ТЕРМОСТАБИЛИЗАТОРЫ
Описываемые в разделе термостабилизаторы можно использовать для поддержания температуры в самых различных случаях - в дачном домике, погребе, балкононном хранилище,инкубаторе.
Стабилизация температуры осуществляется включением и выключением сетевого напряжения, подаваемого на нагреватель, в зависимости от температуры датчика терморезистора Включение симистора происходит вблизи момента перехода сетевого напряжения через "нуль", что снижает уровень помех.
Схема первого варианта термостабилизатора приведена на рис 55 Источник питания и формирователь импульсов в момент прохождения сетевого напряжения через нуль выполнены по описанной выше схеме рис 41. Положительный перепад, соответствующий началу полупериода, дифференцируется цепочкой C4R11 и в виде короткого импульса положительной полярности подается на вывод 12 элемента DD1.4
На второй вывод этого элемента поступает сигнал с выхода ОУ DA1, выполняющего роль компаратора Входы ОУ подключены к выходам термочувствительного моста из резисторов R5 - R8 и терморезистора RK1 Пока температура терморезистора выше установленной переменным резистором R5, напряжение на нем меньше напряжения в точке соединения резисторов R7 и R8 и на выходе компаратора низкий логический уровень Импульсы через элемент DD1 4 не проходят, светодиод HL1 не светится.
Когда температура терморезистора RK1 уменьшится и напряжение на нем станет больше, чем в точке соединения R7 и R8, выходной сигнал ОУ DA1 будет соответствовать логической 1, включится светодиод HL1, импульсы с дифференцирующей цепочки C4R11 начнут проходить через элемент DD1.4 на базу транзистора VT3 В начале, каждого полупериода транзистор начнет включать симистор VS1, нагреватель подключится к сети
Все элементы термостабилизатора, кроме симистора VS1 и выходных гнезд XI, смонтированы на печатной плате размерами 50 х 80 мм (рис. 56). Элементы использованы те же, что и в описанных выше регуляторах.
Операционный усилитель может быть использован практически любой, работающий при полном напряжении питания 10 В и потребляющий ток не более 5 мА, например, годятся КР140УД7, К140УД6, КР140УД6, КР140УД14.
Терморезистор автор использовал ММТ-4, можно установить любые типа ММТ или КМТ номиналом 22...33 кОм, лучше -герметичные ММТ-4 или КМТ-4.
Для определения сопротивлений резисторов R5 и R6 необходимо задаться диапазоном температур, в котором должен работать термостабилизатор. Измеряют сопротивление терморезистора RK1 при максимальной рабочей температуре, резистор R6 устанавливают равным этой величине или несколько меньшей. Затем измеряют сопротивление RK1 при минимальной температуре и подбирают сопротивление R5 таким, чтобы оно в сумме с сопротивлением резистора R6 было не меньше измеренного. Если есть затруднения в измерении сопротивления терморезистора в диапазоне температур, можно считать, что для резисторов ММТ оно увеличивается на 19% при уменьшении температуры на 5°С, на 41% при уменьшении на 10°С и в два раза на 20°С. Аналогично при том же увеличении температуры уменьшение сопротивления составляет 16%, 29% и два раза соответственно. Для терморезисторов КМТ
изменение примерно в 1,5 раза больше. Указанные на .схеме сопротивления резисторов R5 и R6 и терморезистора RK1 соответствуют диапазону работы термостабилизатора 15...25°С. Корпус резистора R5 соединен с минусовым проводником, цепи питания микросхемы, что необходимо для, его экранирования. Симистор КУ208Г (или КУ208В) установлен на ребристом теплоотводе размерами 25 х 50 х 60 мм. При таких размерах теплоотвода нагреватель может иметь мощность до 1 кВт. Плата, теплоотвод с симистором, пара гнезд XI установлены в пластмассовую коробку размерами 70х95х150 мм так, чтобы терморезистор RK1 был расположен максимально близко к нижней стенке коробки, теплоотвод - к верхней (это стенки наименьшего размера). В них просверлено по 24 вентиляционных отверстия диаметром 6 мм с шагом 10 мм. Светодиод HL1 и ось переменного резистора R5 выведены через отверстия в передней стенке коробки. Ось и крепежный винт пластмассовой ручки переменного резистора не должны быть доступны для случайного прикосновения. Налаживают и градуируют регулятор без симистора. Вывод 12 микросхемы DD1 соединяют перемычкой с выводом 14, к резистору R 12 подключают вольтметр.
