ДВУХПОРОГОВЫЙ ТЕРМОСТАТ

Шабаев М.Р.
Обычно термостаты строят по схеме, где компаратор сравнивает напряжение на датчике температуры с образцовым напряжением. Чтобы нагреватель не включался / выключался слишком часто в схему компаратора вводят гистерезис, -разницу между уровнем включения и уровнем выключения, придавая компаратору свойства триггера Шмитта. Но такой способ имеет недостатки, в частности весьма сложно оперативно выставить параметры, задав точно температуру включения и температуру выключения нагревателя, поскольку элемент, которым задается гистерезис (обычно это резистор между входом и выходом компаратора) влияет не только на разницу между уровнями включения / выключения, но и на сами уровни. Приходится действовать методом последовательных приближений, что является сложным и кропотливым процессом.


Регулируемый термостат будет проще в эксплуатации, если будет два независимых органа управления, - один регулирует
порог включения нагревателя, а второй -порог выключения. При этом регулировки никак не должны влиять друг на друга. Такую схему можно сделать, если составить её из двух термостатов, с одним общим датчиком температуры. Один термостат будет управлять включением нагревателя, а другой - выключением. При этом термостаты должны быть без гистерезиса, а в составе исполнительного устройства должна быть двухстабильная схема, например, RS-триггер, стабильные состояния которого будут переключаться компараторами - термостатами.

