Fabriquer un controleur de résistance chauffante

 

 

La buée est l'ennemi de tous en astronomie. Beaucoup d'astronome amateurs utilisent des pares buées sur leurs instruments. Soient ils sont fabriqués maison, soit achetés. Mais dans certains cas et plus particulièrement pour les tubes possédant une optique à l'avant, un pare buée n'est pas suffisant. Il faut y adjoindre un système qui va permettre de légèrement chauffer l'optique pour passer au delà du point de rosée. Ce système de résistance chauffant peut très bien être adapté sur un miroir secondaire de télescope avec la même efficacité s'il n'y a pas d'optique à l'entrée du tube.

 

Il existe plusieurs manières de contrôler la température via une résistance chauffante. 

1. Simplement mettre du courant sur la résistance. Avec la formule P=Tension * Courant ( ou bien P=Résistance*courant² ou bien P=Tension²/Résistance)  on peut savoir combien de watts ( puissance ) on dissipe ( en général quelques Watts , suivant le diamètre du tube)
2. Moduler le signal en 1/0 ( PWM) pour avoir plus ou moins de puissance sur la résistance tout en économisant le courant
3. Utiliser le principe du thermostat : chauffer jusqu'à obtention d'une température puis couper
4. Utiliser un système combinant le PWM et le thermostatique

 Voici une loi empirique pour connaitre la puissance qu'il vous faut pour votre résistance chauffante : P(W)=0.06*diamètre (mm)+1.3

 

1. Le choix du système de chauffage

 

Si nous regardons ce qui existe sur le marché, les contrôleurs sont mono sortie, 2 sorties ou 4 sorties. Ils régulent en général le chauffage via la méthode PWM et un potentiomètre pour régler la puissance. Si nous voulons un système "plus intelligent" il faut alors débourser la modique somme de 250 euros environ.

Quitte à monter un contrôleur autant le faire intelligemment mais la solution est trop chère, qu'à cela ne tienne : nous le fabriquerons.

Lançons nous donc dans la fabrication d'un contrôleur de résistance chauffante qui gère le mode PWM et le mode thermostatique. Ce contrôleur possédera 2 sorties pour s'adapter à tout le monde, aura des prises RCA pour y monter toutes les résistances chauffantes du commerce et pourra s'adapter à tous les matériels : télescope, lunette, chercheur, oculaire, miroir secondaire....

 

2. Le choix technique

 

Le contrôleur fabriqué est largement inspiré du montage de Mr Gille Bonnet http://www.infobonnet.org/ . Je ne vais pas répéter ce qu'il a écris sur son site car les explications y sont et sont très bonnes. 

Il comporte 2 capteurs de température pour mesurer la température de l'air et celle de l'optique, c'est la différence entre les 2 qui définira le "taux" de chauffage à appliquer en mode PWM.

Le contrôleur sera fabriqué avec 2 sorties contrôlées indépendamment. De plus je veux pouvoir ajuster finement le seuil de réglage pour la thermalisation.

 

Le fait de pouvoir ajuster les seuils nous impose un capteur différent de la thermistance. J'ai poté pour 2 LM355 qui peuvent être ajustés avec de simples potentiomètres et qui se comportent comme des générateurs de tension.

 

Pour simplifier le montage le plus possible, j'ai essayé de limiter le nombre de composants différents( résistances, condensateurs, ...), ceci limite le nombre d'erreurs possibles si des personnes se lancent dans le projet sans trop connaître les composants électroniques.

 

Le contrôleur doit fonctionner en 12V ( voir 14V sur batterie), les composants choisis supporterons donc cette tension.

 

3. Simulation

 

Pour voir si tout va fonctionner correctement j'ai décidé de simuler un canal à l'aide du logiciel LTSpice qui est gratuit (http://www.linear.com/designtools/software/). Il permet de voir ce qui se passe en différents points à l'aide d'un oscilloscope virtuel.

