Capable de mesurer la température ambiante de –50° à +150°C, il est non seulement utilisable pour la maison ou pour le bureau, mais également pour les pièces climatisées, les congélateurs, les fours, etc. Simple et compact, il utilise le circuit KTY10 comme capteur, et donne la température sur un écran LCD de 3 + 1/2 digits.
Un thermomètre est toujours utile, que ce soit en été ou en hiver, à l’intérieur comme à l’extérieur, à la maison ou au bureau, dans une serre ou un laboratoire. Quelles que soient sa forme et ses dimensions, on le trouve partout. Il peut être incorporé dans un appareil quelconque, posé sur un plan de travail ou bien suspendu n’importe où.
On l’utilise aussi bien dans notre vie quotidienne, que pour réaliser des opérations de mesure très précises en laboratoire. Quels que soient sa taille et son degré de précision, nous en avons toujours besoin.
C’est la raison pour laquelle nous vous avons concocté ce projet astucieux : un thermomètre électronique digital, avec affichage sur écran à cristaux liquides de 3 + 1/2 digits, un appareil très utile, bien fini, fiable et moderne, pouvant être utilisé dans de nombreuses applications si l’on considère que sa sonde peut prendre en compte des températures comprises entre –50° et +150°C. On peut même imaginer commuter des sondes différentes pour effectuer des mesures successives et cycliques sur deux ou plusieurs appareils différents.
L’écran LCD est très pratique puisqu’il permet de lire la température à distance et sans fatigue. L’assemblage compact permet au dispositif d’être monté sur des tableaux de contrôle. Sa faible consommation permet de l’alimenter par une simple pile de 9 volts. Monté dans un boîtier spécial, il constitue un instrument de laboratoire portable, au demeurant très précis.
La réalisation est simple et vous donnera entière satisfaction. Après vous avoir expliqué de quoi il s’agit dans les lignes qui suivent, nous en analyserons le schéma électrique.
Petite description
Comme vous pouvez le constater sur les photos, le montage est assez petit (90 x 55 mm). Il est composé d’un afficheur LCD, d’un voltmètre/ driver de type ICL7106, ainsi que d’un capteur de température à semi-conducteur KTY10 qui, extérieurement, ressemble à un transistor en boîtier TO-92 mais avec deux pattes seulement. L’épaisseur, volontairement réduite, facilite sa mise en place pratiquement partout, si bien qu’il peut être monté sur des appareils de poche.
Pour saisir comment fonctionne l’ensemble, il faut d’abord bien comprendre qu’il ne s’agit que d’un voltmètre digital dont la tension d’entrée est déterminée par un pont de Wheatstone dont fait partie le capteur marqué « VAR » sur le schéma. La température ambiante conditionne la tension appliquée à l’entrée du ICL7106, ce qui entraîne l’affichage de la valeur correspondante sur l’écran de 3+1/2 digit. Ainsi, quatre chiffres, dont le premier ne peut être qu’un 1, peuvent s’afficher, ce qui donne une précision au dixième de degré. Le chiffre (DIGIT) le plus à droite (dixième de °C) est séparé des autres par un point décimal.
Le coeur du circuit est le circuit intégré U3 qui est un ICL7106 Intersil, Maxim, etc. Il s’agit d’un très bon millivoltmètre électronique avec un driver pour le contrôle de l’affichage LCD. Il contient un convertisseur analogique/digital précis, une unité de contrôle ainsi qu’un décodeur qui répartit les données en sortie du convertisseur A/D en autant de groupes de bits, chacun comptant pour un chiffre.
Un oscillateur relié aux broches 38, 39 et 40 (OSC3, OSC2, OSC1) permet de générer le signal d’horloge pour le convertisseur, non seulement pour la logique du contrôle de l’affichage (fréquence d’horloge : 200 Hz) mais aussi pour le rafraîchissement du fond d’écran.
