Публікується стаття присвячена вибору і практиці реалізації електронних автоматів, призначених для підтримки необхідної температури в різних побутових пристроях. Рекомендації автора можуть бути корисні багатьом радіоаматорам - конструкторам.
Область застосування стабілізаторів температури в пристроях, що використовуються в домашньому господарстві, досить широка. Це, наприклад, сховища овочів, акваріуми, малогабаритні інкубатори, камери теплової обробки бджіл, теплиці і багато інше. Конструювання термостабилизаторов різного призначення, опису їх роботи присвячена велика література. І тим не менше ця тема, на мій погляд, залишається актуальною, особливо для тих, хто вирішив самостійно побудувати такі пристрою. Враховуючи певні труднощі, пов'язані з придбанням низки деталей, і різні умови експлуатації стабілізаторів, хотілося б перед описом конкретних конструкцій зупинитися на деяких загальних питаннях.
Насамперед, приступаючи до конструювання термостабілізатора, необхідно визначити потужність нагрівача, що забезпечує необхідну температуру в заданому обсязі. Це - окрема, часом складне завдання, що вимагає теплотехнічних розрахунків. Для орієнтовних розрахунків ж можна скористатися простими формулами. Так, наприклад, для захисту від замерзання продуктів у вашому овочесховище при температурі зовнішнього повітря до -30°С в ящику, виконаному з дощок чи ДСП товщиною 20 мм, з шаром пінопласту завтовшки 25...30 мм, необхідна потужність нагрівача повинна бути такою, як зазначено в [1]: Р = V2/3, де Р - потужність нагрівача, виражена у ватах; V - внутрішній об'єм ящика в літрах.
Для лоджії, каркасної теплиці з покриттям з скла або поліетилену необхідну сумарну потужність нагрівача визначають за такою формулою [2]:
Р = 1,23·Ѕп·Кт (tз - tнap),
де Р - потужність нагрівача у ватах; Ѕп - сумарна площа поверхні охолодження (стіни, підлога, стеля) в м2; Кт - коефіцієнт теплопередачі, Вт/м2 °С; tз і t нар - відповідно внутрішня та зовнішня температура в градусах. Значення коефіцієнта Кт може бути від Кт = 3,3 (для подвійного скління) до Кт = 7,5 (для одношарової поліетиленової плівки).
Будь стабілізатор температури включає в себе чутливий елемент - датчик температури і підсилювач сигналу датчика; пристрій порівняння сигналів або компаратор; електронний ключ, який виконує функції виконавчого пристрою; блок живлення і нагрівальний елемент.
В якості датчика температури зазвичай використовують терморезистори серій KMT, MMT, СТ, температурний коефіцієнт опору (ТКС) яких негативний - 2...7 % / град. - і змінюється в залежності від температури, а допуск на значення опору терморезистора складає 10...30%. В аматорських термостабилизаторах терморезистори застосовують найбільш часто із-за великого ТКС. Однак їх суттєва нелінійність і великі допуски потребують індивідуальної регулювання конструйованих термостабилизаторов, градуювання шкал, ускладнює заміну у випадку ремонту.
Розрахунок параметрів мосту з напівпровідниковим терморезистором, при підвищених вимоги до точності, викладено, наприклад, в [3, 4].
Найкращими метрологічними характеристиками володіють термодатчики серії ТСМ - мідні. Їх ТКС - позитивний, але становить всього 0,3 % / град.= = 1/293°, причому лінійність характеристики забезпечується в широкому діапазоні температур. Вони відносяться до приладів високого класу точності (0,1...0,5 %) і можуть працювати навіть в агресивних середовищах. Недолік ТСМ - відносно велика довжина (близько 300 мм) і висока вартість.
Менш відомий як термодатчик кремнієвий діод, негативний коефіцієнт перетворення якого дорівнює 2 мВ/град. [5, 6]. Практично будь-який малопотужний кремнієвий діод забезпечить лінійне перетворення температури в напругу.
