Un thermostat analogique –20 à +35 °C

Voici un thermostat analogique simple mais qui se révèle être performant. Il se comporte comme un interrupteur qui serait activé ou désactivé par la température franchissant un seuil inférieur ou supérieur défini. Il s’avérera idéal dans tous les cas où il est utile de garder sous contrôle la température d’un local, en pilotant l’installation de chauffage ou de climatisation.


Le projet que nous allons vous présenter fait parti des montages classiques, des schémas qui ont fait l’histoire de l’électronique et qui restent des incontournables car ils sont souvent utiles, parfois indispensables.
Il s’agit d’un thermostat d’ambiance, utilisable dans une habitation, dans un magasin, dans un bureau ou dans n’importe quel espace fermé dans lequel sont installés des appareils qui servent à maintenir une certaine température.
Cette température peut être utile pour les personnes, pour des plantes (dans le cas d’une serre) ou bien même pour des installations informatiques.
Le circuit que nous vous présentons n’est autre qu’un thermostat à amplificateur opérationnel, équipé d’une sortie à relais, dont nous exploitons les contacts.
De cette façon, nous pouvons commander, soit une installation de climatisation (contact fermé au dépassement de la température imposée), soit de chauffage (contact fermé, tant que le seuil n’est pas atteint).

Le schéma électrique
Le schéma est très simple, sa compréhension est immédiate et le montage utilise comme sonde, un dispositif à semi-conducteur de la société INFINEON : le KTY10.
Le circuit est ce qui peut se faire de plus classique, mais vous conviendrez avec nous qu’il peut sûrement être utile aujourd’hui, comme il l’était il y a 20 ans, lorsque les microcontrôleurs n’existaient pas encore.
Le montage utilise un amplificateur opérationnel LM741, configuré en comparateur de tension non-inverseur.
Un coup d’oeil rapide au schéma de la figure 1 vous permet de noter qu’il reçoit le potentiel de référence sur l’entrée inverseuse, le potentiel à comparer (le signal d’entrée) est appliqué sur la patte 3 (non-inverseuse) et provient d’un diviseur de tension qui inclut la sonde de température.
Une hystérésis est appliquée au comparateur, il consiste à différencier le seuil de commutation en fonction de la condition logique de la sortie.
Le KTY10 se comporte comme un PTC, donc sa résistance croît avec l’augmentation de la température du lieu dans lequel il se trouve placé.
Si nous supposons qu’au repos la sortie du circuit est au niveau bas, car la tension aux bornes de la sonde est inférieure à celle de référence que l’amplificateur opérationnel reçoit sur la patte 2, nous pouvons analyser ce qui se passe lorsque la température commence à augmenter.
Nous voyons alors qu’à un certain point, la tension aux bornes de la sonde devient supérieure à celle présente sur R9 et le comparateur commute, faisant passer la sortie au niveau haut, permettant au relais de coller.
A ce moment, le réseau de résistances R7/R8 amène un courant vers le diviseur de tension incluant la sonde, avec pour effet, d’augmenter légèrement la tension de l’entrée non-inverseuse.
Cela permet de renforcer la condition instaurée, afin de garantir la commutation, même si une légère variation dans les conditions de fonctionnement de la sonde tendait à faire baisser légèrement cette tension (un bref courant d’air par exemple).
A présent, afin que la patte 7 repasse au niveau logique bas (donc, pour que le thermostat repasse à l’état de repos), la température doit descendre à une valeur inférieure à celle qui a déterminé le déclenchement, cela est possible grâce à la contre-réaction.
Il faut noter qu’avec la sortie au niveau haut, un supplément de courant est dirigé vers SENS (la sonde), valeur inversement proportionnelle à la valeur de la somme de R7 + R8.
Plus faible est la valeur de la résistance insérée à l’aide du trimmer, plus important est le courant transmis de la sortie de l’amplificateur opérationnel vers la sonde thermique et vice-versa.
Si le courant est plus élevé, la tension est également plus élevée aux bornes de la sonde après la commutation.
Nous pouvons en déduire que la distance entre le seuil est directement proportionnelle au courant reporté et inversement proportionnelle à la résistance de contre-réaction du comparateur.
En d’autres termes, pour augmenter le seuil, il faut réduire la résistance insérée par le trimmer, résistance qui doit être augmentée pour réduire le seuil.
Ainsi, l’hystérésis est concrètement la distance entre le seuil de commutation présent lorsque la sortie est au niveau haut et celle correspondante à la condition où cette même sortie est au niveau bas, donc à zéro.
Le composant modifiant la contre-réaction de l’amplificateur opérationnel étant un trimmer, la largeur de l’hystérésis dépend de la position de son curseur.
Dans notre cas, l’hystérésis peut être réglée d’un minimum de 2 °C (R8 complètement ouvert) et un maximum de 10 °C (trimmer en court-circuit).
L’autre régulation dont dispose le thermostat concerne la température de déclenchement, qui correspond normalement au seuil inférieur.
La température de déclenchement se règle avec le trimmer R3. Ce composant se trouve inséré dans le diviseur de tension qui détermine la tension de référence du comparateur, donc, indirectement, le seuil de température à dépasser pour porter la sortie du LM741 au niveau haut.
Plus grande est la résistance insérée, plus basse est la température programmée et vice-versa.
Ainsi, avec le trimmer utilisé, réglé sur sa valeur maximale, on obtient un seuil de 20 °C sous zéro. Par contre, avec R3 en court-circuit, le déclenchement du relais est obtenu pour une valeur de 35 °C.
En ce qui concerne l’alimentation, le thermostat requiert une tension continue de 15 à 25 volts appliquée aux points +/– VAL et consomme un courant ne dépassant pas 40 milliampères.
L’amplificateur opérationnel, le relais et la diode LD1 fonctionnent avec les 12 volts stabilisés fournis par le régulateur U1.