Ce rafraîchissement est en substance la polarisation de l’affichage LCD, qui, pour fonctionner correctement, requiert l’utilisation d’une tension alternative ou bien variable sur l’électrode placée sur le fond (backplane) de manière à créer le champ électrique nécessaire à l’affichage LCD, ainsi que pour les segments de chaque chiffre digital placé sur la partie arrière. Ces chiffres digitaux sont invisibles car réalisés avec de la résine transparente conductrice.
Pour ce qui concerne l’entrée, l'intégré ICL7106 prend la tension avec un circuit dif férentiel non référencé à la masse d’alimentation. Ii est en effet référencé à la broche 30. Puis il l’amplifie en utilisant un circuit à comparateur (réseau du zéro automatique dont font partie les broches 27, 28 et 29), ainsi qu’un intégrateur qui minimise le décalage de la mesure qui, ainsi, ne dépasse jamais 10 microvolts. Un résultat très satisfaisant.
Le ICL7106 comporte également un générateur de courant de référence interne qui fournit 2,8 V de moins que la tension appliquée à la broche d’alimentation positive (V+, broche 1).
La tension ainsi obtenue est disponible sur la broche COMMON (broche 32) qui constitue précisément le point de référence de la tension appliquée aux entrées 30 et 31.
La mesure s’effectue en trois phases qui sont répétées cycliquement : 1) Auto-Zéro : L’entrée différentielle est déconnectée en interne du ICL7106 des points IN (broches 30 et 31) et connectée sur le commun (broche 32) alors que le condensateur C2 est chargé par la tension de référence.
Ensuite, toujours en interne, le condensateur relié à la broche 29 est connecté en mode rétroaction par rapport au circuit composé du circuit différentiel d’entrée, du comparateur ainsi que de l’intégrateur.
2) Intégration du signal : La liaison interne est rétablie et la boucle de rétroaction de l’auto-zéro est éliminée. L’entrée différentielle est donc reliée aux broches (branchements) d’entrée du ICL7106 (les habituelles 30 et 31), et la sortie de l’étage différentiel fournit une tension qui sera intégrée par l’intégrateur interne. On obtient ainsi une impulsion en dents de scie qui s’interrompt après une brève période.
3) Dérivation : Durant cette dernière phase, la rampe produite par l’intégrateur est comparée au comparateur, ceci après que le IN LO (broche 30) ait été connecté de manière interne au COMMON (broche 32) et le IN HI au condensateur de référence C2. La liaison est ainsi réalisée de manière à forcer la charge du condensateur de l’intégrateur (C4, sur le circuit), ceci afin de déterminer la valeur de la tension d’entrée. Le circuit Intersil compte le temps nécessaire à la sor tie de ce même intégrateur pour retomber à zéro.
Il faut noter que pour faire en sorte que le pont de mesure (composé sur un bras de R2/VAR et sur l’autre de R7/R9) ait sa sor tie appliquée aux entrées différentielles (broche 30 et 31) tout en étant isolé de tout le reste, nous avons dû déconnecter les broches 32 et 35 de la broche 30.
Il est vrai que pour permettre un bon fonctionnement du millivoltmètre, la broche 32 (COMMON) de l’ICL7106 devrait être reliée au IN LO ou bien à la broche 30. Cependant, en procédant ainsi, le pont de Wheatstone se trouverait improprement connecté et serait référencé à la masse.
Les essais en laboratoire montrent qu’il faut appliquer la borne moins du millivoltmètre sur la tension de référence produite par les broches 32 et 35 et, bien sûr, la borne plus sur le +BAT (9 volts cc). Nous avons ainsi, sur les broches 30 et 31, une tension différentielle apte à piloter l’entrée du circuit.
Bien évidemment, le module doit être alimenté par une tension unique.
La broche COMMON (32) qui va normalement avec le IN LO (d'après le schéma de montage conseillé par le fabricant…), est en fait séparée de ce dernier. Elle est reliée à la broche REF LO (35), ceci afin de remplir les conditions décrites ci-dessus.
