Eenvoudige analoge thermostaat compact en betrouwbaar met een NTC
Wilt u ergens nauwkeurig de temperatuur regelen? Met deze betrouwbare thermostaat op basis van een thermistor, met een instelbereik van ongeveer 0 °C tot 60 °C, kunt u de temperatuur perfect regelen in aquaria, terraria, boilers en meer.
Met dit eenvoudige, kleine analoge ontwerp is het mogelijk om allerlei externe belastingen aan te sturen via een geïsoleerde set NO/NC-contacten (normally open, normally closed) van een relais. Op die manier kunt u verwarmingsapparaten aansturen via de NC-aansluiting, of – met omgekeerde logica – voor verkoeling zorgen met ventilatoren of airco-systemen via de NO-aansluiting.
Het schema
De thermostaatschakeling in figuur 1 bestaat uit de operationele versterker IC1, die als comparator wordt gebruikt om het spanningsverschil te meten tussen pin 3 (niet-inverterende ingang) die naar de NTC-sensor via printkroonsteenk X1 gaat, en pin 2 (inverterende ingang) die is aangesloten op een spanningsdeler die uit R2 en R8 bestaat. Met trimmer R8 kan de referentiespanning op pin 2, dat is de uitschakeltemperatuur van de thermostaat, worden aangepast.
Thermistors met een negatieve temperatuurcoëfficiënt (NTC) hebben de eigenschap dat hun weerstand afneemt naarmate de temperatuur stijgt. Ze worden veel gebruikt binnen een temperatuurbereik van –100 °C tot +450 °C; voordelen zijn de hoge gevoeligheid en korte reactietijd. De overdrachtscurve heeft een exponentieel verloop dat pseudo-lineair gemaakt kan worden door een instelweerstand in serie te schakelen – zoals in dit project is gedaan – en uiteindelijk precies kunnen worden ingesteld met weerstanden parallel aan de NTC .
In dit ontwerp werd een NTC thermistor gebruikt met een nominale waarde van 2,2 kΩ bij 25 °C. Om een pseudo-lineaire respons te verkrijgen, werd weerstand R1 in serie met de NTC geschakeld, waardoor een spanningsdeler ontstaat. Wanneer de NTC-sensor wordt blootgesteld aan een temperatuur boven 25 °C, daalt zijn weerstand af, waardoor de spanning op pin 3 stijgt.
Wanneer de spanning op pin 3 hoger is dan die op pin 2, klapt de uitgang (pin 1 van de opamp) om en wordt logisch 1, waardoor transistor T1 in verzadiging wordt gestuurd en relais K1 bekrachtigd wordt. Als u moeite hebt om een NTC met een nominale waarde van 2,2 kΩ te vinden, kunt u een exemplaar met een andere waarde (bij 25 °C) gebruiken en weerstand R1 vervangen door een exemplaar met dezelfde waarde.
Met trimmer R8 kan de schakeldrempel van IC1 worden ingesteld. Weerstand R3, tussen pin 3 en pin 1 van IC1, bepaalt de hysteresis, dat wil zeggen het tolerantiebereik (ΔT) rond het schakelpunt. Zonder hysteresis zou relais K1, wanneer de temperatuur van de sensor dicht bij de schakeltemperatuur ligt – maar niet permanent boven of onder die waarde blijft – kunnen ‘klapperen’, wat slijtage van de contacten en een mogelijke storing van het aangestuurde apparaat kan veroorzaken. De aanwezigheid van R3 zorgt ervoor dat de overgang tussen de rust- en de actieve toestand alleen plaatsvindt wanneer de temperatuur de schakeldrempel in geringe mate over- of onderschrijdt, waardoor onzekerheid op het moment van schakelen wordt vermeden.
Opamp IC1B, die niet wordt gebruikt, is geconfigureerd als een ongebruite spanningsvolger, waarbij de niet-inverterende ingang (pin 5) aan massa ligt. Dit voorkomt ruis en zorgt voor een goede werking van de schakeling. De voeding voor de schakeling wordt geleverd door de voedingsmodule AL1, maar kan ook van een externe bron komen; dan hoeft deze component niet gemonteerd te worden.
