 1/4 W à 5 %.

Au cours du montage, accordez le maximum d’attention à l’affi cheur LCD : en effet, si vous ne disposez pas d’une clé d’insertion, il faut regarder attentivement l’affi cheur pour trouver la tache de référence sur l’un des côtés courts du cadre rectangulaire (ce point repère-détrompeur doit être à gauche, vers IC1).


La réalisation pratique
Une fois les deux circuits imprimés réalisés (figures 2b et 3b), respectivement de la platine de base et de la platine afficheur), on monte tous les composants dans un certain ordre en regardant fréquemment les figures 2a et 4 (pour la platine de base) et 3a et 5 (pour la platine afficheur), ainsi que la liste des composants. Alors leur insertion et leur soudure ne pose pas de problèmes particuliers, mais prenez tout de même bien garde à la polarité (au sens de montage) des composants polarisés, en particulier le sens de l’afficheur LCD (ce dernier peut être soudé directement ou être inséré dans deux rangées de connecteurs barrettes à vingt pôles chacun).
N’oubliez pas les “straps” filaires J (et JF ou JC selon votre choix de système de mesure).
Quand les deux platines sont réalisées, reliez-les avec une nappe à 9 fils de 7 cm environ, repliez la platine de base sous la platine afficheurs et montez les quatre entretoises entre les deux platines (voir photo de début d’article), puis protégez le tout avec un boîtier plastique approprié.

Les réglages
Reliez la thermistance PTC à son bornier SENSOR R32 au moyen de deux fils ne dépassant pas un mètre (si vous voulez un déport plus long, jusqu’à dix mètres, utilisez un câble coaxial blindé dont la tresse ira au pôle du bornier tourné vers R6 et l’âme au pôle tourné vers RV4). Il vous faut ensuite deux références : 0 °C (glace fondante) et 100 °C (eau bouillante). Afin d’éviter les infiltrations d’eau dans le corps du capteur, enrobez-le avec une fine couche de mastic au silicone (type joint d’étanchéité pour salle de bain) et laissez polymériser 24 heures (c’est plus rapide avec de la colle thermofusible). Mettez des glaçons dans un verre et attendez qu’ils commencent à fondre. Faites bouillir de l’eau dans une casserole. Branchez le cordon secteur 230 V (relié au bornier MAINS : attention, danger de mort ! surtout si vous n’avez pas encore monté les platines dans un boîtier plastique). Ouvrez l’interrupteur relié aux points ES et vérifiez que S1 est bien relaxé (ouvert).
Plongez dans l’eau qui s’est formée entre les glaçons la thermistance enrobée : si vous avez choisi le “strap” JC (pour une lecture en °C), réglez le trimmer RV2 jusqu’à lire sur l’afficheur LCD 00.0 (avec JF en °Fahrenheit 32). Plongez ensuite la thermistance enrobée dans l’eau bouillante au beau milieu de la casserole (sans contact avec les parois) et réglez RV3 pour lire sur l’afficheur LCD 100.0 (avec JC) ou 212 (avec JF).
Le poussoir S1 et le trimmer RV1 servent pendant l’utilisation normale du thermostat pour paramétrer le seuil de température à laquelle le déclenchement (activation du relais) doit se produire.
L’afficheur visualise normalement la température mesurée par le capteur (ambiante en air libre), mais il peut aussi vous assister pendant le réglage de la température de seuil du thermostat : il suffit de presser le poussoir S1 et de le maintenir pressé jusqu’à ce qu’on ait réglé RV1, ou bien RV5 si l’interrupteur ES est fermé et si l’on désire enregistrer une seconde température économique (toujours inférieure à la normale).
Tant que S1 est pressé, la visualisation affiche non pas la température ambiante mais celle correspondant au déclenchement du relais, bien sûr sans considérer l’hystérésis.

1 commentaires:

  1. J'aime bien ce site mais, à l'avenir, soyez gentil de faire une mise en page compatible impression car, désactiver la sélection de texte avec la souris alors qu'on voudrait en imprimer la liste des composants n'est pas forcément une idée judicieuse...

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