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Comment fabriquer votre thermostat analogique ( 0 – 100°C ) pour environ 5 € !

Le principe

Nous connaissons tous le thermostat et son utilité pour réguler la température dans une maison par exemple .Nous allons nous intéresser ici a un type particulier de thermostat étant donné qu’il en existe de toutes sortes . Notre thermostat est un modèle analogique avec une sortie a contact sec . Il s’agit en fait d’un thermostat qui sera conçu avec des amplis ( AOP ) , un relais pour la sortie et quelques composants discrets et passif ( transistors , résistances , condensateurs , … )

Voici comment il va être composé :

Tout d’abord l’alimentation , rien de bien compliqué avec cet étage il est simplement chargé d’acheminer l’énergie permettant le fonctionnent de nos différents étages . Le capteur , c’est lui qui est chargé de convertir la grandeur physique ( la température ici ) en un valeur électrique . le traitement , il est chargé de transformer la valeur électrique donnée par le capteur en une valeur exploitable . La sortie , c’est l’étage qui permettra de piloter des appareils , il doit être dimensionné en fonction du besoin nous y mettrons ici un relais a contact sec qui permet de commander une grande variété de matériel .

Le capteur de température

Pour le capteur de température , j’ai choisi ici de vous faire découvrir le LM35 . C’est un composant fabriqué par Texas instrument  il est disponible dans plusieurs boitier est n’est pas trop difficile a utiliser . Il couvre également des gammes de température qui permettent de travailler avec les températures ambiantes mais également au dessus de 100 c ce qui peut être pratique si on cherche a réguler la température d’un liquide par exemple .

Regardons sa documentation en détail :

Les boîtiers disponibles :

Ci dessus les boitiers et les brochages en fonction , le plus courant est le TO92 mais on trouve parfois les autres aussi je pense spécialement a la version CMS ( soic ).

Les Maximums :

Il est toujours intéressant de connaitre les limites d’un composant , pour sa tension d’alimentation par exemple ou son courant de sortie . C’est ce qui va nous permettre de dimensionner notre montage pour rester bien en dessous de ces limites et que notre composant se comporte bien .

On voit ici par exemple qui ne faut pas exceder 35 volts pour l’alimentation et 10 mA pour la sortie .

Les specifications :

On trouve ces spécifications constructeur généralement en tête de la ” DATASHEET ” elles vous indiquent les informations générales sur votre composant pour que vous n’aillez pas a tout lire afin de savoir si c’est le composant qui vous convient .

On vous dit donc ici qu’il est calibré en degré Celsius ou centigrade , mais c’est pareil a un offset prés . il fonctionne de -55°c à +150°c ce qui est une bonne plage de température couvrant la plupart des besoins.

La tension d’alimentation est usuelle est de 4 à 30 volts , la encore c’est une bonne plage d’utilisation , il est très facile de fabriquer des petites alimentations qui fonctionne dans ces plages la .

Le cablage :

En feuilletant la documentation je suis tombé sur ce petit schéma , rien de bien grave mais si notre carte est éloignée du capteur ce qui peu être le cas , le constructeur conseil d’utiliser un câble blindé afin assurer le fonctionnement .

Schéma de principe de notre thermostat :

Voici comment les choses vont s’agencer a l’intérieur de notre thermostat :

Notre fameux LM35 , suivit d’un étage amplification . Cet étage sert a la mise en forme du signal afin qu’il ai l’amplitude nécessaire pour attaquer l’étage de comparaison . La comparaison elle récupère la valeur de consigne ( la température que vous souhaitez ) et la valeur amplifié de notre LM35 . Elle les compare et active sa sortie en fonction de ces deux valeurs . La sortie de comparaison attaquera l’étage de sortie qui n’est autre qu’un relais avec un transistor pour pouvoir piloter le relais . Une petite LED sera ajoutée en façade afin de que l’utilisateur voit ce que son thermostat est en train de faire .

Passons un peu a la pratique

Nous allons pour commencer commander un LM35. Il en existe plusieurs modèles et différents boîtiers comme le suggère la datasheet du composant . J’ai trouvé mon LM35 chez Radiospares et j’ai choisi un LM35DZ en boitier TO92 . Le modèle D a une plage de température de 0 °c  à 100 °c, il est vendu environ 1 € , voici le lien . Vous verrez une petite erreur dans le titre de la page , mais il s’agit bien d’un capteur 0 – 100 °c .

En terme de tension cela signifie que notre LM35 devrait nous produire une tension positive comprise entre 0 et 1 Volt étant donné que le constructeur nous indique que sa sortie sera égale a 10 mV / °C .