Принципиальная схема двухпорогового термостата показана на рисунке 1. Термостат предназначен для поддержания температуры в пределах 20-40°С. В этих пределах можно установить верхнюю и нижнюю температуру, то есть, температуру выключения нагревателя и температуру включения нагревателя. Диапазон можно и расширить или сдвинуть, изменив сопротивления в цепях регулируемых делителей напряжения, с помощью которых устанавливаются образцовые напряжения (резисторы R2, R3, R6, R7, R9, R10).
Датчиком температуры является тер-мистор R1, это полупроводниковый терморезистор с номинальным сопротивлением 10 кОм при температуре 25°С. С повышением температуры его сопротивление уменьшается. Он работает в обеих схемах термостатов. В термостате, включающем нагреватель, он вместе с R4 создает термозависимый делитель напряжения, поступающего от стабильного источника напряжением 5,1V (напряжение стабилизировано стабилитроном VD5). Конденсатор С1 необходим для подавления фоновых наводок на термистор и провода, идущие от него к блоку. Если проводка от датчика до электронного блока протяженная, - желательно чтобы провода соединяющие термистор с блоком были экранированы. Это может быть одножильный низкочастотный экранированный провод, оплетку которого можно соединить с источником +5.1V, а жилу с R4.
Напряжение с термозависимого делителя поступает через резистор R5 на положительный вход компаратора, отвечающего за включение нагревателя. Этот компаратор собран на операционном усилителе А1.
На отрицательный вход операционного усилителя А1 поступает образцовое напряжение от делителя, состоящего из резисторов R2, R3, R6. С помощью резистора R3 устанавливают необходимую минимальную температуру (вокруг
ручки надетой на вал R3 сделана шкала в значениях температуры).
Пока температура достаточна напряжение на отрицательном входе А1 будет меньше напряжения на его положительном входе, и на его выходе будет повышенное напряжение, соответствующее уровню логической единицы для микросхемы D1. Температура снижается и сопротивление термистора постепенно увеличивается. В какой-то момент напряжение на положительном входе А1 становится меньше напряжения, установленного резистором R3 на отрицательном входе операционного усилителя. Состояние компаратора меняется на противоположное, - напряжение на его выходе падает до уровня логического нуля. Это ведет к переключению RS-триггера, собранного на элементах микросхемы D1, в состояние, когда на выходе элемента D1.4 имеется низкий логический уровень. Это приводит к увеличению напряжения между эмиттером и коллектором VT1 и его открыванию. Через транзистор ток проходит на светодиод оптопары U1.1 и её симистор открывается, включая нагреватель ТЭН. Одновременно загорается индикаторный светодиод HL1, показывающий что нагреватель включен.
В это время, компаратор на А2, работающий на выключение находится в таком же состоянии, как А1, - на его выходе низкий логический уровень. Но, этот уровень с его выхода на RS-триггер поступает через инвертор D1.3, поэтому на вывод 6 D1.2 поступает логическая единица. Триггер остается в положении, в котором нагреватель включен.
Теперь температура повышается, и сопротивление R1 снижается. Через некоторое время напряжение на прямом входе А1 становится выше напряжения а инверсном. На выходе А1 устанавливается высокий логический уровень. Но состояние триггера не меняется и нагрев продолжается.
Постепенно увеличиваясь, напряжение на R1 достигает и превышает напряжение на инверсном выходе А2, на который поступает образцовое напряжение от делителя, состоящего из резисторов R7, R9, R10. С помощью резистора R9 устанавливают необходимую максимальную температуру (вокруг ручки надетой на вал R3 сделана шкала в значениях температуры). В результате на выходе А2 устанавливается высокий логический уровень, а на выходе D1.3 - низкий. Триггер на D1 переключается в противоположное состояние. На выходе D1.4 устанавливается единица и транзистор VT1 закрывается. Нагреватель выключается.
Источник питания выполнен на маломощном силовом трансформаторе Т1 типа ТП122-3 с вторичной обмоткой на 8,5V. Можно использовать любую альтернативу с номинальным напряжением на вторичной обмотке в пределах 6-10V.
Для включения нагревателей можно использовать любые оптосимисторные оптопары, допускающие необходимую мощность и могущие работать на напряжении электросети (допустимое напряжение на закрытом симисторе должно быть не менее 300V). Перед подключением оптопары нужно знать есть ли в цепи её светодиода ограничитель тока. В MP240D3 ограничитель тока имеется и на светодиод можно подавать любое напряжение от 3 до 30V без каких-либо токоограничительных резисторов. В других оптопарах ограничителя тока может не быть, в таком случае нужно последовательно светодиоду оптопары включить
резистор такого сопротивления, чтобы при напряжении 11-14V через светодиод протекал номинальный, для данной оптопары, ток управления.
Если в вашем распоряжении нет данных о наличии ограничителя тока в светодиоде оптопары, и величине номинального тока через этот светодиод, это можно проверить экспериментально. Подключите оптопару согласно схеме, и нагрузите её лампочкой соответствующей мощности (или включите лампу малой мощности параллельно нагревателю). Анод светодиода оптопары не подключайте к коллектору VT1, а подключите его к + С6 через переменный резистор сопротивлением 2-5 кОм, выведенный на максимальное сопротивление. Затем, медленно уменьшая сопротивление данного резистора добейтесь зажигания лампы на полную яркость. После этого выпаяйте из схемы этот переменный резистор и измерьте его сопротивление. Установите между коллектором VT1.1 и светодиодом оптопары постоянный резистор, сопротивление которого на 20-30% меньше полученного результата.
Термистор подойдет почти любой с отрицательной зависимостью (чем выше температура, тем ниже сопротивление), важно чтобы его конструкция соответствовала применению и чтобы его номинальное сопротивление (при +25°С) было не менее 3 кОм и не более 100 кОм (пропорционально нужно будет изменить и R4). При малом номинальном сопротивлении термистора (ниже 3 кОм), во-первых, увеличивается нагрузка на источник +5,1, а во-вторых, возрастает подогрев термистора за счет протекающего через него тока. При слишком большом номинальном сопротивлении (более 100 кОм) могут возрасти наводки на сам термистор и его соединительные провода, а так же, возрастает влияние влажности.
Операционный усилитель подойдет любой общего применения. То же самое можно сказать и о других деталях.
PК 02-2015

Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru Счетчик тИЦ и PR