Le mécanisme de la mesure est le suivant : le changement de la température fait varier le courant qui traverse le capteur VAR. Il s’ensuit une baisse de tension enregistrée sur ses bornes, ce qui entraîne également une baisse de courant sur la broche 31 de ICL7106. En revanche, l’état de la broche 32 reste inchangé et se trouve à une tension constante imposée dès le départ par l’ajustable R9, qui sert à régler le zéro de l’échelle du thermomètre lors de la phase d’étalonnage. Par conséquent, la variation thermique produit une tension différentielle entre les broches 30 et 31, qui permet à l’afficheur à cristaux liquides de donner une indication précise. Par exemple, si la tension différentielle est de 100 millivolts, l’afficheur indiquera 100.0 puisque le point décimal est placé sur le dernier chif fre à droite (grâce au transistor jFET T1 piloté par l’intermédiaire des broches 21 et 37 de U1).
Notez que, la connexion directe avec entrée simple (broche 30 réunie aux 32 et 35), permet non seulement d’obtenir une précision maximale de la mesure, mais simplifie également beaucoup le premier étage du thermomètre.
Elle permet également de ne pas tenir compte de la caractéristique de variation °C/mA. Etant donné qu’en équilibrant comme il se doit le potentiel au repos, ceci grâce au trimmer R9 et à la résistance R8, le capteur s’adapte convenablement. Voilà pour ce qui concerne la mesure de la température.
Analyse du schéma électrique
Schéma électrique.
Liste des composants
R1 : 1 MΩ
R2 : 5,6 kΩ
R3 : 50 kΩ trimmer multitour
R4 : 47 kΩ
R5 : 100 kΩ
R6 : 4,7 kΩ
R7 : 47 kΩ
R8 : 1 MΩ
R9 : 50 kohm trimmer multitour
C1 : 100 nF multicouche
C2 : 100 nF multicouche
C3 : 100 pF céramique
C4 : 220 nF polyester
C5 : 470 nF polyester 63 V
C6 : 100 μF 16 V électrolytique
C7 : 1 μF 16 V électrolytique
C9 : 100 nF multicouche
U1 : ICL7106 driver pour afficheur LCD
DIS1 : Afficheur LCD 3 1/2 digit
BAT : Pile 9 V
T1 : Transistor FET BF245
VAR : Capteur KTY10
Divers :
- Bornier 2 pôles (2)
- Support ci 20 + 20 broches
- Strip 20 pôles au pas de 2,54 mm (2)
- Circuit imprimé réf. S268.
(Sauf spécification contraire, toutes les résistances sont des 1/4 watt 5 %).
Schéma d’implantation des composants
Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé
Analysons maintenant le schéma électrique dont quelques détails valent la peine d’être clarifiés. Partons de l’ajustable R3 qui sert à enregistrer l’état de l’étage différentiel d’entrée et, donc, d’étalonner parfaitement notre instrument en agissant sur la broche REF HI (36) et en appliquant une tension, variable dans certaines limites, entre 2,8 V et 2,68 V de moins que la tension de la pile. La tension fournie à la broche 36 permet d’ajuster finement la tension différentielle obtenue avec l’étage d’entrée de l’ICL7106, ceci afin de corriger l’éventuel décalage (offset) interne.
Le réseau C3/R5 sert à la temporisation de l’oscillateur d’horloge. De son côté, le réseau C4/R6/C5 est dédié à la section d’entrée pour réaliser l’autozéro que nous connaissons déjà, ainsi que l’intégration ou la désintégration (cette expression s’applique ici dans son acception de l’inverse de l’intégration et non de détruire !) de la tension différentielle. La résistance R1, montée en série sur la broche 31, permet d’adapter le capteur KTY10 à l’ICL7106 et fait aussi office de filtre avec le condensateur C1. Ainsi connecté, la sensibilité du millivoltmètre est portée à 199,9 mV en fond d’échelle. Pour ce qui concerne le point décimal, on utilise la broche 16, qui est la première et la plus à droite, et qui assure une lecture précise au dixième de degré C activé à l’aide d’un artifice, bien mis en évidence sur le schéma électrique.
