Termostato

El termostato es un dispositivo de control automático que regula la temperatura de un sistema, ya sea calentándolo o enfriándolo según sea necesario, para mantener una temperatura deseada o cercana a ella.

Su principio de funcionamiento se basa en la detección de la temperatura y la posterior activación o desactivación de un sistema de calefacción o refrigeración.

El termostato es uno de los sensores más utilizados en sistemas donde se desea mantener una temperatura estable dentro de un rango predefinido, con aplicaciones que van desde el confort doméstico hasta procesos industriales críticos.

La elección del tipo de termostato adecuado, considerando sus características y la aplicación específica, es fundamental para garantizar un funcionamiento eficiente y seguro del sistema.

La evolución tecnológica ha dado paso a termostatos cada vez más sofisticados, capaces de integrarse con tecnologías modernas como la domótica y la inteligencia artificial.

Imagen de un detector de temperatura

El símbolo del termostato es el siguiente:

Símbolo del termostato
Contenidos
  1. Funcionamiento del Termostato
  2. Tipos de Termostatos
  3. Características Técnicas del Termostato
  4. Esquema de Conexión del Termostato
  5. Aplicaciones del Termostato

Funcionamiento del Termostato

La función básica del termostato es la de medir la temperatura del entorno o de un componente para poder mantenerla dentro de un rango establecido activando o desactivando un dispositivo (calentador, ventilador, compresor, etc.).

Por ejemplo, en un sistema de calefacción, el termostato enciende el calentador cuando la temperatura baja de un valor mínimo y lo apaga cuando se alcanza el nivel deseado.

La base del funcionamiento de un termostato reside, por tanto, en la detección de la temperatura y la posterior acción correctiva. Generalmente, esto implica:

1º) Sensor de temperatura: un elemento que reacciona a los cambios de temperatura, generando una señal física (mecánica, eléctrica, etc.).

2º) Mecanismo de control: un sistema que interpreta la señal del sensor y decide si es necesario activar o desactivar el sistema de calefacción o refrigeración.

3º) Actuador: un dispositivo que ejecuta la orden del mecanismo de control, como un interruptor.

Respecto a las consideraciones de diseño e instalación, el termostato debe colocarse en un lugar representativo de la temperatura ambiente, lejos de fuentes de calor o frío directas, corrientes de aire y luz solar.

Los termostatos son bastante compactos para aplicaciones domésticas, aunque en las aplicaciones industriales los modelos son más grandes. Hay diversas opciones de montaje: en pared, carril DIN, empotrado o portátil.

Tipos de Termostatos

Básicamente, los termostatos se pueden clasificar según su principio de funcionamiento y su tecnología, en 3 tipos:

Termostatos Mecánicos

Son termostatos simples, de bajo coste, que no requieren alimentación eléctrica. No obstante, tienen menor precisión y mayor histéresis (diferencia entre la temperatura de encendido y apagado) en comparación con los electrónicos.

Hay varios tipos, entre los que destacan los siguientes:

Tira bimetálica: consiste en 2 metales con diferentes coeficientes de dilatación unidos entre sí. Al variar la temperatura, la diferente expansión de los metales provoca una curvatura de la tira, que acciona un interruptor. Son comunes en aplicaciones domésticas sencillas.

Bulbo de expansión de fluido: un bulbo lleno de un fluido (líquido o gas) se expande o contrae con los cambios de temperatura. Esta expansión o contracción se transmite a través de un tubo capilar a un fuelle o diafragma que acciona un interruptor. Se utilizan en hornos, calentadores de agua y sistemas de calefacción.

Termostatos Electrónicos

Estos termostatos ofrecen mayor precisión, menor histéresis, mayor flexibilidad, posibilidad de programación y control remoto. Por supuesto, requieren alimentación eléctrica.

Utilizan sensores electrónicos como termistores (NTC o PTC), termopares o termorresistencias (RTDs: Detectores de Temperatura Resistivos) para medir la temperatura. Estos sensores generan una señal eléctrica que es procesada por un circuito electrónico.

Muchos termostatos electrónicos incorporan microcontroladores que permiten una mayor precisión, programación de horarios, pantallas digitales, control remoto y otras funciones avanzadas.

Termostatos Inteligentes

Los termostatos inteligentes o conectados ofrecen mayor comodidad, control remoto, monitorización del consumo energético e integración con otros dispositivos inteligentes del hogar.

Se conectan a redes Wi-Fi o a través de otros protocolos de comunicación, permitiendo el control remoto a través de smartphones, tablets u ordenadores.

Algunos modelos utilizan algoritmos de aprendizaje automático para optimizar el consumo energético y adaptarse a los hábitos del usuario.