Параллельно конденсатору С1 подсоединяют резистор сопротивлением 220... 330 Ом и подключают термостабилизатор к источнику питания постоянного тока с напряжением 12... 15 В, верхний по схеме провод к плюсу источника. Напряжение устанавливают такой величины, чтобы потребляемый ток составил 18...20 мА. Терморезистор помещают в воду с температурой, соответствующей середине рабочего диапазона. Его изолятор не должен быть в воде. Убеждаются в том, что при вращении оси резистора R5 по часовой стрелке светодиод HL1 загорается, вольтметр начинает показывать напряжение около 9 В, а при вращении в противоположном направлении - светодиод гаснет, вольтметр показывает нуль. Делают соответствующую отметку на шкале переменного резистора. Изменяя температуру воды, полностью градуируют термостабилизатор. Для проведения этой операции вместо терморезистора можно использовать постоянные резисторы с сопротивлениями, соответствующими измеренным сопротивлениям терморезистора при заданных температурах. Убрав дополнительный резистор и перемычку, полностью собирают стабилизатор и проверяют его работу с включенной в качестве нагрузки лампой накаливания. Регулятор устанавливают в вертикальное положение так, чтобы вентиляционные отверстия ничем не закрывались, например, на стену комнаты.Если термостабилизатор используется для поддержания температуры в погребе, инкубаторе или балконном хранилище, его лучше установить вне термостабилизируемого объема, а терморезистор вынести из корпуса стабилизатора. В этом случае для уменьшения влияние наводок вместо него на плату следует поставить полярный конденсатор емкостью не менее 50 мкф на рабочее напряжение не менее 10 В. Терморезистор и подводящие провода должны быть тщательно заизолированы. Термостабилизатор не имеет гистерезиса по температуре и его точность может быть весьма высокой - 0,1...0,2°С. Если же по каким-либо причинам необходим гистерезис, его можно получить, установив между выводами 3 и 6 ОУ DA1 резистор сопротивлением несколько мегаом, на печатной плате он показан штриховыми линиями. Иногда требуется повышенная надежность работы термостабилизатора - он должен нормально работать как при обрыве, так и при замыкании терморезистора. В описываемом далее термостабилизаторе применены три датчика - терморезистора, причем обрыв или замыкание любого из них не приводит к отказу в работе устройства.
Более того, если датчики расположены в разных местах обогреваемого объема, термостабилизатор усредняет сигналы с них - нагреватель включается при охлаждении двух любых датчиков ниже необходимого порога, а выключается при превышении порога температуры также двух любых датчиков. Схема термостабилизатора приведена на рис. 57. Выходные сигналы трех одинаковых делителей напряжения R1 - R6, RK1 -RK3, в каждый из которых входит терморезистор, поданы на три входа первого элемента микросхемы DD1 К561ЛП13, выполняющего функцию мажоритарного .клапана [З]. Выходной сигнал мажоритарного клапана соответствует входным сигналам на большинстве
входов, т.е., если входные сигналы превышают порог переключения на двух или трех входах, на выходе - лог.1, если порог переключения превышен лишь на одном входе или на всех входах сигналы ниже поpoгa переключения - на выходе лог.0. Поэтому, если температура любых двух терморезисторов понизится ниже заданного порога, на двух входах элемента DD1.1 будет превышен порог переключения и на его выходе появится лог. 1. Этот сигнал пройдет через буферный элемент DD1.2 и включит транзистор VT1, который, в свою очередь, включит тиристор VS1. Тиристор включит нагреватель и температура стабилизируемого объекта начнет повышаться. Когда температура двух терморезисторов превысит заданный уровень, на двух входах элемента DD1.1 напряжение будет ниже порога переключения и на выходе элемента DD1.1 появится лог.0, нагреватель выключится. Резисторы R7 - R9 обеспечивают положительную обратную связь, небольшой гистерезис и четкое переключение элементов микросхемы DD1. Сопротивление резистора R 12 обеспечивает ток питания элементов термостабилизатора около 16 мА, из них около 10 мА используется для включения тиристора. Если подобрать тиристор с током включения по управляющему электроду менее 5 мА, можно увеличить номиналы резисторов R 10 - R 12 вдвое, что позволит уменьшить мощность, бесполезно рассеиваемую резистором R12, с 4 до 2 Вт. Еще более сократить потребляемую мощность и уменьшить уровень помех, создаваемых стабилизатором в момент включения нагрузки, можно, если ток в управляющий электрод, включающий тиристор, подавать лишь в моменты времени, соответствующие моментам перехода сетевого напряжения через нуль.
