Термостабилизатор для бытовых устройств
категория
Электроника в быту
Автор Ю. АНДРЕЕВ, г. Санкт-Петербург, публикация из журнала Радио, 1998 год, №6
Область применения стабилизаторов температуры в устройствах, используемых в домашнем хозяйстве, довольно широка. Это, например, хранилища овощей, аквариумы, малогабаритные инкубаторы, камеры тепловой обработки пчел, теплицы и многое другое. Конструированию термостабилизаторов различного назначения, описанию их работы посвящена обширная литература. И тем не менее эта тема, на мой взгляд, остается актуальной, особенно для тех, кто решил самостоятельно построить такие устройства. Учитывая определенные трудности, связанные с приобретением ряда деталей, и различные условия эксплуатации стабилизаторов, хотелось бы перед описанием конкретных конструкций остановиться на некоторых общих вопросах.
Прежде всего, приступая к конструированию термостабилизатора, необходимо определить мощность нагревателя, обеспечивающего требуемую температуру в заданном объеме. Это — отдельная, подчас сложная задача, требующая теплотехнических расчетов. Для ориентировочных же расчетов можно воспользоваться простыми формулами. Так, например, для защиты от замерзания продуктов в вашем овощехранилище при температуре наружного воздуха до -30°С в ящике, выполненном из досок или ДСП толщиной 20 мм, со слоем пенопласта толщиной 25...30 мм, требуемая мощность нагревателя должна быть такой, как указано в [1]: Р = V2/3, где Р — мощность нагревателя, выраженная в ваттах; V— внутренний объем ящика в литрах.
Для лоджии, каркасной теплицы с покрытием из стекла или полиэтилена требуемую суммарную мощность нагревателя определяют по следующей формуле [2]:
Р = 1,23•Sп•Kт (tвн - tнap),
где Р — мощность нагревателя в ваттах; Sп — суммарная площадь поверхности охлаждения (стены, пол, потолок) в м2; Кт — коэффициент теплопередачи в Вт/м2 °С; tвн и tнар — соответственно внутренняя и наружная температура в градусах. Значение коэффициента Кт может быть от Кт = 3,3 (для двойного остекления) до Кт = 7,5 (для однослойной полиэтиленовой пленки).
Любой стабилизатор температуры включает в себя чувствительный элемент — датчик температуры и усилитель сигнала датчика; устройство сравнения сигналов или компаратор; электронный ключ, выполняющий функции исполнительного устройства; блок питания и нагревательный элемент.
В качестве датчика температуры обычно используют терморезисторы серий KMT, MMT, СТ, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) которых отрицательный — 2...7 % / град. — и изменяется в зависимости от температуры, а допуск на значение сопротивления терморезистора составляет 10...30%. В любительских термостабилизаторах терморезисторы применяют наиболее часто из-за большого ТКС. Однако их существенная нелинейность и большие допуски требуют индивидуальной регулировки конструируемых термостабилизаторов, градуировки шкал, затрудняет замену в случае ремонта.
Расчет параметров моста с полупроводниковым терморезистором, при повышенных требованиях к точности, изложен, например, в [3, 4].
Наилучшими метрологическими характеристиками обладают термодатчики серии ТСМ — медные. Их ТКС — положительный, но составляет всего 0,3 % / град.= = 1/293°, причем линейность характеристики обеспечивается в широком диапазоне температур. Они относятся к приборам высокого класса точности (0,1...0,5 %) и могут работать даже в агрессивных средах. Недостаток ТСМ — относительно большая длина (около 300 мм) и высокая стоимость.
Менее известен как термодатчик кремниевый диод, отрицательный коэффициент преобразования которого равен 2 мВ/град. [5, 6]. Практически любой маломощный кремниевый диод обеспечит линейное преобразование температуры в напряжение.
Любой из перечисленных здесь термопреобразователей обычно включают в одно из плеч резистивного моста, источник питания которого стабилизирован. Выходной сигнал моста подают на вход устройства сравнения или, если это необходимо, предварительно усиливают. Для сравнения сигналов удобнее всего использовать компаратор, представляющий собой операционный усилитель (ОУ) с положительной обратной связью. Функцию сравнения могут выполнять любые ОУ серий К140, К553 или специально разработанные компараторы серии К554. Наиболее предпочтителен компаратор К554САЗ, обеспечивающий выходной ток до 50 мА, что позволяет без дополнительного усилителя непосредственно включать электромагнитное реле исполнительного механизма.