Будь-який з перелічених тут термоперетворювачів зазвичай включають в одне з плечей резистивного мосту, джерело живлення якого стабілізовано. Вихідний сигнал моста подають на вхід пристрою порівняння або, якщо це необхідно, попередньо підсилюють. Для порівняння сигналів найзручніше використовувати компаратор, який представляє собою операційний підсилювач (ОУ) з позитивною зворотним зв'язком. Функцію порівняння можуть виконувати будь-ОП серії К140, К553 або спеціально розроблені компаратори серії К554. Найбільш кращий компаратор К554САЗ, що забезпечує вихідний струм до 50 мА, що дозволяє без додаткового підсилювача безпосередньо включати електромагнітне реле виконавчого механізму.
Вибір того або іншого типу реле визначається двома факторами - значенням струму спрацювання і допустимими напругою і струмом його комутуючих контактів. При напрузі мережі 220 В контакти реле повинні надійно комутувати струм нагрівача. Найбільш поширені малопотужні реле - РЭС8, РЭН18 [7]. Обмотки реле РЭН20 і МКУ-48 (паспорт 4.509.146) розраховані на роботу безпосередньо від мережі змінної напруги 220 В при припустимому струмі контактів 5 А, що на практиці дозволяє використовувати їх в більшості випадків. При паралельному з'єднанні двох груп контактів ці реле забезпечують включення нагрівачів загальною потужністю до 2,2 кВт. Крім електромагнітного реле, елементом виконавчого пристрою, що включає нагрівач, може бути тріністор або сімістор.
Ці прилади дозволяють комутувати струм нагрівачів до 80 А. Відсутність контактів робить їх застосування кращим. Правда, сама конструкція термостабілізатора стає більш складною, ніж з електромагнітним реле в виконавче ланці.
Блок живлення термостабілізатора - це, як правило, трансформатор, понижуючий напруга мережі 13...16 В, з одним - двома випрямлячами і найпростішими стабілізаторами випрямленої напруги. Потужність мережевого трансформатора зазвичай не перевищує 10...15 Вт. Можна використовувати уніфіковані трансформатори серії ТПП, які мають необхідний набір вторинних обмоток [8].
В якості джерела тепла, особливо з точки зору електробезпеки, краще всього використовувати трубчасті електронагрівачі - ТЕН; придатні, звичайно, і звичайні лампи розжарювання, розраховані на напругу мережі.
Сьогодні існує чимало схемотехнічних рішень побудови термостабилизаторов, в яких перераховані елементи поєднуються в різних комбінаціях. Для орієнтування у виборі конструируемого стабілізатора температури можна скористатися пропонованою тут таблицею, в якій наведено основні технічні дані деяких термостабилизаторов, опублікованих раніше в "Радіо".
Одночасно пропоную для повторення термостабілізатори широкого застосування (рис. 1), в якому датчиком температури служить кремнієвий діод або мідний резистор. Інша відмінність цього варіанту електронного автомата - відсутність у ньому транзисторів і наявність мікроамперметра для вимірювання температури.
(натисніть для збільшення)
Як і більша частина термостабилизаторов, зазначених у таблиці, він складається з чотирьох вузлів: чутливого елемента, компаратора, виконавчого пристрою і мережного блоку живлення. Датчик температури, функцію якого виконує діод VD1, включений у вимірювальний міст з резисторами R1 - R4 в трьох інших його плечах. Сигнал з виходу мосту надходить (через резистори R5 і R6) на обидва входу операційного підсилювача DA1, охопленого негативним зворотним зв'язком (ланцюг R8R9), а з його виходу - на інвертуючий вхід компаратора DA2. Необхідну температуру в закритому об'ємі встановлюють змінним резистором R12, забезпеченим відповідною шкалою.
Функцію виконавчого пристрою виконує електромагнітне реле К1. Спрацьовуючи по вихідному сигналу компаратора, контакти К1.1 реле включають світлодіод HL1, що сигналізує про включення нагріву, а контакти К1.2 - нагрівач (Rн).
