30.03.21

[Домашняя]

Сразу скажу, что нормальному радиолюбителю воспроизвести подобное устройство по полной программе есть задача реально невыполнимая. И дело не в том, что оно — вещь вовсе не нужная (наоборот, иногда может быть довольно полезна), а в том, что она громоздкая, дорогая, потребляет кучу электроэнергии и основные конструктивы для нее из­готовить в домашних условиях затруднительно. Однако все не так трагично, и в домашних условиях можно соорудить упрощенную копию такого термостата — что при этом придется делать и чем пожертвовать, рассказывается в конце главы. А в целом это описание может пригодиться, если вам потребуется подобная конструкция по работе, причем здесь есть два соображения: во-первых, обладая соответствующей производственной базой, вполне можно изготовить такой термостат самостоятельно, и это может обойтись принципиально дешевле, чем покупать фирменный, а во-вторых, даже и в последнем случае знание принципов, по которым конструируются такие устройства, сильно поможет сделать вам правильный выбор. В любом случае рассмотрение этой схемы будет весьма поучительно, т. к. в ней сведены воедино многие предыдущие наши наработки. Термостат будет иметь диапазон регулирования температуры от -2 до +50 °С, причем точность поддержания ее может достигнуть ±0,05°. Для достижения высокой точности важны не столько особенности схемы, сколько тщательное продумывание конструкции и правильный выбор мощности нагревателей. Следует сразу отметить, что в термостате этом нельзя точно установить нужное значение температуры, он может только ее точно поддерживать, поэтому для того, чтобы измерить реально установившуюся температуру, нужен отдельный специальный прецизионный термометр. С конструктивов мы и начнем. Бак для рабочей жидкости (чистая вода тут не подойдет, т. к. она замерзнет, поэтому нужно пользоваться либо автомобильным антифризом, либо, что еще лучше, спирто-водно-глицериновой смесью: по 10—15% спирта и глицерина, остальное вода) должен иметь емкость не менее 100 л, и в нем должно быть обеспечено очень хорошее перемешивание. Бак следует изготавливать из нержавеющей стали или, в крайнем случае, пластмассы, все остальные материалы будут корродировать. Мешалку с электроприводом пристроить к этому делу не очень удобно: она будет, извините за невольный каламбур, мешаться, занимая много места именно там, где нам в процессе эксплуатации придется располагать объекты, подлежащие термостатированию. Поэтому эту проблему решают обычно так: берут два бака и устанавливают их один в другой (как показано на рисунке).

Во внутренний бак насосом нагнетается рабочая жидкость, которая перетекает через его верх и из внешнего бака поступает опять в насос. Такая схема к тому же заметно улучшает качество термостатирования, т. к. основной — внутренний— бак при этом сам находится целиком в термостатированной среде. Внешний бак помещен в кожух с теплоизоляцией. Датчик температуры помещают не прямо внутрь рабочего бака, а монтируют в трубе на выходе из системы перекачивания, нагреватели же — на входе этой системы (на рис. 15.6 датчик и нагреватели не показаны). И насос с трубами, и, желательно, нагреватель должны быть также из нержавеющей стали. Естественно, насос и под­водящие трубы необходимо теплоизолировать, а оба бака в рабочем состоянии прикрываются плотной крышкой, желательно также с теплоизоляцией и необходимыми отверстиями— для термометра, размещения испытуемых приборов и т. п. Принципиальная электрическая схема устройства приведена на рисунке ниже.