Выбор того или иного типа реле определяется двумя факторами — значением тока срабатывания и допустимыми напряжением и током его коммутирующих контактов. При напряжении сети 220 В контакты реле должны надежно коммутировать ток нагревателя. Наиболее распространенные маломощные реле — РЭС8, РЭН18 [7]. Обмотки реле РЭН20 и МКУ-48 (паспорт 4.509.146) рассчитаны на работу непосредственно от сети переменного напряжения 220 В при допустимом токе контактов 5 А, что на практике позволяет использовать их в большинстве случаев. При параллельном соединении двух групп контактов эти реле обеспечивают включение нагревателей общей мощностью до 2,2 кВт. Кроме электромагнитного реле, элементом исполнительного устройства, включающего нагреватель, может быть тринистор или симистор.
Эти приборы позволяют коммутировать ток нагревателей до 80 А. Отсутствие контактов делает их применение предпочтительным. Правда, сама конструкция термостабилизатора становится более сложной, чем с электромагнитным реле в исполнительном звене.
Блок питания термостабилизатора — это, как правило, трансформатор, понижающий напряжение сети до 13...16 В, с одним — двумя выпрямителями и простейшими стабилизаторами выпрямленного напряжения. Мощность сетевого трансформатора обычно не превышает 10...15 Вт. Можно использовать унифицированные трансформаторы серии ТПП, имеющие нужный набор вторичных обмоток [8].
В качестве источника тепла, особенно сточки зрения электробезопасности, лучше всего использовать трубчатые электронагреватели — ТЭН; пригодны, конечно, и обычные лампы накаливания, рассчитанные на напряжение сети.
Сегодня существует немало схемотехнических решений построения термостабилизаторов, в которых перечисленные элементы сочетаются в различных комбинациях. Для ориентировки в выборе конструируемого стабилизатора температуры можно воспользоваться предлагаемой здесь таблицей, в которой приведены основные технические данные некоторых термостабилизаторов, опубликованных ранее в "Радио".
Одновременно предлагаю для повторения термостабилизатор широкого применения (рис. 1), в котором датчиком температуры служит кремниевый диод или медный резистор. Другое отличие этого варианта электронного автомата — отсутствие в нем транзисторов и наличие микроамперметра для измерения температуры.
Как и большая часть термостабилизаторов, указанных в таблице, он состоит из четырех узлов: чувствительного элемента, компаратора, исполнительного устройства и сетевого блока питания. Датчик температуры, функцию которого выполняет диод VD1, включен в измерительный мост с резисторами R1 — R4 в трех других его плечах. Сигнал с выхода моста поступает (через резисторы R5 и R6) на оба входа операционного усилителя DA1, охваченного отрицательной обратной связью (цепь R8R9), а с его выхода — на инвертирующий вход компаратора DA2. Необходимую температуру в закрытом объеме устанавливают переменным резистором R12, снабженным соответствующей шкалой.
Функцию исполнительного устройства выполняет электромагнитное реле К1. Срабатывая по выходному сигналу компаратора, контакты К1.1 реле включают светодиод HL1, сигнализирующий о включении нагрева, а контакты К1.2 — нагреватель (Rн).
Блок питания образуют трансформатор Т1, выпрямительный мост VD6, сглаживающие фильтры C5R17 и C6R18. Стабилитроны VD4 и VD5 обеспечивают микросхемам устройства питающее двуполярное напряжение ±10 В.
Для визуального контроля температуры воздуха в обогреваемом объеме в устройство введен микроамперметр РА1 на ток полного отклонения стрелки 100 мкА (М4248), шкала которого проградуирова-на в градусах. Если электронная часть устройства будет находиться вне обогреваемого объема, то диодный датчик (VD1) соединяют с резистивным мостом экранированным проводом.
При указанных на рис. 1 микросхемах, номиналах резисторов и других деталей устройство обеспечивает стабилизацию температуры в диапазоне 0...20°С. Для стабилизации температуры в пределах +36... +45°С, необходимой, например, для инкубатора, номинальное сопротивление резистора R13 должно быть 2 кОм.