Блок живлення утворюють трансформатор Т1, випрямний міст VD6, згладжуючі фільтри C5R17 і C6R18. Стабілітрони VD4 і VD5 забезпечують мікросхем пристрої двополярне живлення напруга ±10 Ст.
Для візуального контролю температури обігрівається повітря в обсязі пристрій введений мікроамперметр РА1 на струм повного відхилення стрілки 100 мкА (М4248), шкала якого проградуирова-на в градусах. Якщо електронна частина пристрою буде знаходитися поза обігрівається обсягу, то діодний датчик (VD1) з'єднують з резистивним мостом екранованим проводом.
При зазначених на рис. 1 мікросхемах, номінали резисторів і інших деталей пристрій забезпечує стабілізацію температури у діапазоні 0...20°С. Для стабілізації температури в межах +36... +45°С, необхідною, наприклад, для інкубатора, номінальний опір резистора R13 повинно бути 2 кОм.
Всі постійні резистори, використовувані в термостабилизаторе, - МЛТ, а змінні - СП5-2 (R4, R9 і R14), ППЗ-40 або ППБ (R12). Конденсатори C3 - С6 - оксидні К50-6, К50-16 або К50-29, інші - КМ-5, КМ-6. Діодний міст КЦ407А замінимо на збірку КЦ402 з будь-яким буквеним індексом. Стабілітрон VD2 - на напругу стабілізації 8...8,5, a VD4 і VD5 - на 9,5...10,5 Ст.
Реле К1 - РЭН18 (паспорт РХ4.564.509) або МКУ-48 (паспорт 4.500.232).
Датчик температури VD1 - будь-який кремнієвий. Краще, однак, в металевому корпусі, наприклад, серії Д207 або Д226 з будь-яким буквеним індексом, так як такий діод володіє меншою тепловою інерцією.
Потужність мережевого трансформатора Т1 блоку живлення - приблизно 5 Вт. Його вторинна обмотка повинна забезпечувати змінну напругу 2x12 В при струмі навантаження 80...100 мА.
Термостабілізатори змонтований в корпусі розмірами 170x90x60 мм. Більша частина його деталей розміщена на друкованій платі розмірами 100x85 мм (рис. 2), виконаної з одностороннього фольгованого склотекстоліти. Трансформатор Т1 і реле К1 змонтовані окремо, а мікроамперметр РА1, змінний резистор R12 і світлодіоди HL1 і HL2 винесені на лицьову панель корпусу.
Налаштування приладу краще проводити в такій послідовності. Діод VD1 помістити в середовище з температурою, що відповідає нижній межі регулювання (0°С), і збалансувати міст резистором R4. При цьому показання мікроамперметра повинні бути нульовими. Потім температуру діода підвищити до максимального значення (20°С) і резистором R9 домогтися максимального відхилення стрілки мікроамперметра до 100 мкА.
Далі необхідно відрегулювати роботу компаратора DA2. Для цього движок резистора R12 встановлюють у крайнє верхнє за схемою положення, а діод VD1 нагрівають до максимальної температури (20°С). Підлаштування резистором R14 домагаються перемикання компаратора в інший стан, спрацьовування реле К1 і загоряння світлодіода HL2. При цьому ділення на шкалі резистора R12 буде відповідати температурі 20°С. Потім, не змінюючи опір резистора R14, градуюють шкалу резистора R12 в декількох точках, домагаючись спрацьовування компаратора при різних значеннях температури діода-датчика VD1.
Якщо в якості датчика температури використовується мідний терморезистор, ТКЄ якого позитивний, його вимірювальний міст включають на місце резисторів R3 і R4, а ці резистори - на місце діода VD1. Порядок підгонки нижнього і верхнього меж діапазону температури залишається таким же.
Якщо електронна частина термостабілізатора знаходиться поза обігрівається обсягу, стабілітрон VD2 для підвищення точності роботи пристрою слід встановити термокомпенсированный, наприклад, серії Д818 або КС191.
Література
Автор: Ю. Андрєєв, р. Санкт-Петербург