Control automático de temperatura con TIP31, amplificador operacional 741 y relé
Introducción
En electrónica, muchas aplicaciones requieren activar o desactivar un dispositivo cuando la temperatura alcanza un determinado valor. Por ejemplo, podemos encender un ventilador cuando un disipador se calienta demasiado, activar una alarma térmica o controlar un sistema de calentamiento.
En esta práctica construiremos un interruptor electrónico activado por temperatura, utilizando un transistor TIP31 como sensor térmico, un amplificador operacional 741 como comparador y un transistor 2N2222 para accionar un relé de 5 V.
El circuito permite ajustar mediante un potenciómetro la temperatura a la que se activa el relé. De esta manera, podemos modificar el umbral de actuación sin cambiar los componentes del circuito.
[IMAGEN 1. Esquema completo del circuito en Proteus.]
1. ¿Cómo funciona el circuito?
El funcionamiento se basa en comparar dos tensiones eléctricas:
El amplificador operacional 741 compara ambas señales. Cuando la tensión procedente del sensor alcanza el umbral establecido, su salida cambia de estado y activa la etapa de control del relé.
Podemos dividir el circuito en cuatro bloques:
Sensor de temperatura con transistor TIP31.
Ajuste del umbral mediante RV1.
Comparador de tensión con el LM741.
Etapa de accionamiento con transistor 2N2222 y relé de 5 V.+
[IMAGEN 2.Vista tridimensional de la placa PCB, donde se aprecian los componentes y su distribución.]
2. El TIP31 como sensor de temperatura
El TIP31 es un transistor NPN de potencia que normalmente se utiliza para controlar cargas eléctricas. Sin embargo, en este circuito se aprovecha una característica de los transistores de silicio: la tensión entre base y emisor cambia con la temperatura.
Cuando el transistor conduce, la tensión base-emisor (VBE) disminuye generalmente al aumentar la temperatura, si la corriente se mantiene aproximadamente constante. Como referencia, el coeficiente térmico suele estar alrededor de −2 mV/°C, aunque el valor real depende de las condiciones de funcionamiento y del transistor utilizado.
En el circuito, R3 proporciona polarización a la base del TIP31, mientras que R4 participa en la red de polarización del sensor. La tensión obtenida en el emisor se utiliza como señal relacionada con la temperatura.
Cuando el TIP31 se calienta, la variación de su tensión base-emisor modifica la tensión que recibe el comparador.
¿Cómo podemos calentar el sensor?
Para comprobar el funcionamiento del circuito, el TIP31 puede colocarse en contacto térmico con la superficie cuya temperatura deseamos vigilar, siempre que el montaje garantice el aislamiento eléctrico necesario.
También puede calentarse de manera controlada durante una prueba. Es importante evitar aplicar calor excesivo directamente al encapsulado y no confundir la temperatura del transistor con la temperatura exacta del objeto que estamos midiendo.
[IMAGEN 3. Fotografía o detalle del TIP31 identificado como Q2 en la placa.]
3. El potenciómetro RV1: ajuste de la temperatura de activación
El potenciómetro RV1, de 500 kΩ, permite modificar la tensión de referencia aplicada a una de las entradas del amplificador operacional.
En el esquema, R1 y RV1 forman parte de la red de referencia, mientras que la señal relacionada con la temperatura llega a la otra entrada del 741.
Al girar el potenciómetro, cambia la tensión de referencia y, por tanto, cambia el punto en el que el comparador conmuta.
En términos prácticos:
Un ajuste establece un umbral de temperatura más bajo.
Otro ajuste establece un umbral más alto.
Al alcanzar el umbral correspondiente, la salida del circuito cambia y el relé se activa.
Importante: no se puede afirmar de antemano qué sentido de giro aumenta o disminuye la temperatura de activación sin analizar la conexión exacta del potenciómetro y las entradas del comparador. Esto se debe comprobar experimentalmente.
Tampoco debemos asumir que la posición del potenciómetro corresponde directamente a una temperatura en grados Celsius. Para obtener una escala térmica real, es necesario calibrar el circuito con un termómetro de referencia.
4. El LM741 como comparador
El integrado U1 es un amplificador operacional LM741.
Aunque normalmente se utiliza para amplificar señales analógicas, también puede emplearse como comparador en circuitos sencillos, comparando las tensiones presentes en sus entradas.
Su funcionamiento básico es el siguiente:
Si la tensión de la entrada no inversora (+) es mayor que la tensión de la entrada inversora (−), la salida tiende a desplazarse hacia el nivel positivo.
Si la tensión de la entrada no inversora (+) es menor que la tensión de la entrada inversora (−), la salida tiende a desplazarse hacia el nivel negativo.
La salida real no alcanza necesariamente los valores de alimentación del integrado. Además, el LM741 tiene limitaciones de rango de entrada y excursión de salida, por lo que deben respetarse sus condiciones de funcionamiento.
En nuestro circuito, el comparador transforma una variación relativamente pequeña de tensión producida por el sensor en un cambio de estado suficientemente grande para controlar la siguiente etapa.
[IMAGEN 4. Acercamiento al LM741 y las conexiones de sus entradas en el esquema.]
¿Por qué utilizamos un comparador?
El cambio de tensión del sensor puede ser pequeño y gradual. Por sí solo, no es adecuado para activar directamente un relé.
El comparador permite establecer un umbral: mientras la señal se encuentre de un lado de ese umbral, la salida permanece en un estado; cuando lo cruza, cambia al estado contrario.
Este comportamiento convierte una señal térmica variable en una orden de control.
5. El transistor 2N2222 y el relé de 5 V
La salida del LM741 controla la base del transistor Q1, un 2N2222.