Схема такого варианта термостабилизатора приведена на рис. 58.
Отличием стабилизатора по схеме рис. 58 является подключение терморезисторов к плюсовому проводу питания, что необходимо для того, чтобы сигналом включения нагревателя был лог.0 на выходе элемента DD1.1. Это, в свою очередь, необходимо для того, чтобы элемент DD1.2, выполняющий функцию ИЛИ для сигналов высокого логического уровня или функцию И для сигналов низкого уровня за счет подключения одного из его входов к плюсу питания, выдавал на своем выходе сигнал, включающий тиристор, лишь в те моменты, когда напряжение сети близко к нулю. Для этого же на вход элемента DD1.2 подано через делитель R15R10 напряжение с выхода выпрямительного моста VD2. Поскольку сигналом, включающим тиристор, теперь является лог.0 на выходе элемента DD1.2, усилитель тока на транзисторе VT1 выполнен по схеме инвертора. В термостабилизаторах могут быть использованы терморезисторы типов ММТ или КМТ, оксидный конденсатор любого типа, любой стабилитрон на напряжение 8...10 В, практически любые маломощные кремниевые транзисторы соответствующей структуры. Микросхему К561ЛП13 можно заменить на К561ИК1 [З], подключив ее два управляющих входа к общему проводу. Резистор R 12 (рис. 57) составлен из двух резисторов 24 кОм 2 Вт, включенных параллельно. На рис. 59 и 60 приведены чертежи печатных плат описываемых термостабилизаторов, на них размещены только слаботочные элементы устройств. Платы рассчитаны на применение подстроечных резисторов типа СПЗ-19а, размер плат - 30х50 мм. Подключение входов элемента DD1.3, показанное на схеме рис. 57, объясняется удобством разводки печатной платы; как известно, входы неиспользуемых элементов микросхем КМОП нельзя оставлять свободными. Вариант силовых цепей, схема которого приведена на рис. 57 и 58, обеспечивает работу с нагревателем до 100 Вт, например, теплоизолированного ящика для хранения овощей на балконе, при этом установка тиристора VS1 на теплоотвод не требуется. При необходимости коммутации более мощного нагревателя следует использовать более мощные диоды и тиристор и установить их на соответствующие радиаторы. Настройку термостабилизаторов для исключения поражения электрическим током следует производить с использованием маломощного понижающего трансформатора с напряжением на вторичной обмотке 26...28 В.
Параллельно резистору R12 для устройства по схеме рис. 57 или R14 для стабилизатора по схеме рис. 58 подключить резистор с номиналом 750 Ом на мощность не менее 0,5 Вт. Вместо нагревателя подключить лампу накаливания на рабочее напряжение 27 В. Один из терморезисторов RK1 - RK3
отключить, выводы второго Замкнуть между собой, третий поместить в сосуд с водой с температурой, которую необходимо стабилизировать, Вращая движок соответствующего подстроечного резистора, добиться, чтобы включение и выключение лампы происходило при небольшом повороте движка относительно найденного положения. Повторить подстройку терморегулятора с другими терморезисторами, после чего, восстановить полностью схему и проверить работу стабилизатора от сети. Конечно, три датчика температуры можно применить и в симисторных термостабилизаторах. Из-за нелинейности зависимости сопротивления терморезистора от температуры шкала переменного резистора, по которой устанавливают температуру, получается также весьма нелинейной Если от описываемых термостабилизаторов требуется работа в широком температурном диапазоне, желательно линеаризовать шкалу. Оказывается, решить такую задачу несложно Зависимость сопротивления Rt терморезистора с отрицательным ТКС от абсолютной температуры Т выражается следующей формулой
где Rо - константа, имеющая размерность сопротивления; В - константа, имеющая размерность температуры, Т - абсолютная температура (T=t+273). На рис. 61 приведена такая зависимость для терморезистора ММТ-4 с номинальным сопротивлением 15 кОм (Ro= 0,294 Ом, В =3176 К) Включим последовательно с терморезистором резистор Rдоп с сопротивлением, намного большим, чем он имеет в указанном на графике диапазоне, и подключим получившийся делитель к
источнику постоянного напряжения. Ток через делитель будет мало изменяться в диапазоне температур, поэтому напряжение на терморезисторе изменяется пропорционально его сопротивлению Если же резистор Rдоп<< Rt, ток в цепи определяется терморезистором В этом случае температурная зависимость напряжения на терморези сторе будет описываться также кривой, но с выпуклостью вверх.