Het opgebouwde prototype is in figuur 2 op 3D-geprinte houders gemonteerd. Er zijn overwegend SMD-componenten gebruikt. Het volbouwen van de print is niet moeilijk, hoewel SMD-componenten meer zorg vereisen bij het plaatsen en solderen.
De hier gebruikte print is dubbelzijdig met doorgemetalliseerde gaten en moet worden bestukt aan de hand van de componentenopdruk in figuur 3. Als de thermostaat wordt gebruikt om netspanning te schakelen, moeten ook de sleuven in de print worden aangebracht (zwart in figuur 3) om de isolatie tussen de netspanning voerende delen en het laagspanningsgedeelte van de print te verhogen.
Voor het monteren van de onderdelen zijn enkele speciale gereedschappen voor het plaatsen van SMD-componenten nodig, en een beetje handigheid kan ook geen kwaad. De soldeerbout moet bij voorkeur een type zijn met een zeer fijne punt en een vermogen van maximaal 12 W. Het gebruik van een SMD-soldeerstation is nog steeds de beste keuze. De soldeerdraad mag niet dikker zijn dan 0,5 mm. De layouts voor de print, inclusief het .stl-bestand voor de 3D-geprinte houders, kunnen hieronder worden gedownload
verbeteren van de isolatie tussen het netspanningsgedeelte
en het laagspanningsdeel van de schakeling zijn goed zichtbaar.
Montage en test
Begin met de montage van IC1 (let op de juiste stand!) en soldeer telkens één pin aan weerszijden. Daarna kunnen de weerstanden en de keramische condensator worden gesoldeerd. Tenslotte kunnen diode D1, transistor T1 en elco C3 worden aangebracht.
Houd er rekening mee dat door een foutje bij het ontwerpen van de print de nummering van de condensatoren bij 2 is begonnen; daarom zit er geen C1 op de print. Zoek die dus niet!
Hierna kunnen we overgaan tot de montage van de through-hole componenten. Als eerste LED1 en LED2, dan de printkroonstenen X1, X2 en X3, zekeringhouder F1, voedingsmodule AL1 en tenslotte trimmer R8 en varistor R6.
De COM/NO-contacten worden gebruikt om een
verwarmingsapparaat te regelen, terwijl COM/NC een koelsysteem kan regelen.
De aansluitdraden van de NTC kunnen op de pads van JP1 worden gesoldeerd of in printkroonsteen X1 worden geschroefd (beide aansluitingen staan parallel). Desgewenst kan een van de beide aansluitmogelijheden worden gebruikt om een compensatieweerstand parallel aan de NTC te plaatsen (in die gevallen wanneer een specifieke linearisatiecurve nodig is).
Na de montage kan de thermostaat worden getest. Figuur 4 toont de vereiste bedrading. Als u zware belastingen aansluit op printkroonsteen X3, moet u de printsporen naar de contacten van het relais met soldeertin dikker maken, zoals rechtsonder in figuur 5 te zien is.
rechtsonder zichtbaar. Zo kunnen zwaardere belastingen
worden geschakeld zonder dat de kopersporen te warm worden.
Om de schakeling te testen, verdraait u trimmer R8 voor een kwart in de richting van de klok en schakelt u de voeding in. De groene LED2 moet oplichten. Door de NTC-thermistor te verwarmen, gaat LED1 oplichten en tegelijkertijd hoort u relais K1 schakelen. Als dat het geval is, is de schakeling operationeel, kan de gewenste uitschakeltemperatuur worden ingesteld en kan hij in de praktijk worden ingezet.
Vragen of opmerkingen?
Hebt u technische vragen of opmerkingen naar aanleiding van dit artikel? Stuur een e-mail naar de auteur via lrgeletronic@hotmail.com of naar de redactie van Elektor via redactie@elektor.com.
Noot van de redactie: Het artikel (240042-03) verschijnt in de Elektor Circuit Special 2024, die in augustus 2024 in de kiosken ligt.
