Electronique > Réalisations > Affichage / Mesures > Thermostat 002

Dernière mise à jour : 08/03/2015

Présentation

Le thermostat présenté ici permet de réguler la température ambiante dans une pièce de la maison, et trouve sa bonne mesure tant que la température de consigne reste comprise entre +10 °C et +35 °C environ. Cette plage de fonctionnement ne doit pas poser de problème particulier si comme la majorité des gens vous aimez une température qui tourne autour de +18 °C à +20 °C. La précision du réglage (de la température de consigne) est un peu plus faible que celle offerte par le thermostat 001, car on travaille ici avec un capteur de température LM35 de type analogique, dans un circuit purement analogique. D'un autre côté, il s'agit d'un circuit dont le fonctionnement est facile à apréhender, et qui ne requiert la programmation d'aucun composant. Bref, un circuit pour débuter. Deux schémas sont proposés :
- schéma 002 - version sans hystérésis
- schéma 002b - version avec hystérésis (ici 1°C, mais peut être modifié)
Pour ceux qui veulent combiner un capteur analogique LM35 avec un circuit de traitement numérique, rendez-vous à la page Thermostat 003.

Présentation du LM35

Le LM35 est un capteur de température monté dans un boitier à 3 pattes en métal ou en plastique, qui s'alimente entre +4 V et +20 V. Sa sortie délivre une tension de valeur proportionnelle à la température, à raison de 10 mV par °C, avec pour base la valeur de 0 V à 0 °C. On dispose ainsi d'une tension de 50 mV pour une température de 5 °C, d'une tension de 150 mV pour une température de 15 °C et d'une tension de 1,0 V pour une température de 100 °C. Il existe plusieurs versions de LM35, comme indiqué ci-après :
- LM35AH : boitier métal TO46, plage -55 °C à +150 °C
- LM35CH : boitier métal TO46, plage -40 °C à +100 °C
- LM35CZ : boitier plastique TO92, plage -40 °C à +100 °C
- LM35DH : boitier métal TO46, plage 0 °C à +100 °C
- LM35DZ : boitier plastique TO92, plage 0 °C à +100 °C
Ceux en boitier métal coûtent plus cher, la palme revient au LM35AH. Pour la présente application, je vous conseille le modèle LM35CZ ou le modèle LM35DZ.

Schéma 002 - sans hystérésis

Encore une fois, j'ai essayé de m'inspirer de Picasso pour le dessin du schéma électronique, mais il me manque encore de nombreuses heures de pratique pour prétendre commencer à l'égaler.

thermostat_002

Fonctionnement général
Le circuit est construit autour du comparateur de tension U1 de type LM311 (ou LM111) qui compare en permanence deux tensions. Une première tension est définie comme référence (Vref) et est fixe une fois réglée, elle est obtenue à travers le pont diviseur résistif constitué de RV1, R1 et R2. Cette tension fixe, qui peut être ajustée entre 100 mV et 350 mV, est appliquée sur l'entrée inverseuse du comparateur. Une seconde tension, comparée à celle de référence, est obtenue en sortie d'un capteur de température de type LM35, qui délivre une tension continue proportionnelle à sa température, selon la formule suivante :
Vout (V) = Tamb (°C) / 100
Ainsi, si la température est de 20 °C, la tension délivrée par le circuit LM35 est de 0,200 V.
Cette tension, proportionnelle à la température ambiante (ou plus précisement à celle du capteur LM35), est appliquée sur l'entrée non-inverseuse du comparateur. Le potentiomètre RV1 permet de régler la consigne de basculement On / Off, c'est à dire le seuil de température pour lequel le circuit doit se mettre en ou hors fonction.

Réglage du seuil de température
Le réglage est fort simple et se limite à l'ajustage du potentiomètre RV1, pendant la lecture au voltmètre de la tension de référence présente entre masse et entrée inverseuse du comparateur U1. La tension en ce point correspond précisement à la tension de basculement du comparateur et donc à la tension fournie par le capteur de température LM35. La formule donnée précédement pour le capteur LM35 doit donc être utilisée de la même façon pour savoir quelle tension correspond à quelle température :
Vref (V) = Tseuil (°C) / 100
Ainsi, pour un seuil fixé à 19 °C, la tension de référence doit être de 0,190 V.
Et pour un seuil fixé à 25 °C, la tension de référence doit être de 0,250 V.