Características Técnicas del Termostato

Los parámetros principales de los termostatos son:

Rango de temperatura: es el rango de temperaturas dentro del cual opera el termostato. De -10 °C a 120 °C en aplicaciones estándar; hasta 600 °C en termostatos industriales especializados.

Precisión: representa la exactitud con la que el termostato mide y mantiene la temperatura.

Histéresis (o diferencial): es la diferencia entre la temperatura de encendido y apagado. Un valor bajo proporciona un control más preciso, pero puede provocar ciclos cortos (encendido y apagado frecuentes) que desgastan el sistema.

Sensibilidad: es la rapidez con la que el termostato responde a los cambios de temperatura. En termostatos mecánicos la respuesta es más lenta debido a la inercia térmica. En termostatos electrónicos la respuesta es rápida, en milisegundos.

Alimentación eléctrica: si requiere alimentación y el voltaje. Las opciones comunes son 12 V CC o 24 V CC para aplicaciones electrónicas, o 220-240 V CA para sistemas domésticos.

Capacidad de control: el termostato básico de un solo punto (ON/OFF) funciona como un interruptor que activa o desactiva un dispositivo. No obstante, existen termostatos modulares o proporcionales que regulan la temperatura de forma continua ajustando la intensidad del sistema (controladores PID en sistemas industriales).

Tipo de salida: el termostato puede tener diferentes salidas. Las más habituales son:

Contactos: simplemente actúa como un sensor con salida de contacto mecánico, activando un contacto normalmente abierto (NA) o normalmente cerrado (NC).

Relé electromagnético: actúa como un sensor con salidas con relé electromagnético, incorporando un relé interno que requiere alimentación eléctrica externa para su funcionamiento.

Salida analógica: para sistemas de control proporcional. Suelen dar una salida en intensidad de 4-20 mA, o en tensión de 0-10 V.

Salida digital: para diferentes prototocolos de comunicación, como RS485, Modbus o Wi-Fi.

Esquema de Conexión del Termostato

A continuación, se muestra un ejemplo sencillo de esquema de contactor controlado por un termostato, con sus circuitos de control y potencia.

En este esquema de funcionamiento de un calefactor, se añade un termostato para controlar la temperatura del ambiente. Un exceso de temperatura desconectará el calefactor.

El circuito funciona de la siguiente manera:

1º) Estado normal: el termostato B1, en condiciones normales de temperatura (es decir, temperatura por debajo del umbral de exceso de temperatura), mantiene su contacto NC cerrado. Este contacto permite que la corriente pueda fluir a través del circuito de control, alimentando la bobina del contactor KM1.

Si se acciona el interruptor de marcha S1, la bobina del contactor cierra sus contactos principales en el circuito de potencia, permitiendo que la corriente llegue al calefactor y lo ponga en marcha.

2º) Estado de exceso de temperatura: cuando la temperatura ambiente supera el umbral preestablecido en el termostato B1, este abre su contacto NC. Al abrirse, se interrumpe la corriente en el circuito de control, dejando sin alimentación la bobina del contactor.

Esto provocará la apertura de sus contactos principales en el circuito de potencia, cortando el suministro de energía al calefactor.

3º) Vuelta al estado normal: una vez que la temperatura ambiente desciende por debajo del umbral de exceso de temperatura (y considerando la histéresis del termostato, que evita continuos encendidos y apagados), el termostato B1 cierra nuevamente su contacto NC.

La bobina del contactor vuelve a alimentarse, cerrando los contactos principales y poniendo en marcha el calefactor. Funcionará de forma cíclica mientras no se desconecte el interruptor S1.

El sistema mantiene automáticamente la temperatura dentro del rango deseado, evitando el consumo innecesario de energía al apagar el calefactor cuando se alcanza la temperatura deseada.

Esquema ejemplo del circuito de potencia de un calefactor con un termostato para controlar la temperatura del ambiente
Esquema ejemplo del circuito de mando de un calefactor con un termostato para controlar la temperatura del ambiente

Aplicaciones del Termostato

Los termostatos son dispositivos versátiles con aplicaciones en diversos campos:

Sistemas HVAC: regulan la temperatura en edificios residenciales y comerciales, mejorando la eficiencia energética mediante programación y control remoto.

Electrodomésticos: garantizan la seguridad y la eficiencia de los aparatos, tales como hornos, refrigeradores, planchas y calentadores de agua.

Automoción: controlan la temperatura del motor, asegurando un funcionamiento eficiente y evitando sobrecalentamientos.

Procesos industriales: mantienen temperaturas constantes en procesos como la fabricación de plásticos, alimentos y productos químicos.

Equipos médicos: regulan la temperatura en equipos de laboratorio, incubadoras y dispositivos de esterilización.

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