Простой регулятор температуры

Широкое распространение в промышленности получили электронные регуляторы температуры. Примером подобного прибора могут быть изделия фирмы Овен, такой как ТРМ 1 и подобные. Эти регуляторы рассчитаны на использование совместно с метрологически аттестованными датчиками температуры:  ряд термопар K, L типа и др. , а также термосопротивления такие как ТСП, ТСМ. Значительно реже находят применение (в основном для приборов управления вентиляцией) термисторы  NTC и RTC или термосопротивления на основе никеля.

С  точки зрения альтернативы подобным приборам для использования в «бытовом» диапазоне контролируемых сред позиционируются приборы с датчиками типа  DS18B20, представляющие собой электронную микросистему, включающую электронный датчик температуры , на базе полупроводников и цифровой части аналаго-цифрового преобразования и цифрового информационного обмена с микроконтроллером по линии 1-wire.    

В статье [1 ] автором , в качестве основы для регулятора температуры обогрева приточной вентиляции, был использован прибор EVK201, изначально предназначенный для управления холодильным оборудованием. Прибор  же EVK201, в этом случае, подлежал некоторой переделке , связанной со сменой вида регулятора с управления холодильником на управление нагревателем. Такая переделка, однако,  требовала нехитрых манипуляций с прибором EVK201, требующих определенного уровня радиолюбительской квалификации.

Являются ли эти решения обоснованными сточки зрения цены и качества в полной мере? Думается что далеко не всегда. Особенно затруднено их применение в отдаленных районах вдали от сервисных центров и поставщиков электроники.  Предлагаемая здесь схема регулятора температуры достаточно проста  и не содержащего дефицитных деталей. Этот регулятор рассчитан на бестрансформаторное питание, что также удешевляет его реализацию. В качестве датчиков температуры задействуются один или несколько кремниевых диодов, которые показывают хорошую линейность температурной характеристики в широком диапазоне температур  (-60 -- +120), на что обращалось внимание в предыдущей статье автора [3 ].

Основу схемы простого регулятора температуры составляет дифференциальный усилитель на базе операционного усилителя (желательно с микропотреблением) таких как , к примеру К153уд4. С успехом впишутся в данную технологию и  такой усилитель , как к140уд12 или зарубежный  популярный LM358.  Усилитель в схеме работает в режиме компаратора.  

Рис 1. Принципиальная схема регулятора

Поскольку напряжение питания усилителя (+5В) ниже минимально допустимого для микросхемы К153УД4, то, с целью исключить влияние нелинейности переходной характеристики в зоне малых напряжений, активная зона чувствительности выведена на середину напряжения питания (ок 2,5В) посредством балансировочных резисторов R5 и R7. Такая балансировка, кроме всего прочего, служит для снижения уровня опасности от случаев замыкания проводов температурного датчика на корпус устройства , повышая электрическую безопасность, столь важную для устройств с бестрансформаторным питанием и отсутствием гальванической развязки от напряжения сети. Даже при нарушении герметичности температурного датчика, прикосновение к его частям уже  не представляет никакой опасности.  Сам же температурный датчик при изготовлении надежно изолируют, используя, герметик и термоусадочную трубку.  В качестве датчика удобно использовать кремниевые диоды , имеющие выводы на одну сторону, например, как КД518 и подобный.

Рис 2 Кремниевые диоды на фоне транзистора КТ315

Если эксплуатация регулятора ожидается среде, характеризующейся неблагоприятными факторами, такими как влажность, вибрации и колебания температуры , устройство целесообразно выполнить в виде «эпоксидного брикета», технологии, описанной в более ранних статьях [ 2].   На фото 1 представлено готовое устройство регулятора.

Фото 1 

Для испытания работы регулятора температуры был проведен натурный эксперимент, который представлен на  прилагаемом видео.

В качестве нагревателя было удобно использовать лампу накаливания. На видео хорошо видно, что при установке датчика температуры непосредственно на колбу лампы , после нескольких секунд «перерегулирования» , система устанавливается в динамическое равновесие, которое характеризуется  достаточно частым включением и отключением нагревателя. Интересно отметить, при этом,  что не доходя  до порога переключения 2—3 град силовой симистор начинал работать на одной полуволне сетевого напряжения. Это свойство регулятора является неоспоримым плюсом, который существенным образом снижает уровень перерегулирования (термодинамической ошибки) работы схемы. В таком экспериметально-испытательном режиме схема  проработала несколько дней, причем лампа накаливания не перегорала при этом ни разу. Это, попутно, наводит на мысль, что и время жизни самих ламп накаливания удавалось бы существенно увеличить, осуществляя ее включение и отключения в моменты перехода сетевого напряжения через нулевой уровень.    Отметим также, что данная схема применима для активных нагрузок (лампы накаливания, ТЭНы  и т.п. ).

На схеме рис 1  представлена схема регулятора «общего назначения» , работающего в диапазоне температур 0—30 Град. Если требуется температурный регулятор на какой-либо узкий диапазон температур схему можно доработать. Так, для управления тепловым режимом в инкубаторе (рабочий интервал температур 35-43 град), схема дифференциального усилителя будет выглядеть , как показано на рис2 (сам температурный датчик состоит здесь уже из двух, соединенных последовательно, кремниевых диодов).

Обходя витрины магазинов запчастей бытовой электротехники можно иногда встретить в продаже  начинку бытового тепловентилятора (фото 2).

Фото 2

Такая сборка содержит, кроме проволочного нагревателя из нихрома, также термостат (фото 3), как терморегулирующий элемент и, иногда,- термопредохранитель.

 Фото 3

На наш  взгляд, недостатком такой, очень широко распространенной схемы является то, что из-за хаотичного переключения термостата в течение эксплуатации этот термостат быстро изнашивается. Когда  хозяин тепловентилятора  приносит его в ремонт с диагнозом  «не греет», мастер-ремонтник  в лучшем случае, находит замену неисправному термостату, а в некоторых случаях, подключает нагреватель «напрямую» , после чего последний быстро перегорает и служит дополнительной пожарной опасностью.  Гораздо лучше, на наш взгляд ,применить для регулирования температуры нагревателя не термостат схему наподобие рассматриваемой в статье. Это, помимо увеличения срока службы аппарата также снижает и некоторый дискомфорт, связанный с температурным контрастом подогреваемого воздуха (наличие этого контраста  не удивительно, поскольку термостат достаточно инерционен не только по температуре, но и по времени срабатывания). 

На фото 4  как раз изображен  рабочий макет подобного устройства.

Фото 4

Диодный датчик температуры располагают  в верхней зоне на выходе подогретого воздуха. Сам регулятор температуры  располагается снизу , на «шасси» с расположением установочного потенциометра в удобном для использования месте.  Реакция регулятора на изменения температуры ТЭНа в этом случае оказывается фактически мгновенной и , следовательно, температурный контраст не ощущается.   

ВНИМАНИЕ! Несмотря на то что данное устройство с бестрансформаторным питанием и отсутствием гальванической развязки от напряжения сети является относительно безопасным при эксплуатации, его наладка требует повышенной внимательности и осторожности.

Ссылки:

1. http://cxem.net/master/90.php
2. http://cxem.net/beginner/beginner133.php
3. http://cxem.net›/arduino/arduino232.php

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Термостат