Modification plage de réglage
La plage de réglage a été ici volontairement réduite de +10 °C à +35 °C pour faciliter le réglage du seuil même en utilisant un potentiomètre classique 3/4 de tours. Mais vous pouvez sans aucun problème réduire ou augmenter cette plage, en modifiant la valeur des composants RV1, R1 et R2. Par exemple, en donnant à R1 la valeur de 10 KO au lieu de 33 KO, la plage se trouve étendue entre +10 °C et +100 °C. Et en donnant à R1 la valeur de 100 KO au lieu de 33 KO, la plage se trouve réduite entre +6 °C et +12 °C. Pour d'autres valeurs, je vous laisse à votre calculette ;-)

Section puissance
Il est fait appel ici à un optotriac de type MOC3041 suivi d'un triac de puissance 8A / 400V (Q4008L4 ou BTA08-400). La commande directe du triac aurait tout à fait été possible, l'optotriac a été ajouté en vue de supprimer les parasites secteurs qui se seraient produit lors des commutations On / Off. Cet optotriac est en effet un modèle doté d'un circuit de détection de passage par zéro de l'onde secteur 230 V, ce qui garantit une commutation de la charge (résistance chauffante) au 230 V au bon moment, sans heurt.

Alimentation
Elle est réduite à sa plus simple expression, mais tout de même avec une régulation de la tension pour garantir une bonne stabilité de la tension de consigne. Le circuit est totalement similaire à celui décrit à la page alimentation simple 001.

Schéma 002b - avec hystérésis

Si on exclue les différences, le schéma qui suit est identique au précédent.

thermostat_002b

Bon, voyons ce qui a changé... Tout d'abord, les entrées inverseuse et non-inverseuse du comparateur de tension LM311 ont été échangées, la tension de référence se trouve maintenant sur l'entrée non inverseuse, et la tension issue du capteur de température LM35 arrive désormais sur l'entrées inverseuse. Tout ça pour quoi ? pour faciliter la tâche de la réaction positive assurée par R7 dont la présence permet de modifier légèrement la tension de référence quand la sortie change d'état. En clair, quand la sortie du LM311 passe de l'état bas à l'état haut, la résistance R7 vient ajouter une fraction de tension sur celle déjà spécifiée par le pont diviseur R1/RV1/R2, et la décale ainsi vers le haut (tension plus positive). Dans la pratique, le thermostat se met en route (active la résistance chauffante) quand la température passe en-dessous de la consigne, mais ne s'arrête pas immédiatement après être repassé au-dessus de cette consigne. On a désormais un petit décalage de 0,01 V environ, ce qui correspond à environ 1°C. Cela signifie que si on règle le seuil de basculement à 0,14 V pour 14°C, le thermostat s'activera dès que la température descendra en-dessous de 14°C, mais il s'arrêtera quand la température aura atteint 15°C. Pour modifier la valeur de l'hystérésis, il faut modifier la valeur de R7 : plus sa valeur est faible et plus l'hystérésis augmente (avec R7 = 10 kO, l'hystérésis est de 7°C environ, et avec R7 = 1 MO, il est de l'ordre de 0,1°C). Pourquoi avoir ajouté R6 et le transistor Q1 ? Comme les entrées inverseuse et non-inverseuse du LM311 ont été inversées, le thermostat avait la fâcheuse tendance à se mettre en route quand la température dépassait le seuil, ce qui n'était pas vraiment l'effet recherché. Pour contrer ce comportement plus que discutable, le transistor Q1 a été ajouté, il fonctionne en interrupteur inverseur logique. Et comme la sortie du LM311 se fait sur un collecteur ouvert, on est obligé d'ajouter une résistance de charge qui va au +Alim, c'est le rôle de R6. Sans elle c'est comme à la roulette, rien ne va plus.

Brochage du LM35 et du triac

Attention, brochage du LM35 vu de dessous !

LM35 - Brochage Capteur Temp 001 - LM35

+Vs = alim positive, à relier au +12 V du montage
Vout = tension de sortie proportionnelle à la température, à relier à l'entrée non inverseuse du comparateur
GND = masse.

Pour le triac, attention aussi au brochage :

Triac Triac 8A / 400V

L'inversion des deux broches A1/MT1 et A2/MT2 n'est pas dangereuse, mais elle peut conduire à un dysfonctionnement. La gachette quant à elle n'a pas intérêt à se retrouver sur le secteur... Prenez toutes les précautions qui s'imposent avec ce montage qui est relié au secteur : coffret en plastique de préférence (si métal, le relier à la terre), câblage soigneux... et pas de doigts n'importe où quand il est sous tension !

Prototype

Aucune photo à proposer de mon côté, mais...

Prototype de Joseph D.
Version 002b.

thermostat_002b_proto_jd_001a thermostat_002b_proto_jd_001b

Retour de Joseph :
J'ai refait le circuit imprimé selon le schéma 002b et cela fonctionne parfaitement. Je vais deplacer le LM35 avec un petit câble blindé (2 fils + masse) pour qu'il ne soit pas perturbé par la température dans le boîtier. Le triac est un modèle isolé, je vais mettre 2 LED sur le boîtier.

Merci pour ce retour !

Circuit imprimé

Non réalisé.

Historique

08/03/2015
- Ajout photos du prototype de Joseph D., que je remercie.
09/03/2014
- Ajout schéma 002b avec hystérésis 1°C.
21/03/2010
- Première mise à disposition.