Le jFET T1 a sa source reliée sur la broche 37 (TEST) et la gate (la porte) reliée au travers du condensateur C7, à la broche 21 (backplane) de U1.
Même chose pour le drain qui est monté avec une résistance pull-up (maintien de niveau haut) vers le plus de l’alimentation et connecté avec la broche 16 de l’afficheur LCD. Le FET entre en conduction grâce au signal rectangulaire qui traverse l’électrolytique C7 qui polarise le backplane de l’afficheur. Il alimente par impulsion le segment relatif au point décimal qui, par conséquent, paraît constamment éclairé, même si en réalité les impulsions sont rapides. L’affichage du point paraît plus distinct que les chiffres.
Lorsque sur l'afficheur 3 + 1/2 digit apparaît une valeur, ce n’est autre que la lecture du millivoltmètre. Il est donc évident que 100°C correspondent à 100 mV, 10°C à 10 mV, etc. Naturellement, le zéro après les dixièmes de millivolt est éliminé. Donc, les valeurs précédentes correspondent aux indications 100.0 et 10.0. Tenez compte de cela pour l’étalonnage.
Notez qu’au-dessus de 199,9 mV, donc dépassant 200 mV, l’ICL7106 passe en overflow (dépassement de capacité) et commande la broche 2 de l’afficheur (broche 20 de U1), ce qui fait apparaître, à gauche, le signe moins (–). Cette indication (de toute façon difficilement possible à moins de dérégler complètement R3) précise que les valeurs limites de mesure ont été dépassées et que la mesure est hors échelle. La broche 20 de U1 est celle qui permet de visualiser le signe de polarité de la tension appliquée entre + et – d’entrée. Cela, parce que notre appareil permet également de mesurer des grandeurs négatives en affichant le signe moins à gauche de l’afficheur et de n’afficher aucun signe si la grandeur mesurée est positive. La polarité est référencée par rapport aux points d'entrée et, dans la pratique, sert à savoir si la température est audessous ou au-dessus de zéro. Avec le câblage actuel, le moins (–) correspond à des valeurs négatives. Si la mesure est positive, aucun signe n’apparaît hormis les chiffres significatifs de la mesure. Tout cela étant dit, nous pouvons maintenant conclure la phase théorique en précisant que le module fonctionne avec une tension comprise entre 5 et 9 volts, et absorbe à peine 1 milliampère.
Caractéristiques techniques
Voici les principales caractéristiques du voltmètre proposé:
- Température mesurable ............................................. -50 + 150° C
- Tolérance de lecture .................................................. +/- 0,1° C
- Température de fonctionnement ............................... 0/50° C
- Tension d'alimentation .............................................. 9 Vcc
- Consomation (moyenne) ........................................... 1 mA
Par température de fonctionnement, on entend la température à laquelle doit se trouver le circuit intégré pour pouvoir fonctionner correctement.
En revanche, le capteur KTY10 peut être soumis à une amplitude comprise entre –50° et +150°C sans subir aucun dommage ni altération de fonctionnement.
Le capteur de température
Pour relever la température de l’air ou d’un liquide, nous avons utilisé un thermistor PTC, le KTY10. Ce thermistor ayant un coefficient de température positif, quand on le chauffe sa résistivité augmente, alors que cette dernière baisse quand on le refroidit.
Exception faite de la tolérance et de l’absence de linéarité, on peut dire que grâce au pont de Wheatstone, toute variation dans le circuit agit dans une proportion d’environ 1 mV / °C.
Ainsi, pour chaque variation d’un degré à la hausse ou à la baisse, il s’ensuit une hausse ou une baisse de 1 millivolt entre les broches 31 (reliée au KTY10) et 30 (référencée à une tension fixe grâce au trimmer R9 qui fixe le zéro).