Рассмотрим сначала основную схему регулирования, которая построена на знакомом нам сдвоенном ОУ типа 140УД20 (его можно заменить на сдвоенный прецизионный ОУ типа МАХ478 или аналогичный— характеристики схемы при этом улучшатся, но незначительно). В целом она отдаленно похожа на предыдущие схемы, за исключением того, что в обратной связи второго усилителя (DA1/2) стоит цепочка R3-R4, которая задает ему коэффициент усиления чуть меньше 30. Первый же усилитель (DA1/1) есть просто развязывающий повторитель сигнала с датчика, т. к. при таком включении входное сопротивление усилителя будет шунтировать измерительный делитель R1- Rt. Датчиком, как и раньше, у нас здесь служит термистор (и включен он наоборот, чем в случае компаратора — к плюсу питания, т. к. здесь используется обычный ОУ), но в фирменных конструкциях обычно применяют серийный металлический (медный или платиновый) термодатчик — при этом схему его подключения, как мы уже говорили, нужно изменить. Что же будет происходить в этой схеме при изменении температуры? Сначала, когда температура намного ниже заданной, разность сигнала с датчика и напряжения с делителя R5-R6-R7 велика и, т. к. датчик включен в верхнее плечо делителя, отрицательна. Более высокий потенциал поступает на неинвертирующий вход, поэтому на выходе усилителя DA1/2 будет напряжение, близкое к положительному напряжению питания (при указанных на схеме типах транзистора и ОУ — около 9,5—10 В). Это напряжение через эмиттерный повторитель на транзисторе VT1 поступает на резистор R11 и формирует ток (в данном случае — около 6,5 мА) через светодиод резисторного оптрона DA1 типа АОР124Б. В ОУ нет мощного встроенного транзистора на выходе, как у компаратора, поэтому его пришлось поставить дополнительно— хотя в данном случае это и не совсем обязательно (ОУ 140УД20 выдерживает нагрузку до 1 к), но нагрузка на вольт-другой снижает выходное напряжение насыщения (а при замене на менее мощный тип, скажем, на МАХ478 — в еще большей степени), так что лучше застраховаться. При таком токе через управляющий светодиод сопротивление светоприемника оптрона мало, и частота управляющих импульсов будет велика — тиристор будет открываться в самом начале каждого периода, и на нагреватель 1 поступит полное напряжение сети. Когда напряжение с датчика по мере повышения температуры приблизится к заданному делителем R5-R6-R7 значению, напряжение на выходе ОУ начнет падать, и ток через светодиод оптрона уменьшится, соответственно упадет и действующее значение напряжения на нагревателе — он будет греть слабее. В конце концов, при близости к равенству напряжений на входах усилителя напряжение на выходе упадет до небольшой величины, и нагреватель почти полностью выключится. В точности то же самое будет происходить, если начать с более высокой температуры — при ее снижении мощность нагревателя в определенных пределах будет возрастать постепенно. В установившемся режиме ОУ будет поддер­живать такое напряжение на выходе (с некоторой, соответственно, разностью потенциалов на входе), чтобы температура оставалась все время постоянной. Такое регулирование называется пропорциональным и, разумеется, с его помощью можно достичь значительно более высокой стабильности температуры, чем с помощью релейной схемы. Чтобы это осуществилось на практике, нужно хорошее согласование всех элементов схемы: усилитель должен вовремя (когда температура в термостате еще отличается от заданной на 2—градуса) переходить из режима насыщения в усилительный режим, причем начальный ток через оптрон должен быть подобран так, чтобы устройство управления нагревателем сразу начало потихоньку снижать действующее значение напряжения. Все это достигается подбором номинала R11 и коэффициента усиления ОУ. Подробно излагать всю арифметику я не буду — вы уже вполне сможете справиться с этим самостоятельно, только отмечу, что номиналы, приведенные на схеме, рассчитаны из следующих условий: термистор HiyieeT номинальное значение 15 кОм с крутизной при 20 °С около 4%/°С, соответственно в середине диапазона регулировки (при 20—25 °С) изменение его сопротивления составит примерно 0,6 кОм/°С. Тогда изменение напряжения на выходе датчика составит примерно 0,3 В на желаемый диапазон в 3°, отсюда коэффициент усиления ОУ и должен составлять величину порядка 30. Как подбирать R11 из условия, чтобы напряжение на нагревателе было максимальным, но начало снижаться сразу же после того, как начал снижаться ток через этот резистор. Ну, а подогнать сопротивления делителей под конкретный экземпляр термистора (или металлического датчика), думаю, проблемы не составит. Но это только, как видите, часть схемы. Вторую часть составляет устройство для автоматического включения холодильника. В таком агрегате холодильник нужен обязательно, т. к. наличие хорошей теплоизоляции не позволит жидкости нормально остывать при небольшой разнице температур между ней и окружающей средой, и термостат не будет нормально работать, даже если ограничить нижний предел диапазона комнатной температурой. Поэтому в схему введен компаратор, который автоматически включит холодильный агрегат при установке температуры ниже 30°. В зависимости от температуры в помещении и реальной ситуации вы