30.03.21

[Домашняя]

Для поддержания постоянной температуры в различных объектах сельскохозяйственного и декоративного назначения, - в инкубаторах, теплицах, аквариумах, террариумах, необходим термостат, способный поддерживать температуру с достаточно высокой точностью, управляя электрическим нагревателем мощностью до 2 кВт. В этой статье приводится описание электронной части термостата, включающего и выключающего нагреватель в зависимости от температуры на объекте. Максимальная температура, которую можно поддерживать данной схемой составляет 60°С. Погрешность поддержания температуры не хуже ±0,1оС. Правда такая высокая точность поддержания температуры имеет и одно негативное следствие, - включение и выключение нагревателя происходит довольно часто. Но в случае необходимости точного поддержания температуры с этим можно мириться. В современных термостатах в качестве датчиков обычно используют специализированные микросхемы, представляющие собой стабилитроны, напряжение стабилизации которых калибровано, зависит от температуры. К сожалению, сельскому радиолюбителю и сейчас такая элементная база практически не доступна (заказывать через интернет и ждать посылку не всегда годиться из-за медлительности почты).  Поэтому здесь используется более доступный элемент, - обычный биполярный транзистор КТЗ102В в металлическом корпусе.

На транзисторе VT3 и стабилитроне VD1 выполнен источник стабильного опорного напряжения для питания температурного датчика и формирователя опорного напряжения на резисторах R2, R11. R12. Фильтр R3-C1-R5 служит для подавления наводок фона переменного тока, а так же радиопомех на кабель, соединяющий датчик с основной схемой. Этот фильтр имеет особое значение, если датчик находится на значительном удалении от схемы терморегулятора и соединяется с ним длинным кабелем. Впрочем, в таком случае желательно использовать экранированный двухпроводной кабель, оплетку которого соединить с общим минусом питания. Подбором сопротивления резистора R4 при налаживании устанавливают оптимальный режим работы датчика-транзистора. Опорное напряжение поступает на прямой вход операционного усилителя А1. Его устанавливают делителем напряжения, состоящим из резисторов R2, R11 и R12. При помощи переменных резисторов R11 и R12 устанавливают температуру, которую нужно поддерживать. Здесь используется два переменных резистора,  R12 для грубой установки и R11 для точной. Резистором R11 можно регулировать температуру в пределах ±3 5°С, а резистором R12 в значительно более широких пределах. Напряжение от датчика поступает на инверсный вход операционного усилителя А1. На ОУ А1 выполнен компаратор, который сравнивает напряжение, поступающее от датчика с напряжением опорным, поступающим от делителя R2-R11-R12. Практически полное отсутствие гистерезиса в компараторе позволяет поддерживать заданную температуру с высокой точностью. Если температура опускается ниже заданного значения, на выходе А1 устанавливается высокое напряжение, которое через цепь R6-С2 поступает на базу транзистора VT2. Цепь R6-C2 образует фильтр нижних частот, который замедляет быстрые пульсации напряжения на выходе компаратора при работе вблизи пороговой температуры. Эта цепь замедляет быстроту повторения включения / выключения нагревателя, но при этом немного понижается точность установки температуры. Уменьшить замедление и увеличить точность можно уменьшением емкости конденсатора С2 или его полным исключением из схемы. Но в этом случае нужно будет мириться с очень частыми пульсациями включения / выключения нагревателя. Как только напряжение на С2 достигает достаточного уровня, транзистор VT2 открывается и через него поступает ток на светодиод оптопары U1. Маломощный симистор оптопары открывается и открывает мощный симистор VS1, через который подключен к электросети нагреватель. При подъеме температуры до установленной резисторами R11 и R12 величины напряжение на выходе А1 падает и это приводит к закрыванию транзистора VT2. Соответственно закрывается и симистор VS1, отключая нагреватель. Следует заметить, что у некоторых экземпляров операционных усилителей напряжение на выходе может падать при достижении необходимой температуры не до нулевой величины, а до некоторого значения, поддерживающего транзистор VT2 открытым. В таком случае можно в эмиттерную цепь транзистора VT2 включить один или несколько последовательно включенных диодов типа КД522, КД521 включенных в прямом направлении (катодом к общему минусу, анодом к эмиттеру). Источником питания схемы на ОУ может служить любой сетевой источник напряжением от 9 до 15V при токе не ниже 50 мА. Желательно чтобы источник был трансформаторным, что бы обеспечивалась полная гальваническая развязка между датчиком и сетью. Если же условия работы датчика таковы что развязка с электросетью не требуется, так можно сделать и бестрансформаторный источник, например, по широко применяемой в радиолюбительских разработках схеме на стабилитроне и конденсаторе, на реактивном сопротивлении которого падает избыток напряжения, или сделать импульсный источник, если конечно это целесообразно. Совсем не обязательно чтобы источник питания был стабилизирован - стабилизация измерительного узла в схеме уже предусмотрена. В качестве источника питания можно использовать блок питания от телевизионной игровой приставки «Денди» или стандартный блок для питания портативной аппаратуры. Конструкция датчика должна обеспечивать надежную изоляцию выводов транзистора от окружающей среди и при этом должна быть минимальная теплоизоляция между ним и окружающей средой. Можно поместить транзистор в стеклянную пробирку и засыпать чистым сухим прокаленным речным песком, а потом заткнуть пробирку резиновой пробкой, через которую вывести провода. Стекло обеспечит изоляцию выводов транзистора и защиту его от влаги, которая может быть в месте измерения температуры, а песок совместно со стеклом обеспечит хорошую теплопроводность между средой в которой измеряется температура и корпусом транзистора. Операционный усилитель К153УД5 можно заменить любым другим обычным операционным усилителем, например, таким как К157УД2. К140УД6, К140УД7. КР140УД608, КР140УД708, можно использовать и импортные операционные усилители. Выходной каскад можно сделать и на другом симисторе, например, на КУ208 или на оптосимисторе, в последнем случае оптопара не потребуется. Градуируют термостат с помощью малогабаритного кипятильника, стакана с водой и достаточно точного цифрового термометра. Сначала при отключенном кипятильнике датчик опускают в стакан воды R11 устанавливают в среднее положение, a R12 в нижнее по схеме. Затем поворачивают R12 до тех пор, пока на выходе А1 не появится высокое напряжение. Далее опускают кипятильник в стакан с водой и подключают его на выходе схемы. Наблюдают за поддержанием заданной температуры, и делают на шкалах вокруг переменных резисторов отметки, наблюдая за показаниями образцового термометра. Сначала нужно сделать отметки на шкале вокруг резистора R12, а затем вокруг R11.

Радиоконструктор №12 2011г стр. 20