Естественно предположить, что при некотором промежуточном значении сопротивления резистора Rдоп эта зависимость может быть близка к линейной Пусть терморезистор имеет сопротивления, равные Rl, R2, R3 при температурах Т1<Т2<ТЗ, причем Т2=(Т1+ТЗ)/2 В этом случае коэффициенты передачи Kl, K2 и КЗ делителя напряжения, состоящего из терморезистора и резистора Rдоп, равны Kl = R1/(R1+Rдоп), (1)
Была разработана несложная программа для IBM PC, позволяющая по сопротивлению терморезистора для двух значений температуры рассчитать его константы Ro и В, определить для любого температурного диапазона значение Rдоп. и погрешность линеаризации (в градусах). Для'примера на рис. 62 приведен .график (погрешности линеаризации в диапазоне 100 град. для терморезистора с зависимостью сопротивления от температуры, показанной на рис. 61. Как видно из графика, максимальная ошибка составляет примерно 3,7 град. Ошибку линеаризации можно уменьшить более чем в полтора раза, если подобрать сопротивление Rдоп так, чтобы нулевую погрешность в точках Сопряжения получать не на концах диапазона, а при значениях температуры, смещенных внутрь диапазона на 0,07 от его ширины (рис. 63). Как видно из графика, для этого случая погрешность примерно одинакова на концах диапазона и на расстоянии 25 % от границ составляет не более 2,1 град. Но резкое ее увеличение на краях диапазона наводит на мысль, что небольшие неточности в расчете и настройке моста могут резко увеличить ошибку. Поэтому сопряжение лучше обеспечить на расстоянии
примерно 0,05 от границ диапазона (рис. 64), погрешность при этом составит около 2,5 град. В табл.1 приведены результаты расчета погрешности для различных температурных диапазонов, заданных значениями температуры Т1 и ТЗ. Для них также построены графики зависимости ошибки от температуры. Все графики различаются лишь масштабом, их формы неотличимы от кривых на рис. 62 - 64. Погрешности рассчитаны для различного положения точек сопряжения: на краях диапазона (а=0) и на относительном смещении 0,05 и 0,07 от краев.
В таблице также приведены значения сопротивления Rдоп для сопряжения на краях диапазона (а = 0). Как видно из таблицы, для температурного диапазона не более 40 град. точность линеаризации достаточно высока для любых применений даже при сопряжении на их концах. Для измерителя температуры воздуха за окном в диапазоне -20...+30°С результат линеаризации также вполне приемлем. Особое место в таблице занимает последняя строка, в которой указан (с запасом) температурный диапазон медицинского термометра. Ошибка линеаризации для него ничтожна, что позволяет разработать простой и точный термометр с терморезисторным датчиком. Надо заметить, что для терморезисторов КМТ значение константы В значительно выше, поэтому температурные диапазоны с приемлемой ошибкой линеаризации существенно уже. Определить
Применение терморезисторного моста и терморегуляторе, как правило, не требует высокой точности. Поэтому расчет можно проводить для сопряжения на краях диапазона. В этом случае в верхнем по схеме положении движка R2 делитель R1R2R3 должен обеспечивать коэффициент передачи К 1, в нижнем - КЗ.
