Riscaldatore/termometro elettronico

Acquariforum
Riscaldatore/termometro elettronico
Inviato da Giovanni Albergoni
Sto preparando un allevamento di Artemie adulte, in modo da fornire ai miei amati pesci del buon mangime vivo. Per
questo motivo ho realizzato un riscaldatore elettronico per mantenere la temperatura nella vasca delle artemie (piccola,
circa 20 litri) a 28-29 gradi. Visto il perfetto funzionamento e la comodità del mio riscaldatore, ho pensato di rendere
pubblica la mia realizzazione.
Le caratteristiche principali sono:
- Lettura della temperatura tramite un sensore integrato ad alta precisione (e a bassissimo costo…)
- Alimentazione del riscaldatore (resistenza) a bassa tensione, con conseguente assoluta sicurezza operativa
- Scalabilità: il riscaldatore può essere dimensionato in modo da fornire potenze da pochi watt a qualche Kilowatt
- Lettura della temperatura impostata e della temperatura reale su un display digitale
- Regolazione elettronica della temperatura
- Possibilità di posizionare il sensore di temperatura separato dall’elemento riscaldante, per permettere un migliore
controllo della temperatura
- Possibilità di comandare direttamente carichi a tensione di rete (220V), per esempio dei normali riscaldatori per
acquario; un solo circuito può, per esempio, controllare fino a 35 riscaldatori da 100 Watt l’uno
Schema elettrico
Lo schema elettrico è molto semplice:
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Generata: 8 June, 2017, 23:58
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Lista componenti
R1: 2K ¼ W
R2: 1K ¼ W
R3: 10K trimmer multigiro
R4: 28K5 ¼ W (realizzabile con più resistenze in serie, p.e. 22K + 6K8)
R5: 1K potenziometro lineare
R6: 43K5 ¼ W (realizzabile con più resistenze in serie, p.e. 22K + 22K oppure 33K + 10K + 470R)
R7: 4K7 ¼ W
R8: 1K ¼ W
R9: 2K trimmer multigiro
R10: 8K2 ¼ W
C1: 1000 microfarad, 35V
C2: 100 nanofarad poliestere
C3: 100 nanofarad poliestere
IC1: LM136 2.5 (rierimento di tensione a 2,5Volt) – www.national.com
IC2: LM136 2.5 (rierimento di tensione a 2,5Volt) – www.national.com
IC3: LM358 – www.national.com
IC4: LM135H – www.national.com
TR1: transistor Darlington NPN tipo BDX53C
TRASF1: Trasformatore 220/21 Volt – potenza da definire in base all’elemento riscaldante
D1: Ponte raddrizzatore 100V, corrente da definire in base all’elemento riscaldante
DEV1: Deviatore 1 via
Il cuore del circuito è l’integrato LM135H, un sensore di temperatura integrato che presenta in uscita una tensione
variabile direttamente proporzionale alla temperatura esterna; per ogni grado Kelvin la tensione aumenta di 10 mV.
La misurazione avviene, appunto, in gradi Kelvin; quindi, a 0°C, l’uscita del sensore è pari a 2.7315 Volt (in quanto
0 °C corrispondono a 273.15 °Kelvin; 273.15°K * 10mV/°K = 2731,5mV = 2,7315V).
Il sensore può essere calibrato, tramite il trimmer R3, in modo da diminuire l’errore di lettura; si consideri
comunque che l’errore tipico senza calibrazione è inferiore ad 1°C.
Per applicazioni normali la calibrazione può essere omessa, eliminando dallo schema R3 e lasciando il piedino di
calibrazione “aperto”. La tensione in uscita dal sensore viene riportata sull’ingresso non invertente
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del comparatore IC3/A; sull’ingresso invertente è invece riportata la soglia di temperatura che si vuole
raggiungere e mantenere.
Il comparatore provvede a comandare l’elemento riscaldante come necessario.
Tramite il deviatore DEV1 possiamo andare a leggere il segnale proveniente dal sensore di temperatura (quindi la
temperatura corrente) o quello proveniente dal potenziometro R5 (quindi la temperatura impostata).
Visto che l’uscita del sensore è in gradi Kelvin, dobbiamo aggiungere uno stadio che converta la lettura in gradi
Celsius (o centigradi): questo compito è effettuato dall’operazionale IC3/B, che altro non fa se non dare in uscita
una tensione fissa di 2,7315 Volt (corrispondente appunto a 273,15°F, cioè a 0°C), che viene utilizzata come livello di
riferimento per la misura della temperatura.