Vous trouverez la simulation ouvrable avec LTSpice ici. Si ça vous intéresse mais sans obligation.

Voici le schéma de simulation d'un canal :

 

Et quelques explications pour ceux qui veulent un peu comprendre ce qui se passe.

 

L'alimentation stabilisée à gauche représente votre batterie de voiture qui est souvent à 14V en début de soirée.

Les 2 capteurs de température  LM355 ( air et barillet) sont remplacés par des générateurs de tension qui peuvent être ajustés dans la simulation pour voir ce qui se passe au niveau de RCH qui est votre résistance chauffante ( tout à droite)

Le composant U6 ( AmpliOp) compare la tension délivrée par les 2 LM355 et émet un tension proportionnelle à la différence de température

Le composant U4 (NE555) est traditionnellement utilisé comme oscillateur ( il oscille entre l'état 1 et l’état 0). On lui fait décrire ici un triangle ( pas très propre mais c'est pas grave pour notre application). Il oscille donc avec une rampe entre le 0V et Vmax puis diminue doucement vers le 0 et ainsi de suite

Le composant U5 est aussi un ampli Op qui compare la tension délivrée par U6 ( proportionnelle à la différence de température) et celle délivrée par U4 qui est un triangle. Suivant la différence de température, la sortie sera donc plus ou moins longtemps à l'état 1. Plus la différence est grande, plus le temps à l'état 1 sera long ( on chauffe donc plus : magique c'est ce que l'on cherche).

Mais la sortie de U5 ne peut pas délivrer un fort ampérage nécessaire pour alimenter la résistance chauffante, on passe donc par un transistor ( IRF530) qui nous sert interrupteur piloté par la sortie de U5 et qui alimente RCH notre résistance chauffante.

 Pour le deuxième canal, on double les composants sauf le NE555 qui nous sert de générateur de triangle commun. ainsi chaque canal est totalement ondépendant de l'autre pour sa calibration

 

4. Nomenclature

  

Type	Quantité	Valeur	Remarque
Résistance	12	12 KΩ	Marron Rouge Orange Or
Résistance	2	1MΩ	Marron Noir Vert Or
Capteur Température	4	LM335Z
Trimmer	4	10KΩ	Sens de montage a respecter sinon les réglages seront inversés
Condensateur	3	0.1µF
Condensateur	1	22µF	Attention au sens le - (petite patte et écris sur le corps  du condensateur, le + la grande patte)
C.I.	1	NE 555	Attention au sens le petit ergot ( en bas à gauche sur le dessin) à mettre comme sur le typon
C.I. AOp	2	LM358	Attention au sens le petit ergot ( en bas à gauche sur le dessin) à mettre comme sur le typon
Transistor	2	IRF 630	Attention au sens Vue de dessus sur le typon.
LED	2	12V	Rouge en 12V, sinon ajouter une résistance en série avec la diode de R=(14-Vled)/Iled Vled et Iled se trouvent dans la datasheet
Bornier Vis	1

 

 Voilà pour le matériel à souder. Ajoutez à cela une boite plastique ( mini 112*66*28), 2 connecteurs pour les résistances chauffantes type RCA femelle ( le connecteur compatible avec les résistances chauffantes  du commerce) si vous les voulez démontables, 2 connecteurs mâle et 2 connecteurs femelle 3 broches pour les capteurs ( j'ai opté pour du DIN 3 broches) si vous voulez pouvoir les démonter aussi. Le controleur m'est revenu à moins de 40 euros avec le boitier, les connecteurs et les fils?