A –50°C, il y a une baisse de –50 mV. A 0°C, il n’y a pas de chute de tension, alors qu’à +150°C, la hausse est d’au moins 150 millivolts (150.0 sur l’écran).
Le coefficient de température est d’environ 1,25 Ω/°C. Par exemple, une augmentation de 80°C entraîne une hausse de 100 Ω sur le thermistor. De –50°C à +150°C, l’amplitude est, par conséquent, de 250 Ω contre une résistance de 1,9 kΩ à 25°C.
Brochage ICL7106.
Notre thermomètre utilise le capteur KTY10 qui est en fait un thermistor (thermistance) PTC. Cela signifie que son coefficient de température est positif : en le chauffant, on augmente sa propre valeur résistive, de même quelle baisse quand on le refroidit. Le graphique de gauche montre le développement de la résistance de la sonde en fonction de la température : Rt = Kt x R25 = f (Ta), avec Ib = 1 mA et une résistance R25 de 2 kilohms. Le graphique de droite montre la relation entre le facteur de température (Kt) et la température elle-même.
Réalisation pratique
Pour réaliser le dispositif, il faut tout d’abord tirer le film pour la photogravure en faisant une photocopie du circuit du côté piste cuivre sur calque ou sur transparent (le circuit imprimé est fourni avec le kit).
Après avoir coupé et percé la carte, on peut commencer le montage des composants en suivant pas à pas le plan d’implantation, et en veillant à bien respecter les règles habituelles.
Commencez par les résistances et les supports du circuit intégré ICL7106 (20 + 20 broches DIL) et de l’afficheur (écran LCD). Pour ce dernier, il existe des connecteurs spéciaux composés de bandes de contact SIL au pas de 2,54 mm. Il est également possible de souder sur le circuit deux connecteurs femelles au pas de 2,54 mm, de 20 broches chacun. On peut également utiliser deux morceaux de 20 broches extraits d’un support comme celui qui est utilisé pour le ICL7106.
Continuez avec les condensateurs en veillant à la polarité des électrolytiques, et n’oubliez pas les deux potentiomètres ajustables multitour de type miniatures verticaux que, pour limiter la hauteur, nous vous conseillons de disposer couchés après avoir plié leurs pattes à 90°.
Le FET doit être inséré debout dans les trous réservés à cet effet, en plaçant sa partie plate vers l’extérieur du circuit imprimé. N’oubliez pas de souder les straps d’interconnexion (7 au total), qui servent à compléter les liaisons entre les différents composants.
Le circuit est désormais prêt. Le capteur de température KTY10 peut être monté hors de la platine. Il convient de le relier à celle-ci par deux bouts de fil de cuivre isolés d’une longueur maximale de 10 mètres, ou mieux, par un petit câble blindé à deux conducteurs avec tresse de blindage, cette dernière étant reliée à la masse et deux conducteurs au bornier les raccordant aux broches 30 et 31.
Le dispositif est complété par la mise en place du circuit intégré ICL7106 ainsi que de l’afficheur. Pour ces deux composants, il est essentiel de respecter le sens indiqué sur le dessin de montage, dans le cas contraire, le circuit ne pourrait pas fonctionner.
L'étalonnage
Une fois terminé et contrôlé, le thermomètre nécessite un réglage qui est dévolu à deux ajustable, ceci afin de garantir un bon fonctionnement et également obtenir la précision attendue.
Pour étalonner le dispositif, on peut procéder de diverses manières, même si le plus pratique et le plus rapide est de se procurer un multimètre digital à haute impédance d’entrée. Dans ce cas, il faut le régler sur l’échelle de 200 à 500 millivolts en tension continue, puis relier les bornes + et – respectivement aux broches 31 et 30 du circuit ICL7106.
Ensuite, on lit la valeur et on règle l’ajustable R3 afin d’avoir la même valeur sur l’afficheur. Ainsi, si le testeur indique une valeur de 40 mV, il faut tourner la vis de réglage de R3 dans un sens ou dans l’autre, jusqu’à obtenir 40.0 sur l’afficheur LCD. Le chiffre affiché, sera toujours pourvu d’un point.
