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Commande de chauffage électrique
avec solid state relais
Chauffage
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Pour chauffer une chambre qui n'est utilisée que pendant quelques semaines par an, un petit chauffage électrique suffit amplement (pour autant que votre charmbre, vous ne la voulez pas à 23°).

Les chauffages électriques ont généralement un thermostat intégré, une version mécanique à bi-métal (ou bilame). Le contact du bi-métal doit commander un courant important (10A) et s'use au fil du temps. Pourquoi ne pas fabriquer un thermostat électronique?

Les thermostats à bi-métal ont un fonctionnement en tout-ou-rien. Cela n'a pas d'effet négatif grâce à l'inertie thermique (radiateur à huile). Le thermostat est placé près du radiateur même, ce qui nous donne un fonctionnement à anticipation (le chauffage est déclenché avant que la température voulue est atteinte). C'est l'idéal, car l'huile va encore continuer à chauffer un peu. Un chauffage bien conçu peut stabiliser la température d'une pièce à moins d'un degré près.

L'équivalent électronique doit avoir au minimum les mêmes caractéristiques. Le circuit est très simple: nous avons une alimentation qui nous fournit +15V et -15V (non stabilisé, mais la tension ne peut exéder 18V pour éviter la destruction de l'ampli 741). L'ampli opérationnel fonctionne en comparateur et compare la tension aux bornes de la résistance NTC par rapport à une tension fixe.

Le thermostat d'ambiance d'origine n'est pas supprimé, il sert simplement de protection (on le règle par exemple sur 25°). Comme il ne commute plus, il ne s'use pratiquement pas non plus.

L'avantage d'une résistance NTC (par rapport à une résistance Pt100 ou Pt1000) c'est que la variation en résistance est plus importante: il est donc plus aisé de détecter une augmentation de la température. L'inconvénient, c'est qu'il n'y a pas vraiment de valeur standardisée et que le rapport température/résistance n'est pas linéaire. Cela n'a pas d'importance pour cette application (avez-vous déjà remarqué qu'aucun thermostat de radiateur n'a aune indication en dedrés, mais des chiffres 1 - 2 - 3 - 4 - 5 ?

L'idéal c'est d'utiliser la valeur de résistance NTC la plus élevée possible, cela permet de limiter le courant (et donc l'échauffement de la sonde). Si la valeur de la résistance NTC est élevée (par exemple 10kΩ), on choisit comme valeur pour la seconde résistance également 10kΩ (à la place de 3.3kΩ). L'entrée positive doit avoir le même rapport de résistances.

Avec ce thermostat, nous voulons éviter un fonctionnemet en tout-ou-rien. La résistance de 330kΩ fait que quand on s'approche de la température correcte, la tension à la sortie diminue (la commutation se fait avec une différence de température de 0.3° environ entre fonctionnement à 100% et arrêt du chauffage). La résistance diminue l'amplification de l'ampli (contre-réaction négative). La valeur de la résistance doit être 100 à 150× plus élevée que la valeur totale du pont de résistances branché à l'entrée négative de l'ampli.

Mais le solid state relay ne fonctionne qu'en tout-ou-rien, il n'est pas possible de commander le chauffage comme on modifie l'intensité d'une lampe avec un gradateur à triac classique. Il faut transformer notre gradateur à commande par angle de phase en gradateur à commande par train d'onde. Ce problème est aisément résolu avec un petit condensateur de 22µF. Quand le chauffage doit fonctionner ou est à l'arrêt, ce condensateur n'a aucun effet. Ce n'est que quand la température est dans la zone intermédiaire que l'ampli opérationnel fournit un signal pulsé, dont le rapport dépend de la température. Plus il fait chaud, et plus l'impulsion est courte (cela se joue sur environ 0.3°C). Le condensateur est placé dans une boucle de contre réaction positive et produit un basculement continu dans une gamme de températures de 0.3°. La fréquence ne joue aucun rôle, une période de 1 à 10 secondes est bonne (22 à 220µF pour une NTC de 150Ω, 2.2 à 22µF pour une NTC de 1.5kΩ).

Par rapport à un relais classique, une tension d'enclenchement très faible est suffisante (3V, 20mA) et le relais ne s'use pas, même si on le fait commuter une fois par seconde. Par contre, il y a une chute de tension interne, qui fait que le relais ne peut être utilisé qu'avec un refroidisseur assez important (de préférence 100cm2).

Le branchement est tout simple: le relais statique a une entrée à courant continu commandée en courant (20mA, 10 à 50mA autorisés) et une sortie pour le courant alternatif.

A droite: vidéo du fonctionnement intermittent du thermostat quand la température de consigne est atteinte. Il y a une zone de fonctionnement intermittent de 0.3°

La zone entre allumage 100% et arrêt peut être rendue plus large ou plus étroite en modifiant la valeur de la résistance de 330kΩ. Une valeur plus basse rend la zone de réglage plus grande (gain de la boucle d'asservissement plus lâche) tandis qu'une valeur plus élevée peut produire un effet de pompage (oscillation de la température mesurée).

La période du train d'onde ON/OFF dépend de la valeur du condensateur (ici avec 10µF). une valeur entre 22 et 220µF est recommandée.

Pour commander un petit chauffage de 1500W il faut un solid state relais qui puisse commuter au moins 8A. La dissipation de puissance est de 8W (la chute de tension alternative quand le relais est en conduction est d'environ 1V). Pour une puissance plus élevée, il faut évidemment un relais solid state plus puissant. Le modèle montré en haut à droite permet de commuter 16A.

Le thermostat électronique peut fonctionner comme thermostat à anticipation s'il reçoit une petite partie de la chaleur dissipée au relais. Le thermostat se déclenche plus rapidement (avant que la température ne soit atteinte) pour éviter les overshoot (dépassement de la température). Il ne faut pas placer le capteur trop près du relais, celui-ci pouvant devenir très chaud.

Si on utilise le chauffage électrique à petite puissance (par débranchement d'une des résistances) la dissipation dans le relais sera également moindre: le fonctionnement de l'anticipation reste valable à toutes les puissances.

La partie frais de chauffage se trouve sur la page index.

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