 

 5. Typon

 

 

6. Montage

 

6.1. avant de commencer

 

TB1 correspond à la mesure de température barillet 1 ( composant LM335Z), idem pour TB2

TA1 correspond à la mesure de température de l'air 1 (composant LM335Z), idem pour TA2

Le comparateur associé au canal 1 est le LM358-1

P1 ( proche du LM358-1 est le potentiomètre qui sert à calibrer la température Barillet 1, idem pour P1 proche de LM358-2

P2 ( proche du LM358-1 est le potentiomètre qui sert à calibrer la température Air 1, idem pour P1 proche de LM358-2

IRF530-1 correspond au transistor pour piloter la résistance chauffante branchée sur RCH1 ( + à gauche, - à droite), pour RCH2, le + est en bas, le - en haut

Les 4 trous noirs sont prévus pour accrocher les PCB dans la boîte

Il faut shunter ( relier par un fil) les 2 points 1 ensemble, les 2 points 2 et les 2 points 3.

 

6.2. Proposition de montage

 

1. Commencer par percer les 3 trous pour fixer le PCB

2. Agrandir les trous de l'alimentation au diamètre 1 mm

3. Agrandir les trous du potentiomètre à 1 mm ( suivant le potentiomètre que vous avez)

4. Agrandir les trous des 2 IRF ( diamètre 1 mm)

5. Souder les composants électroniques sauf les 2 diodes et les 2 IRF

6. souder les 2 IRF sans les enfoncer ( pour pouvoir les tordres si besoin est suivant la boite)

7. Souder les 2 leds en ajoutant du fil pour pouvoir les amener au niveau de votre boitier

8. Idem pour les connecteurs de résistance chauffante

9.Souder les shunts N°1 ( 20 mm),2 (40mm) et 3 (25mm)

10. souder les fils pour les capteurs et définir un ordre précis pour votre connecteur ( pour pouvoir l’inter-changer si besoin)

 

 6.4 Points de tests avant d'alimenter la carte

 

1. Vérifier que le + et le - de l'alimentation ne sont pas en court circuit.

2. Vérifier que le + de l'alimentation est bien relié au + de votre batterie ( le circuit n'est pas protégé, j’aurais du ajouter une diode de protection)

3. Vérifier que le + arrive en haut à gauche sur le CI NE555, en haut à droite sur les 2 LM358, sur le + de RCH1 et 2, sur le + des 2 leds

4. Vérifier que le - arrive en bas à gauche du NE555, en bas à gauche des 2 LM358, sur le - des 4 condensateurs

5. Vérifier que vous avez mi les composants dans le bons sens ( condensateurs, leds, IRF, NE555, LM358 ( avec les ergots))

6. Vérifier une deuxième fois votre connexion aux capteurs LM355Z

 

6.5. Calibrations des canaux

 

Si tout c'est bien passé, vous pouvez alimenter votre PCB et si vous êtes bon il n'y a pas eu de Pshhhhhhttttt

Il vous reste maintenant à calibrer les sondes de température. L'idée est qu'elles détectent la même température sur les deux sondes (air et barillet). Pour ce faire, on va jouer sur les potentiomètres associés.

On va comparer les tensions aux bornes de TB1 et TA1 ( idem pour TB2 et TA2) et jouer sur le potentiomètre associé pour avoir la même tension. Le LM355Z délivre 10mV/°C, on va donc amener les 2 capteurs à la même tension lors du test. Il suffit de pointer entre le - ( de l’alimentation par exemple) et la pastille carrée du composant TA(TB)

 Pour vérifier que cela fonctionne, poser votre doigt sur TB pour le chauffer, la diode doit se mettre a clignoter de plus en plus vite. Vous pouvez si vous le désirez mettre un offset pour toujours chauffer légèrement votre tube.

 

7. Quelques images

 

 

 

Voilà maintenant plus d'un 1 an que le mien fonctionne ainsi que ceux de mes camarades du club AG33. Aucun souci à l'horizon. J'ai personnellement ajouté un interrupteur sur le canal 2 en coupant la piste à la sortie du LM358 et en reliant la deuxième position sur la masse. Mes 2 capteurs de température de l'air sont logés dans la petite excroissance sur la droite de la boîte.

 Bon bricolage à vous et bien entendu, je me dégage de toute responsabilité si vous grillez quelques chose en vous basant sur ce montage.