Figure 1 : Schéma électrique.

Figure 2 : Caractéristiques techniques


Température de fonctionnement ............................. –20 °C à +35 °C
Réglage de l’hystérésis ................................... 2 à 10 °C
Réglage de la température de déclenchement ................ –20 °C à +35 °C
Tension d’alimentation .................................... 15 à 25 volts
Consommation .............................................. 40 mA




La sonde de température




Figure 3 : La sonde de température.

L’élément utilisé comme sonde de température est une sonde KTY10 produite par la société INFINEON, qui, électriquement, se comporte comme une thermistance PTC. Il est composé d’une couche de semiconducteur sensible aux variations thermiques. Sa conductibilité est liée à la température par une relation non linéaire. En fait, sa courbe caractéristique est semblable à une parabole.
Le tableau ci-contre résume les valeurs du facteur kT, en fait, le rapport entre la résistance à 25 °C et celle à une température déterminée (kT = RT / R25) pour diverses températures comprises entre –50 °C et +150 °C.

Figure 4 : Schéma d’implantation des composants du thermostat analogique.

Figure 5 : Photo d’un des protoypes du thermostat de –20 à +35 °C.

Figure 6 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé. Il pourra être réalisé par la méthode décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?".

Liste des composants
R1 = 4,7 kΩ
R2 = 5,6 kΩ
R3 = 4,7 kΩ trimmer
R4 = 6,8 kΩ
R5 = 22 kΩ
R6 = 5,6 kΩ
R7 = 47 kΩ
R8 = 220 kΩ
R9 = 2,7 kΩ
C1 = 100 μF 25 V électrolytique
C2 = 100 μF 25 V électrolytique
C3 = 100 nF multicouche
C4 = 100 nF polyester
D1 - D2 = Diode 1N4007
U1 = Régulateur 7812
U2 = Ampli. op. LM741
T1 = NPN BC547B
LD1 = LED verte 5 mm
RL1 = Relais 12 V 1 RT pour ci
SENS = Sonde KTY10-6

Divers :
1 Bornier 2 pôles
1 Bornier 3 pôles
1 Support 2 x 4 broches
2 Connecteurs femelles en barrette sécables
4 Entretoises autocollantes


L’utilisation du relais
Avant de passer aux directives de construction, consacrons un peu de place à l’utilisation de la sortie du thermostat, donc au relais. Celui-ci est activé lorsque la température ambiante dépasse le seuil maximum imposé avec le trimmer R3 et repasse au repos dès que la température descend au-dessous de la précédente valeur.
Nous pouvons utiliser les trois contacts du relais, de ce fait le système permet de contrôler indifféremment une installation de chauffage ou de climatisation, étant entendu que, dans ce cas, l’hystérésis est négative, donc en dessous du seuil imposé.
En d’autres termes, en choisissant, par exemple, un seuil de 20 °C et une hystérésis de 2 °C, la mise au repos du relais s’obtient à 18 °C. Ainsi, en utilisant le contact normalement fermé (chaudière), nous avons l’ouverture du circuit à 20 °C et la fermeture à 18 °C, garantissant une température minimale de 18 °C. Si, par contre, nous choisissons de commander un système de climatisation, il faut utiliser le contact normalement ouvert, celui-ci venant en fermeture lorsque la température devient supérieure au seuil choisi, pour ensuite retourner en position ouvert lorsque la température repasse au-dessous de ce seuil. Dans ce cas, l’hystérésis se comporte de manière différente et nous le démontrons en reprenant les valeurs de l’exemple précédent.
En choisissant un seuil de 20 °C, le thermostat ferme le relais dès que cette température est atteinte et l’ouvre lorsque cette température passe à 18 °C, garantissant ainsi une valeur maximale de 20 °C.

