CONTROLADORES DE TEMPERATURA.
La aplicación más típica de un controlador es la de la regulación de temperatura. Estos circuitos se basan generalmente en un sensor de temperatura (termopar, termoresistencio o electrónico) que miden la temperatura actual, un calefactor (de cualquier tipo una resistencia de alta potencia, un radiador...etc) y un microcontrolador que lea los valores del sensor y decida si apagar o encender el calefactor.
Sensores:
Como sensor de medida la elección es enorme, los sensores más clásicos y fiables son las termopares (el tipo K es el más típico) o termoresistencias (PT100 o PT1000). Estos dos tipos de sensores se emplean ampliamente en la industria por razones de fiabilidad y coste. Los termopares ofrecen una precisión pobre pero por contra tienen un margen temperaturas de medida impresionante (desde menos -60ºC hasta varios cientos de grados), un peso, tamaño e inercia térmicas (velocidad de respuesta) muy buenas. Las termoresistencias de película de platino PT100 ofrecen por otra parte una medición muy precisa, pero un margen de temperatura más reducido y una inercia térmica peor. Estos dos tipos de sensores existen en versiones para todo tipos de aplicaciones: industria alimentaria, procesos químicos...etc. Los precios de estos sensores son muy variables dependiendo del encapsulado, aplicación y precisión, oscilan de entre 30 a 250 euros.
Tanto los sensores de termoresistencia como los sensores de termopar son sensores que precisan de complicados circuitos de acondicionamiento de señal para poder disponer de medidas en condiciones. Esto se debe sobre todo a que las señales electrónicas que generan no son adecuadas para medir con un convertidor analógico digital y además presentan problemas de linealidad. Los problemas de linealidad vienen dados de que un sensor nos da una señal analógica de que varia con la temperatura por ejemplo de 0-5Vcc, y el 0V corresponde a 0ºC y el 5Vcc corresponde a 50ºC, supondrémos sabiendo esto que una señal de 2,5Vcc debería corresponder a 25ºC, sin embargo esto no es así dado que el sensor no tiene una respuesta totalmente lineal de forma que tendrémos errores.
En los últimos 20 años han surgido también otros nuevos sensores capaces de medir temperatura que están basados en silicio y se venden como chips. Estos sensores son normalmente más baratos y tienen características de linealidad y medida muy adecuadas para medir con un convertidor AD (convertidor analógico digital), los hay incluso que tienen salidas digitales de forma que no hace nisiquiera un convertidor AD.
Un ejemplo típico de un sensor de temperatura electrónico es el LM35 (National Semiconductor). Este sensor es todo un clásico en la medición de temperatura a bajo coste. Permite medir temperaturas de -55ºC a +150ºC, con una linealidad muy buena, una precisión de aprox 0,5ºC y no precisa acondicionamiento de señal para conectarlo a un convertidor A/D. Este sensor realmente se comporta como un diodo Zener que tiene un voltaje variable con la temperatura (10mV/ºC). Además su precio es de 2-4 euros y se ofrece en diferentes encapsulados TO-92. TO-220...etc.
Por otra parte hoy en dia podemos encontrar ya sensores de temperatura en chip que dan la señal de salida en formato digital, ya procesada e incluso pueden enviarla por medio de un bus serie como el I2C, ahorrando con esto cableado y convertidores A/D.
Acondicionamiento de señal:
Muchas veces veremos que la señal que queremos medir no es adecuada para que nuestro convertidor A/D la lea. Esto puede ocurrir, por ejemplo, si tenemos una señal muy pequeña de 0-20mV cuando nuestro convertidor A/D tiene un margen de medida mínimo de 0-2V. Podremos leer esta señal dado que está dentro del margen de medidas del A/D pero la resolución de nuestro de nuestro A/D será totalmente penosa (ver sección convertidores A/D). En este caso lo que tendrémos que hacer es amplificar la medida x100 de forma que el margen de la salida del sensor sea igual al margen de entrada en el A/D.
También puede ocurrir que la impedancia de salida de nuestro sensor sea muy alta y la entrada al convertidor muy baja. En este caso lo que ocurrirá sera que cada vez que midamos el convertidor influirá en la medida dado que necesitará una señal "más fuerte" que la que es capaz de suministrarel sensor con lo cual al medir influirémos sobre la medida y los valores tendrán un error considerable. En este caso la solución es añadir lo que se conoce como un "adaptador de impedancias" entre el sensor y el A/D. Este circuito es amplificador operacional en una configuración de ganancia x1 pero que es capaz de tener una impedancia de entrada muy alta y una impedancia de salida muy baja.
También hay circuitos de acondicionamiento de señal que son filtros para frecuencias altas o bajas. Por ejemplo si nuestro sensor está muy lejos del convertidor AD y la conexión entre ambos se hace mediante un cable largo tendremos problemas de interferencias. El cable se comportará como una antena y generará ruido en la medida. Para evitar esto podemos instalar filtros en los sensores o en las entradas de nuestros A/D de forma que las frecuencias del ruido se eliminen antes de llegar al convertidor A/D.