Este transistor funciona como interruptor electrónico para la bobina del relé RL1.
Cuando recibe una corriente de base suficiente, conduce y permite que circule corriente por la bobina. El campo magnético generado atrae el mecanismo interno del relé y cambia la posición de sus contactos.
Cuando el transistor deja de conducir, la bobina se desenergiza y el relé vuelve a su posición de reposo.
En el esquema también aparece D2, un diodo 1N4007 conectado en paralelo con la bobina. Su función es suprimir el pico de tensión inversa generado cuando se desconecta la bobina del relé, protegiendo al transistor de conmutación.
La resistencia R2, de 1 kΩ, limita la corriente que llega a la base del 2N2222. R5, de 220 Ω, forma parte de la alimentación de la etapa del relé en el esquema mostrado. Su valor y su disipación deben verificarse en el montaje físico, porque una resistencia en serie con la bobina reduce la tensión disponible y puede impedir que el relé se active correctamente.
[IMAGEN 5. Vista 3D de la placa, destacando el 2N2222, el relé, el diodo de protección y los terminales de salida.]
6. ¿Qué ocurre cuando aumenta la temperatura?
El proceso completo puede resumirse en las siguientes etapas:
El TIP31 detecta la variación térmica mediante el cambio de su tensión base-emisor.
La tensión del sensor cambia respecto a la referencia ajustada con RV1.
El LM741 compara ambas tensiones.
Cuando se alcanza el umbral, la salida del comparador cambia de estado.
El transistor 2N2222 conduce y energiza la bobina del relé.
Los contactos del relé cambian de posición y permiten controlar una carga externa.
La carga conectada a los contactos puede ser, por ejemplo, un ventilador o una señal de alarma, siempre que se respeten las especificaciones eléctricas del relé y las condiciones de seguridad correspondientes.
El esquema mostrado permite estudiar el principio de funcionamiento, pero conviene comprobar la polaridad de las señales y el estado de los contactos para determinar exactamente si el relé se activa al aumentar la temperatura o si la configuración actual produce el comportamiento contrario.
7. Calibración del circuito
Para que el circuito active el relé a una temperatura conocida, no basta con girar el potenciómetro hasta encontrar una posición que parezca adecuada. Es necesario realizar una calibración.
Una metodología sencilla consiste en:
Colocar un termómetro de referencia cerca del TIP31.
Encender el circuito y esperar a que se estabilice.
Ajustar RV1 hasta obtener la conmutación del relé a una temperatura determinada.
Registrar la temperatura y la posición del potenciómetro.
Repetir el procedimiento para otros puntos de temperatura.
Comprobar si el umbral se mantiene al repetir la prueba.
La calibración permite determinar la relación real entre la temperatura y el punto de activación.
Hay que recordar que la respuesta del sensor depende del contacto térmico, de la corriente de polarización y de la disipación propia del transistor. Por eso, el circuito debe considerarse inicialmente un detector térmico ajustable, no un termómetro de precisión.
8. Una mejora posible: histéresis
Un aspecto interesante para una futura versión del circuito es incorporar histéresis, utilizando realimentación positiva en el comparador.
Sin histéresis, si la temperatura se mantiene muy cerca del umbral, pequeñas variaciones eléctricas o térmicas pueden hacer que el relé se active y desactive repetidamente. Este fenómeno se conoce como conmutación inestable o repiqueteo.
Con histéresis se establecen dos umbrales:
Por ejemplo, podríamos diseñar el circuito para activar un ventilador a 50 °C y desactivarlo cuando la temperatura descienda a 45 °C. Estos valores son solamente ilustrativos; deben definirse según la aplicación.
La histéresis ayuda a evitar conmutaciones continuas y reduce el desgaste de los contactos del relé.
9. Actividad práctica propuesta
Para comprobar el funcionamiento del circuito, se propone que el estudiante realice las siguientes actividades:
Identificar los componentes que forman el sensor, el comparador y la etapa de potencia.
Medir la tensión del sensor a temperatura ambiente.
Medir las tensiones presentes en las entradas del LM741.
Girar lentamente RV1 y observar cómo cambia el estado de la salida.
Comprobar el momento en que se activa y desactiva el relé.
Calentar gradualmente el sensor y registrar la temperatura de conmutación.
Repetir la prueba para varios ajustes del potenciómetro.
Analizar la función del diodo conectado a la bobina.
Proponer una modificación que permita incorporar histéresis.
Comparar los resultados obtenidos en la simulación con los del circuito físico.
Los resultados pueden organizarse en una tabla con el ajuste de RV1, la temperatura medida, la tensión del sensor y el estado del relé.
Conclusión
Este circuito demuestra cómo una variación de temperatura puede convertirse en una acción de control mediante componentes electrónicos relativamente sencillos.
El TIP31 funciona como sensor térmico, el LM741 compara la señal con una referencia ajustable, y el transistor 2N2222 permite accionar un relé de 5 V sin exigir a la salida del amplificador operacional que suministre directamente la corriente de la bobina.
La práctica permite estudiar polarización de transistores, comparación de tensiones, conmutación electrónica y accionamiento de relés, además de introducir conceptos importantes como calibración e histéresis.
Como siguiente paso, se puede mejorar el circuito incorporando realimentación positiva al comparador para establecer temperaturas diferentes de activación y desactivación, consiguiendo un control térmico más estable.
Nota técnica: antes de montar el circuito, verifica el conexionado de las entradas del LM741, la alimentación del integrado, la corriente de la bobina y el valor de R5. El esquema de simulación es una referencia de funcionamiento y no garantiza por sí solo que todos los valores sean adecuados para el montaje físico.
Comentarios
Publicar un comentario