Ceci fait, il faut régler l’autre ajustable.
Pour cela, il est indispensable de disposer d’un thermomètre témoin fiable que l’on disposera près du capteur KTY10. A la lecture de la valeur, on agit sur la vis de R9 de façon à obtenir exactement la même valeur. Prenons un exemple.
En supposant que nous ayons 30°C sur le thermomètre témoin, et une valeur de 20.0 sur l’afficheur LCD de notre circuit. Tournons la vis dans un sens ou dans l’autre pour faire monter la valeur de lecture à 30.0.
A présent, il faut faire un autre essai à zéro degrés par exemple, et modifier si nécessaire l’étalonnage de R3.
Naturellement, tout le processus que nous venons de décrire n’est valable que si le circuit est alimenté en 9 volts cc sur les bornes + et – BAT. L’alimentation peut être assurée, par exemple, par une pile 9 volts quelconque.
La consommation sera alors très légèrement supérieure à 1 milliampère.
La polarité est déterminante, et c’est pourquoi il faut se rappeler que le positif et le négatif vont respectivement sur le + et le – BAT. Si on utilise une pile, nous conseillons d’utiliser une prise appropriée, en veillant au bon raccordement du fil rouge (ou noir/blanc) sur le +BAT, et du fil noir sur le –BAT.
Une série de trois zéros ou bien de chiffres quelconques doivent apparaître aussitôt après avoir alimenté l’appareil.
Sur la gauche, il est possible que le signe moins clignote.
Une fois les réglages effectués, le thermomètre est prêt, et vous pouvez alors le monter dans le coffret de votre choix.
L’appareil n’a pas de limite d’utilisation, ni de prescriptions particulières, si ce n’est qu’il doit être tenu au sec et que le circuit imprimé ne doit pas être mis en contact avec des objets métalliques. Vous pouvez le mettre dans un de ces petits boîtiers utilisés pour les montages électroniques ou les installations électriques, sur le tableau d’un appareil plus grand, derrière un objet décoratif ou encore sous un cadre, etc.
Pour la mise en place du capteur, rappelez-vous que la longueur maximale du fil de raccordement est de 10 mètres. Veillez également à ce que les pattes du capteur ne soient en aucun cas en contact avec des objets métalliques, des conducteurs d’électricité et encore moins avec n’importe quel liquide. Au besoin, isolez-les avec une gaine thermorétractable ou du mastic silicone.
Pour relever la température dans une cuve ou tout autre récipient, il faut insérer le KTY10 au fond d’un tube étanche ou dans une éprouvette en verre peu épais et Immerger l’ensemble après l’avoir fixé correctement.
Il est évident que dans ce cas la lecture s’effectuera avec un certain retard, dû à la lenteur avec laquelle la température se transmet du liquide au verre, puis du verre au capteur.
Conclusion
Ce thermomètre électronique digital est un dispositif fiable et polyvalent, capable de mesurer des températures allant de -50°C à +150°C avec une précision de ±0,1°C. En utilisant un capteur de température KTY10 intégré dans un pont de Wheatstone, et un circuit intégré ICL7106 pour la conversion analogique-numérique, il fournit une lecture précise de la température sur un écran LCD 3 + 1/2 digits.
Grâce à sa conception compacte et sa faible consommation, ce thermomètre peut être utilisé dans une variété d’applications, qu'il s'agisse de contrôles domestiques, de surveillance de pièces climatisées, de congélateurs, de fours ou même d'instruments de laboratoire. De plus, il peut être monté sur des panneaux de contrôle ou utilisé comme dispositif portable, alimenté simplement par une pile de 9 volts.
La fabrication du circuit est relativement simple, et avec un bon suivi des instructions, chacun peut obtenir un instrument performant et précis. Ce projet montre bien comment un montage électronique bien pensé peut répondre à des besoins pratiques avec une grande efficacité.