Convertidores A/D:
La mayoría de los sensores, por no decir todos, tienen a la salida una señal analógica, esto es una señal con una intensidad o tensión variable. Por ejemplo muchos sensores generan una salida de 0-10V. El problema es que el idioma que cualquier microprocesador habla otro lenguaje muy diferente, el digital. El lenguaje digital tiene solo dos estados 0 o 1, el cero normalmente será 0 Voltios y el 1 generalmente 5 Voltios. Esto quiere decir que con microcontrolador solo podemos medir o 0 o 5V, cualquier otra cosa el microprocesador no la entenderá. Esto limita mucho en un principio nuestras posibilidades de medida dado que solo podemos medir dos estados, por ejemplo si tuvieramos un sensor de temperatura solo mediriamos o 0ºC o 100ºC pero si nuestra temperatura actual estuviera entre estos dos valores no nos enterariamos.
Como hacemos por lo tanto para medir una señal analógica con un microntrolador, pues muy sencillo empleamos un convertidor A/D. El convertidor A/D lo que hace es convertir un valor analógico (por ejemplo 5 Voltios) en un número digital de varias cifras (por ejemplo 5V = 0101). Una vez tenemos nuestra señal en formato analógico nuestro equipo digital es capaz de trabajar con ella.
Microcontroladores:
En muchos casos son los própios microcontroladores los que incluyen los convertidores A/D en su circuitería. Los microntroladores suelen tener convertidores de entre 8 y 16 bits. Con un microcontrolador con entrada analógica nos quitamos muchos dolores de cabeza y problemas en el circuito integrado al tener menos componentes.
Un convertidor A/D normalmente solo ve valores entre su máximo y mínimo, por ejemplo un A/D de 10 bits leera valores entre 0 y 1024 mientras que uno de 8 bits medirá entre 0 y 256. Lo bueno de los microcontroladores es que son bastante potentes en calculos matemáticos con lo cual se podemos multiplicar y dividir el valor medido por el A/D hasta tener el valor deseado. Por ejemplo:
Tenemos un sensor de temperatura, su señal de salida es de 0-5Vdc, siendo 0Vdc= 0ºC y 5Vdc= 100ºC.
Por otra parte tenemos un convertidor A/D conectado a esta señal con la referencia de tensión superior a 5Vdc y una inferior a 0Vdc, la precisión del A/D es de 10 bits = 1024 posiciones.
Esto quiere decir que la temperatura mínima que podemos medir es 100ºC/1024= 0.097ºC o lo que es lo mismo en voltios 0.0049 Vdc. Esto quiere decir que si queremos traducir las medidas del A/D a grados debemos multiplicar la medida del A/D por 0.097.
Esto puede ser más o menos difícil dependiendo del microcontrolador que estemos empleando. Normalmente no es fácil para un microcontrolador sencillo barato de 8bits efectuar operaciones matemáticas con decimales.
De todas formas existen trucos para medir la temperatura con un micontrolador sencillo y representarla por ejemplo en una pantalla. La más fácil sería multiplicar el número por el un número entero en vez de por un número fraccionario. En el ejemplo anterior podríamos multiplicar lo medido por 97 en vez de 0.097, de esta forma el máximo medido no serían 100ºC pero serían 1024x97= 99328 (error máximo de 100-99.328 de 0.672ºC para 100ºC), ahora para representarlo en pantalla solo tendríamos que escribir el número pero "olvidandonos" de las tres últimas cifras. El problema es que normalmente nuestros micros sencillos no trabajarán en operaciones matématicas de más de 16 bits con lo cual no podrá trabajar con números mayores de 65535, por eso en este caso podríamo optar por multiplicar el resultado en vez de por 97 por 10, de esta forma lo mayor que podríamos leer sería de 10240 (error máximo de 2.4ºC para 100ºC).
Actuadores:
Los actuadores en un sistema de control de temperatura son normalmente calefactores (resistivos, infrarojos...etc). Para encender/apagar los calefactores emplearémos normalmente relés mecánicos o de estado sólido. Los relés mecánicos son un simple interruptor controlado por el microcontrolador que los enciende o los apaga según haga falta.
Los reles mecánicos están normalemente formados por una bobina que funciona como un electroiman que mueve un contacto metálico de forma que se cierra o abre según hagamos pasar corriente por la bobina o no. La ventaja de estos relés es que podemos hacer pasar corrientes muy elevadas por estos relés, sin embargo tienen un consumo bastante elevado de energía y además al tener partés móviles y contactos metálicos se degradan con el tiempo.
Por otra parte los relés de estado sólido no tienen partes móviles y normalmente están compuestos por circuitos MOSFET de potencia. Las ventajas de estos componentes es que al no tener partes móviles puede conectar/desconectar muy rápido sin problema. Esto permite hacer una regulación de la potencia que querémos proporcionar. Por ejemplo podemos hacer que el calefactor se apague y se encienda 10 veces por segundo y para regular la potencia de calefacción lo único que tenemos que hacer el alargar/acortar la duración de los pulsos. Esto se llama modulación PWM y es muy útil en regulación.
La desventaja principal de los reles de estado sólido es que se calientan rápidamente y muchas veces necesitan un disipador para no sobrecalentarse.
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