Il display può essere esterno, p.e. un multimetro, oppure un millivoltmetro che abbia un ingresso differenziale.
Si può anche utilizzare un millivoltmetro con un ingresso singolo con riferimento a massa, ma in questo caso il
millivoltmetro deve essere alimentato con una tensione separata da quella utilizzata per il resto del circuito, e la massa
del millivoltmetro collegata all’uscita dell’operazionale IC3/B.
Oppure (lascio a voi la realizzazione) il contatto centrale del deviatore DEV1 può essere fatto entrare in un circuito
operazionale utilizzato in configurazione differenziale, con guadagno unitario, dove l’altro ingresso è fisso a
2,7315 Volt; in questo modo l’uscita dello stadio aggiuntivo è sempre di 2,7315 minore rispetto
all’ingresso.
Per quanto riguarda l’elemento riscaldante, si possono tranquillamente utilizzare delle resistenze industriali a filo
o corazzate, opportunamente dimensionate.
Conoscendo la potenza riscaldante che si vuole ottenere in uscita, è facile calcolare il valore di resistenza da utilizzare:
Valore resistenza in Ohm =
(Tensione di alimentazione)2
---------------------------------------
Potenza in Watt
Volendo per esempio realizzare un riscaldatore da 12 Watt alimentato a 24 Volt
(quello che ho realizzato io), si ha:
Valore resistenza in Ohm =
242
=
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576
= 48 Ohm
-------------------------
12
12
Come elemento riscaldante ho utilizzato due semplicissime resistenze a filo da 100 Ohm l’una in parallelo, di
quelle comunemente utilizzate in elettronica, da 10 Watt l’una.
Per rendere le due resistenze impermeabili e immergibili, ho preso una provetta in vetro che potesse contenerle
comodamente, vi ho inserito le resistenze, l’ho poi riempita fino a 1 cm dall’orlo di olio siliconico (utilizzato
comunemente per bagni termostatici) e poi ho sigillato il tutto con silicone acetico.
Dal “tappo” di silicone esce il cavo che alimenta le resistenze.
L’olio siliconico è un ottimo isolante elettrico e un buon conduttore termico.
Una volta asciugato il “tappo” di silicone la provetta può essere immersa in acqua.
Chi non potesse recuperare l’olio siliconico può utilizzare olio minerale o sintetico, verificando che non sia un
conduttore elettrico e che non si decomponga al passaggio della corrente. Penso che il normale lubrificante per
automobili possa andare bene.
Un’altra semplice alternativa è quella di utilizzare una lampadina ad incandescenza, di quelle a bulbo.
Una lampadina da 100 Watt alimentata a 24 Volt dissipa circa 4 Watt.
Questa soluzione è comoda per piccolissime potenze.
Utilizzando il circuito sopra e dimensionando opportunamente il trasformatore è possibile arrivare a circa 100 Watt di
potenza, con 24 Volt di alimentazione.
L’integrato LM358N può essere alimentato con tensioni fino a 32 Volt (ufficialmente, io ho alimentato tali integrati
fino a 40 Volt senza problemi…).
Il transistor di uscita TR1, un BDX53C, può lavorare con tensioni fino a 100 Volt e correnti continue di 5 A, e può dissipare
una potenza massima di 60 Watt.
Supponendo di farlo lavorare a pieno carico (5A), in conduzione (saturazione) la potenza dissipata è di circa 4 Watt.
Per potenze superiori consiglio di modificare il circuito come segue, in modo da poter comandare direttamente resistenze
industriali o riscaldatori da acquariologia a tensione di rete (220 Volt):
Elenco componenti:
R11: 4K7 ¼ W
R12: 390R ½ W
R13: 150R ½ W
C4: 47 nanofarad 600 Volt
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IC5: MOC3020 – Texas instr. www.ti.com
TRIAC1: BTA 16 600
Il circuito sopra va a sostituire il transistor TR1 di uscita BDX53C, e il capo aperto della resistenza R11 va collegata
all’uscita del comparatore IC3/A.
Anche la resistenza R7 va eliminata, naturalmente.
Con i componenti listati sopra è possibile controllare carichi resistivi fino a 16A, cioè fino a circa 3500 Watt.
Per comandare carichi altamente induttivi (p.e. lampade riscaldanti) è meglio sostituire il MOC3020 con il MOC3040, che
ha un circuito di rilevazione dello zero della sinusoide.
Di Giovanni Albergoni (24-04-2002 )
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