L’amplification et la comparaison sera faite avec le même circuit , j’ai choisi un LM324  parce-qu’ il fonctionne en mono-tension ce qui nous évitera de fabriquer une alimentation en +Vcc / – Vcc . Ça simplifiera le montage et diminuera le coût de fabrication du produit final . Ce n’est pas un ampli très rapide mais étant donnée que la vitesse de variation de température sera très lente , l’AOP n’a pas besoin de vitesse .

Le schema :

 

 

Vous voyez ci-dessus un premier jet du schéma . Comme je vous l’expliquais Le LM35DZ , les amplis et le comparateur LM324 deux transistors , un pour le relais et un pour la LED .

Nous allons mettre des valeurs la dessus :

 

Le premier ampli qui suit directement le LM35DZ est un suiveur .Son rôle est de recopier la tension présente a sa patte + a sa sortie . Vous me direz peut être quel intérêt  …. En fait ici il n’y en a pas beaucoup mais ! Dans le soucis de ne pas tirer de courant sur le capteur j’ai ajouté cet ampli . Ainsi le LM35 n’a pas de courant a fournir pour à sa sortie et donc il n’est pas perturbé par une charge qui pourrait être trop importante . Dans notre cas il est plus ici par convention vous pouvez le shunter ça ne changera rien du tout d’autant que le composant suivant est également un ampli ( et que du coup son impédance d’entrée est très élevée ) .

Le second ampli est un ampli en montage non – inverseur , on cherche a multiplier par environ 10 la tension d’entrée pour qu’elle soit facile a comparer , la valeur de sortie est :

ve * 1+R2/R1 

Avec R2 = 10 k et R1 = 1k ça nous donne un multiplicateur par 11 , j’ai mit 1k et 10k car ces deux résistances sont dans la série E12 et facile a se procurer a un prix proche de 0 € .

L’étage suivant c’est le comparateur , il compare la sortie de l’ampli avec un potentiomètre monté en référence de tension qui est en fait notre valeur de réglage . Si la tension patte + est supérieur a la tension patte – alors la sortie sera égale a + Vcc et dans le cas inverse 0 v .

La suite c’est l’étage de sortie faite avec des 2n2222 ultra courant, un pont diviseur a l’entrée pour être sur de bien avoir un courant rentrant . Sur la sortie LED rien de spécial , sur la sortie relais une petite diode que l’on appelle une diode de roue libre elle protège le transistor de l’effet de self du relais au moment ou celui – ci coupe l’alimentation . Si vous ne la mettez pas votre transistor va mourir très rapidement .

On aurait pu n’utiliser qu’un transistor pour le relais et la LED c’est d’ailleurs ce que l’on fera  , mais je voulais vous montrer la différence entre ces deux circuits pour la Diode de roue libre .

Et si on testait ?

j’ai réalisé le câblage sur une carte prototype alimentée en 12 Volts dc voici ce que ça donne :

La mesure de la sortie de notre capteur :

0.325 soit 32,5 °c ( oui il fait chaud ! )

La sortie de l’ampli après la multiplication par 11 :

La valeur de la consigne :

Notre LED est éteinte et c’est normal car du coup la tension en patte + est inférieur a la tension en patte – .

si je fais chauffer le capteur avec mon fer a souder :

Ici a plus de 46 °c , la valeur en sortie de l’ampli devient supérieur a la valeur de consigne notre LED s’allume et le relais est alimenté . Bien entendu des que la température sera retombée en dessous de la valeur de consigne ,le relais et la LED ne seront plus alimentés.

Si on routait notre thermostat .

Je vais maintenant router le thermostat en utilisant TCI et en ne gardant qu’un seul transistor sur la sortie pour limiter l’encombrement et le cout de fabrication .

Voici a quoi elle ressemble :

J’ai positionné la LED et le potentiomètre sur un flanc de la carte ce qui permettra de les mettre en façade .J’ai rajouté un régulateur 7812 pour stabiliser la tension bien que la encore ça ne soit pas une obligation . Il y a un composant de protection a l’entrée F1 que je remplacerai par une résistance de 0 ohm. Pour finir elle mesure 49 x 63 mm ce qui n’est pas très grand .

 

Voici la carte électronique une fois fabriquée par mon fournisseur de PCB

Elle mesure 48 mm x 62 mm elle pourrait être plus petite si nous avions mit un peu CMS

 

Merci pour votre lecture

Sylvain

 

 

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