можете произвольно включать и выключать холодильник вручную с помощью выключателей S1 и S2. Но и это еще не все! Дело в том, что для стабильной работы термостата в обычном режиме (при температурах выше комнатной) необходимая и достаточная мощность нагревателя невелика—для 100-литрового бака это порядка 0,5 кВт, как у карманного кипятильника, иначе система будет очень долго устанавливаться, колеблясь вокруг заданного значения температуры — если вообще установится в обозримом будущем. Но, во-первых, и в таком режиме время перехода от температуры, скажем, 20° к температуре 50° составит часы — представляете, сколько времени потребуется, чтобы нагреть 100 л воды вместе со всеми металлическими конструкциями бытовым кипятильником? Еще сложнее ситуация в случае включения холодильника — промышленные холодильные агрегаты имеют холодопроизводительность порядка 500—1000 ккал/час, что численно соответствует примерно такой же мощности в ваттах, поэтому нагреватель наш в одиночку определенно не справится. По всем этим причинам в схему введен второй нагреватель, который подключается параллельно первому: либо вручную — в случае необходимости быстро "погнать" температуру вверх, либо автоматически при подключении холодильника. Мощность его должна быть такой, чтобы в сумме оба нагревателя заведомо превышали холодопроизводительность холодильного агрегата, но не слишком — раза в полтора, не более. Система, при которой холодильник и нагреватель действуют совместно, "побеждая" друг друга, может показаться не очень разумной, особенно с точки зрения экономии электроэнергии, но при желании обеспечить качественное регулирование другого выхода нет — разве что установить регулируемый холодильный агрегат, но регулировать производительность компрессионных холодильников, тем более автоматически — технически весьма непростое занятие. Я обещал рассказать, как можно повторить эту конструкцию в удешевленном и уменьшенном варианте для радиолюбительских нужд — такой термостат может пригодиться не только для градуировки и калибровки датчиков, но и, например, для испытаний работоспособности электронных схем при разной температуре (т. н. "климатические испытания"). В воду (или в антифриз) схему, естественно, погружать нельзя, поэтому ее аккуратно упаковывают в несколько (один в другом) полиэтиленовых пакетиков (обязательно новых!), завязывают, выведя наружу только необходимые провода, и подвешивают в термостате. Так как же сделать такую полезную штуку? Все сказанное ранее о конструкции, электронной схеме и настройке остается в силе, за исключением того, что перекачивающая система с двумя баками здесь, конечно, будет слишком громоздкой и сложной, так что перемешивание следует обеспечить обычной мешалкой с электродвигателем (двигатель не должен быть слишком мощным и иметь слишком много оборотов, иначе содержимое просто выплеснется наружу). Емкость бака может составлять от 5 до 10 литров, он обязательно должен быть металлическим (цилиндрическое алюминиевое ведро), но с хорошей теплоизоляцией (пенопласт). Для таких количеств воды мощность нагревателей следует уменьшить и можно обойтись вообще одним нагревателем мощностью от 300 до 500 Вт. Самый серьезный вопрос — как быть с холодильником? Можно использовать агрегат от старого домашнего холодильника — обычно их выкидывают не потому, что они ломаются, а вследствие морального и физического износа, агрегат же остается вполне работоспособным. Это отличное решение с теоретической точки зрения, но на практике оно крайне неудобно — термостат теряет мобильность, к тому же испаритель от холодильника запихать в 5—10-литровую емкость непросто. Но есть и другой метод для обеспечения принудительного охлаждения рабочей жидкости, при использовании которого придется, правда, пожертвовать частью диапазона температур: в емкости размещается змеевик (несколько витков медной трубки по диаметру емкости), через который пропускается вода из водопровода. Зимой вода имеет температуру около 4°, так что вполне можно работать вплоть до этой температуры, а вот летом она, конечно, гораздо теплее — однако при комнатных температурах и выше работать термостат будет безупречно. При этом учтите, что теплопроводность и теплоемкость воды имеют беспрецедентно высокие значения в сравнении почти со всеми остальными известными материалами^, поэтому достаточно очень слабого тока воды, чтобы обеспечить эффективное охлаждение рабочей жидкости (антифриз тут, разумеется, уже не нужен). Потеряв часть диапазона, вы зато упростите схему (компаратор и дополнительный нагреватель не потребуются) и приобретете крайне удобную возможность тонко регулировать мощность охлаждения в зависимости от нужной температуры — просто поворачивая водопроводный кран, поэтому точность поддержания температуры тут может быть ничуть не хуже, чем в "настоящем" термостате. В нерабочем состоянии такой термостат задвигается куда подальше (обязательно — в сухом состоянии, иначе у вас все быстро разъест коррозией), долой с глаз домашних, а при необходимости вы его разворачиваете, например, в ванной, подсоединяете резиновыми трубками к водопроводу и спокойно работаете. На этом краткий курс теплотехники и основ регулирования температуры можно считать законченным.