Quelques détails
Cela dit, il est bon de s’arrêter sur quelques détails : le premier concerne l’amplificateur opérationnel U2, qui pilote la base du transistor par l’intermédiaire d’un diviseur de tension.
La fonction de ce dernier est de limiter la tension résiduelle présente sur la patte 6 lorsque la sortie du LM741 est au niveau bas et qui autrement empêcherait le blocage complet de T1 et la désexcitation du relais lorsque le seuil de température maximale est atteint.
La nécessité de ce diviseur de tension tient au fait que les amplificateurs opérationnels comme le LM741 (ou le LM747, TL081), lorsqu’ils sont alimentés avec une tension unique (donc non symétrique), ne parviennent pas à faire passer leur sortie à zéro volt.
Pour ce qui concerne la LED, celle-ci étant placée en parallèle sur la bobine du relais et alimentée en même temps, lorsque LD1 s’allume, cela veut dire que le thermostat s’est déclenché (température au-dessus du seuil, relais activé).
Dans cette condition, la résistance R1 limite le courant dans la diode.
A propos de la diode D2, cette diode protège la jonction collecteur émetteur du transistor T1 lorsque celui-ci est bloqué et qu’il coupe alors le courant dans la bobine de RL1. Si elle n’était pas présente, la surtension créée par la bobine du relais au moment de la coupure tendrait à se décharger au travers de la jonction base-collecteur et l’endommageant irrémédiablement après quelques cycles marche, arrêt.
La diode dérive la tension inverse, supprimant par-là même les dangereux pics de tension.
La description terminée, nous pouvons voir comment construire et mettre en fonction le thermostat.

Le réglage du thermostat

Figure 7 : Le réglage du thermostat.

En tournant le curseur de R3 (température) dans le sens antihoraire, on règle le seuil maximum (+35 °C).
En le tournant dans le sens horaire on règle la température au minimum.
Pour le trimmer de l’hystérésis (R8), en tournant le curseur dans le sens horaire on paramètre le seuil minimum (2 °C), dans le sens contraire (sens horaire), c’est l’hystérésis maximum qui est choisie (10 °C).

La réalisation pratique
La première chose à faire est de préparer le circuit imprimé en ayant recours à votre méthode habituelle. Nous vous rappelons l’excellent procédé PnP Blue décrit dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?". Pour cela, le dessin du tracé du circuit imprimé vous est fourni à l’échelle 1 sur la figure 6.
Le circuit imprimé gravé et percé, vous pouvez démarrer la mise en place des composants en vous aidant du schéma d’implantation des composants de la figure 4 et des différentes photos.
Commencez par les résistances et les diodes, puis poursuivez par les trimmers, le support pour le LM741, les condensateurs en faisant attention à la polarité des modèles électrolytiques.
Insérez ensuite le transistor T1, qui est orienté comme vous pouvez le voir sur le dessin de la figure 4, son côté plat vers le relais. Laissez un espace de 4 à 5 mm entre le dessous du transistor et le circuit imprimé.
Placez le 7812 sur le circuit imprimé, la partie métallique de son corps tournée vers C1 et C2.
Pour le relais, pas de problème de sens, ses pattes ne permettent sa mise en place que dans une seule position.
Pour permettre une liaison commode avec l’extérieur, utilisez des borniers à vis au pas de 5 mm à souder sur le circuit imprimé.
La sonde de température n’ayant pas de brochage particulier, vous pouvez la monter sans aucune précaution particulière.
Sur les prototypes, nous avons utilisé deux éléments de support en bande sécable. Vous pouvez faire de même si vous voulez tester quelques sondes différentes.
Vous pouvez aussi choisir de souder la sonde KTY10 sur le circuit imprimé ou de la souder au bout d’un câble coaxial afin de permettre son déport, sans toutefois dépasser une longueur de 2 mètres. Un petit morceau de gaine thermo-rétractable assurera la finition.
Lorsque tout est en place, le montage est prêt à l’emploi. Il ne demande aucun réglage particulier autre que le réglage du seuil de température et de l’hystérésis en fonction de vos besoins et des conditions d’utilisation.
Vous pourrez l’insérer dans un boîtier plastique TEKO par exemple. Si vous laissez la sonde à l’intérieur, placez-la le plus loin possible du transformateur d’alimentation et du régulateur.
En effet, ces deux éléments peuvent chauffer légèrement et introduire une erreur.

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