UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LA MIXTECA Instituto de Electrónica y Mecatrónica Laboratorio de SISTEMAS DE CONTROL Grupo: 704 14 de Octubre de 2013 Prof. Edgardo Yescas Mendoza Práctica 2: Control de temperatura por histéresis Objetivo: Diseñar, construir y probar un sistema de control de temperatura por histéresis, con el fin de familiarizarse con los componentes de un sistema de control. Material • • • • • • •
Sensor de temperatura LM335 Amplificadores operacionales Relevador SCR (BTA16) MOC3031 Foco y porta-lámpara Resistores
Planteamiento La figura 1 muestra el diagrama a bloques del control (de lazo cerrado) de temperatura. Se utiliza un foco de 60 o más Watts como elemento calefactor, el sensor de temperatura LM335 es utilizado para tener un voltaje en función de la temperatura. Este sistema puede funcionar como un control para una incubadora.
Figura 1. Diagrama a bloques del control de temperatura El objetivo de esta práctica es construir un circuito para controlar la temperatura a 40°C, 50°C y 60°C, mediante la activación y desactivación del voltaje aplicado al foco. Las partes que componen al sistema son: •
Sensor de temperatura. Basado en un LM335 que proporciona un voltaje de 10mv/°C. Para poder manejar mejor los datos se le va a colocar un amplificador no inversor con ganancia 11, de tal manera que a la salida se tendrá una relación de 110mv/°C. 1
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Sumador Restador. Este bloque resta el voltaje proporcional a la temperatura deseada menos el voltaje del sensor de temperatura, el voltaje de salida corresponde al error el cual servirá para conmutar al comparador de histéresis. Comparador de histéresis. Este circuito proporciona una conmutación con histéresis de la salida en función del error. Si se usa un amplificador operacional (OPAM) de propósito general, el voltaje de salida será de +Vsat o -Vsat. Control de encendido de AC. Es el que conmuta de encendido a apagado el foco. Para ello se usará un triac. Para mantener aislamiento se tiene que utilizar un optoacoplador con detector de cruce por cero integrado. Se usa un transistor para acoplar la salida del comparador de histéresis con el disparo del optoacoplador. Temperatura deseada. Es un potenciómetro con el cual se establece la temperatura deseada del sistema. En la salida del potenciómetro debe ir un amplificador no inversor para eliminar efectos de carga. Se tiene que hacer los cálculos para ver que voltaje corresponde a cada una de las temperaturas requeridas.
En la figura 2 se muestra el circuito completo que implementa con amplificadores operacionales, el control de temperatura. Se usa una fuente de voltaje para emular el sensor de temperatura. Una resistencia de 100 corresponde a la resistencia del foco. R3
<] R3'2)
Figura 2. Circuito de control completo Procedimiento. 1.
Modelar con un diagrama a bloques el circuito de la figura 2 y analizar su funcionamiento mediante la simulación. En caso de que este bien proceder a armarlo. Diseñarlo para tener una histéresis de +1°C. 2. Armar en una caja (de zapatos) y/o madera con tapa, el foco y el sensor de temperatura el cual va a servir para realizar el control. También dejar un espacio para colocar un termopar que se conecte a los multímetros que miden temperatura. 3. Dejar permanentemente conectado el sistema y registrar el comportamiento de la temperatura hasta que este llegue a un valor fijo. Para la medición de la temperatura se va a utilizar un multímetro con termopar y su programa para el registro de las mediciones.
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4. Cuando se arme el circuito probar el correcto funcionamiento de cada una de sus partes. Para reducir el tamaño de éste es recomendable utilizar Circuitos Integrados con cuatro amplificadores operacionales, como el LM324. 5. Calcular teóricamente el voltaje del potenciómetro para llegar a una temperatura de 40°C. Con este dato fijar el potenciómetro al valor calculado, para obtener esta temperatura. 6. Medir y registrar el comportamiento de la temperatura durante el tiempo que sea necesario para generar una gráfica Temp vs. tiempo. A partir de ésta obtener la temperatura máxima y mínima, a la que se mantiene el foco. 7. Repetir los pasos 4 a 5 para 50°C. 8. Repetir los pasos 4 a 5 para 60°C. 9. Reemplazar todo el control analógico por una microcontrolador o una tarjeta de adquisición de datos y con ella realizar los puntos 4 al 7. La temperatura deseada se puede fijar con un potenciómetro o un dip-switch. Reporte El reporte se va a entregar una semana después de concluida la práctica. Incluir la introducción, el procedimiento, resultado, conclusiones y bibliografía. Referencias.
Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll, Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales, Prentice Hall, 1999.
National Semiconductors, LM135/LM235/LM335, LM135A/LM235A/LM335A Temperature Sensors, National semiconductors, Noviembre 2000.
Precision
Precaución! Van a usar voltaje de AC, hay que tener cuidado con la conexiones ya que pueden dañar el equipo o darles toques.
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Apéndice 1. Sensor de temperatura Es el encargado de convertir la temperatura ambiente a un voltaje de cd, y se realiza con el CI LM335, el cual proporciona un voltaje de 10mV/°C, además, posee una terminal de calibración para ajustar el voltaje del sensor a 25°C, de tal manera que cuando circule una corriente de 1mA en el CI a esa temperatura, el voltaje en las terminales sea de 2.982V. En la figura 3 se muestra un diagrama de conexiones del LM335, el cual requiere pocos elementos para su configuración.
Figura 3. Diagrama de conexiones del LM335 2. Comparador de Histéresis El comparador de histéresis proporciona un comportamiento diferente en función del estado anterior del sistema. En la figura 4 se muestra el diagrama esquemático de uno de ellos. Para mayor información consultar un libro de amplificadores operacionales. Donde +Vsat, es el voltaje de saturación positivo y –Vsat es el voltaje de saturación negativo. VUT es voltaje de umbral positivo, VLT es el voltaje de umbral negativo, VH es el voltaje de histéresis y VCTL es el voltaje central.
Figura 4. Diagrama esquemático del comparador DCCH
3. Control de encendido por relevador Para producir calor se utiliza un foco de 60 o más Watts, alimentado con voltaje de corriente alterna. Como el circuito de control funciona con fuentes de voltaje de +12V, es necesario utilizar un relevador de cd para controlar el encendido del foco, y aislar eléctricamente la etapa de potencia de los circuitos de control. La figura 6 muestra el diagrama esquemático del circuito de control del relevador, cuando el voltaje de salida del comparador es +Vsat, el transistor se polariza directamente y funciona como interruptor, haciendo circular corriente por la bobina del relevador, lo cual hace que el relevador conmute, y con ello se cierre el circuito de ca (corriente alterna) activando el foco. Cuando el voltaje de salida del comparador es -Vsat, el transistor no conduce y no se activa el relevador.
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Figura 5. Control de encendido con relevador. 4. Control de encendido por Triac Para conmutar cargas de ca en forma electrónica, la alternativa es usar un triac y un optoacoplador para proporcionar aislamiento. La figura 6 muestra el circuito de disparo con ambos componentes. Cuando la señal Disparo esta en alto se activa la carga, cuando está en bajo o tiene un valor negativo, se apaga.
Figura 6. Control de encendido de un triac con optotriac
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