Все постоянные резисторы, используемые в термостабилизаторе, — МЛТ, а переменные — СП5-2 (R4, R9 и R14), ППЗ-40 или ППБ (R12). Конденсаторы СЗ — С6 — оксидные К50-6, К50-16 или К50-29, остальные — КМ-5 или КМ-6. Диодный мост КЦ407А заменим на сборку КЦ402 с любым буквенным индексом. Стабилитрон VD2 — на напряжение стабилизации 8...8,5 В, a VD4 и VD5 — на 9,5...10,5 В.
Реле К1 — РЭН18 (паспорт РХ4.564.509) или МКУ-48 (паспорт 4.500.232).
Датчик температуры VD1 — любой кремниевый. Лучше, однако, в металлическом корпусе, например, серии Д207 или Д226 с любым буквенным индексом, так как такой диод обладает меньшей тепловой инерцией.
Мощность сетевого трансформатора Т1 блока питания — примерно 5 Вт. Его вторичная обмотка должна обеспечивать переменное напряжение 2x12 В при токе нагрузки 80...100 мА.
Термостабилизатор смонтирован в корпусе размерами 170x90x60 мм. Большая часть его деталей размещена на печатной плате размерами 100x85 мм (рис. 2), выполненной из одностороннего фольгиро-ванного стеклотекстолита. Трансформатор Т1 и реле К1 смонтированы отдельно, а микроамперметр РА1, переменный резистор R12 и светодиоды HL1 и HL2 вынесены на лицевую панель корпуса.
Настройку прибора лучше проводить в такой последовательности. Диод VD1 поместить в среду с температурой, соответствующей нижнему пределу регулирования (0°С), и сбалансировать мост резистором R4. При этом показания микроамперметра должны быть нулевыми. Затем температуру диода повысить до максимального значения (20°С) и резистором R9 добиться максимального отклонения стрелки микроамперметра до 100 мкА.
Далее необходимо отрегулировать работу компаратора DA2. Для этого движок резистора R12 устанавливают в крайнее верхнее по схеме положение, а диод VD1 нагревают до максимальной температуры (20°С). Подстроечным резистором R14 добиваются переключения компаратора в другое состояние, срабатывания реле К1 и загорания све-тодиода HL2. При этом деление на шкале резистора R12 будет соответствовать температуре 20°С. Затем, не изменяя сопротивления резистора R14, градуируют шкалу резистора R12 в нескольких точках, добиваясь срабатывания компаратора при различных значениях температуры диода-датчика VD1.
Если в качестве датчика температуры используется медный терморезистор, ТКЕ которого положительный, его в измерительный мост включают на место резисторов R3 и R4, а эти резисторы — на место диода VD1. Порядок подгонки нижнего и верхнего пределов диапазона температуры остается таким же.
ЛИТЕРАТУРА
1. Баранов Н. Простой термостабилизатор. — Радио, 1988, № 8, с. 29, 30.
2. Кислое В. В. Оборудование теплиц для подсобных и личных хозяйств. — М.: Энерго-атомиздат, 1992, с. 96.
3. Ткачев Ф. Расчет термочувствительного моста. — Радио, 1995, № 8, с. 46.
4. Алешин П. Линеаризация терморезис-торного моста. — Радио, 1997, №11, с. 59.
5. Цибин В. Цифровой термометр. — Радио, 1996, №10, с. 41.
6. Бирюков С. Простой цифровой термометр . — Радио, 1997, № 1, с. 40—42.
7. Игловский И. Г., Владимиров Г. В. Слаботочные электрические реле. — М.: КУБК-а, 1996.
8. Шульгин Г. Унифицированные трансформаторы. — Радио, 1982, № 1, с. 59, 60.
9. Габов С. Стабилизатор температуры в домашнем "овощехранилище". — Радио, 1993, №9, с. 28, 29.
10. Мерзликин А., Пахомов Ю. Мощный термостабилизатор. — Радио, 1988, ╧ 2. с. 52.53.
11. Маяцкий Ю. Простой термостабилизатор. — Радио, 1991, № 7, с. 32 — 34.
12. Цыгикало Г. Высокоточный термостабилизатор. — Радио, 1993, № 4, с. 35 — 37.
От редакции журнала Радио. Если электронная часть термостабилизатора находится вне обогреваемого объема, стабилитрон VD2 для повышения точности работы устройства следует установить термокомпенсированный, например, серии Д818 или КС191.