Терморегулятор с высокой точностью поддержания температуры

Сергей Тинкован, Юрий Сорочану, г. Кишинев
Типичный недостаток практически всех простых аналоговых терморегуляторов - как недостаточное разрешение установки заданной температуры так и недостаточная точность её поддержания. Предлагаемый терморегулятор является улучшением типовой схемы терморегулятора, выполненного на аналоговом компараторе, и предназначен для замены устаревшей электроники в бытовых инкубаторах. В устройстве приняты меры по повышению безопасности эксплуатации терморегулятора за счет гальванической развязки нагревателя и устройства управления нагревателем.


Основные технические характеристики:
Интервал регулируемой температуры...36.5...39.5°С
Точность установки температуры...........0,1°С
Точность поддержания температуры......0.05...0.2°С
Мощность нагревателя.......................до 160 Вт
Работа устройства
Схема терморегулятора отличается от аналогичных терморегуляторов [1] наличием дополнительного усилителя сигнала термодатчика, введения элементов подстройки смещения и коэффициента усиления (рис.1).

Введенные цепи позволили растянуть интервал температуры с 36.5 до 39.5°С, где на выходе усилителя будет соответствовать напряжение примерно с 1.8 до 8.8 В, что благоприятно сказывается на точности и устойчивости коммутации нагревателя.
Если использовать сигнал термодатчика напрямую с измерительного моста, то на изменение температуры на ГС приращение напряжения в среднем составит примерно 30...40 мВ, при погрешности срабатывания компаратора в 2...3 мВ. Т.е., очевидно, что погрешность поддержания температуры лучше чем 0.3...0.5°С получить не удается. Определенный вклад в погрешность поддержания температуры вносят и некоторые параметры компаратора, а в особенности тепловой дрейф опорного напряжения и собственные шумы. При введении дополнительного усилителя сигнала влияние погрешности срабатывания компаратора можно уменьшить, в основном за счет увеличения приращения напряжения на его входе при изменении температуры на 1°С до величины в десятые доли вольта или даже до единиц вольта.
Линейный источник питания устройства выполнен по классической схеме и каких-либо особенностей не имеет. Дополнительный стабилизатор напряжения на ИМС DA1 с выходным напряжением +9 В выполняет функцию источника образцового напряжения. При таком решении уменьшается влияние колебания напряжения в сети 230 В/50 Гц на поддержание заданной температуры. Экспериментальная эксплуатация показала, что погрешность поддержания температуры в термокамере не превышает 0.1°С при перепаде температуры в помещении от 15 до 30°С (при неизменном положении движка R2), при этом были учтены замечания [2].
Для ограничения рабочего диапазона температур снизу служит цепь R6R7R8. Она задает начальное смещение таким образом, чтобы при температуре 36...36.5°С на выходе усилителя DA3.1 напряжение составило около 1.8 В. Цепочка R10R11 задает ограничение диапазона сверху. Ею регулируется коэффициент усиления DA1.3 до получения выходного напряжения DA1.3 равного 8.8 В при температуре 39.5...40°С. Для температур ниже 36°С и выше 40°С выходное напряжение усилителя DA1.3 будет близко к 0 В и 12 В соответственно.
Компаратор выполнен по классической схеме на DA3.2, в которой ширину гистерезиса задают соотношением номиналов резисторов R12 и R13. Оптронное управление симистором VS1 особенностей не имеет. При его разработке учтены меры по повышению помехоустойчивости, указанные в [2]. Для дальнейшего расширения возможностей устройства предусмотрены разъемы для подключения индикатора и подачи на него образцового и питающего напряжения, более подробно будет рассмотрено ниже.
Конструкция и детали:

Монтаж терморегулятора выполняется на односторонней печатной плате с размерами 70x47.5 мм. В качестве корпуса можно выбрать любой пластмассовый корпус заводского изготовления с подходящими размерами.
Если в распоряжении есть готовый сетевой адаптер (AC/DC-преобразователь) с выходным стабилизированным напряжение 12 В, то исключаются элементы Т1, VD1, С2 и DA2. Для нагревателей с мощностью 160...300 Вт следует предусмотреть для симистора VS1 радиатор с площадью 50...100 см2.
Стабилизатор напряжения LM7812 можно заменить КР142ЕН8Б, выпрямительный мост DB108 можно заменить аналогичным по параметрам. Подстроенные резисторы выбраны многооборотными типа СП5-2ВБ или импортный аналог. Регулировочный резистор R2 (рис.1) типа ППБ-1 или ППБ-2, с элементами крепления на лицевую панель. Светодиод HL1 (диаметром 5 мм) может быть любого типа, отечественного или зарубежного производства с рабочим прямым током 10... 15 мА красного цвета свечения.
Микросхема DA3 типа LM358, оптрон VU1 типа МОС3041 или МОС3061, с детектором перехода сети через ноль. Симистор VS1 типа ВТА06-600 или аналогичный, с рабочим напряжением не ниже 600 В и током нагрузки не менее 6 А.
Трансформатор Т1 можно выбрать любой, который обеспечивает на вторичной обмотке переменное напряжение 12 В при токе не менее 0.2 А.
Постоянные резисторы типа ОМЛТ, С2-33 или аналогичные с мощностью рассеивания 0.125 или 0.25 Вт.
Электролитические конденсаторы К50-35 или аналогичные импортного производства. Керамические конденсаторы малогабаритные любого типа отечественного или импортного производства, для конденсаторов в силовой части учесть указанное напряжение в схеме.
Настройка
После сборки и проверки платы подают напряжение питания и на выходе стабилизаторов напряжения DA1, DA2 проверяют наличие напряжения +9 В, +12 В соответственно. Далее проверяют падение напряжения на терморезисторе. При комнатной температуре оно должно составлять около 2.1...2.2 В, иначе необходимо уточнить номинал резистора R4.
Настройку терморегулятора предпочтительно проводить при наличии отдельной термокамеры, где можно выставить нижнюю и верхнюю температуру диапазона. Изначально в термокамере устанавливают температуру 36.5°С и подстроечным резистором R7 на выходе DA3.1 устанавливают напряжение 1.8 В, далее устанавливают температуру 39.5°С и подстроенным резистором R11 устанавливают выходное напряжение равным 8.8 В. Эту операцию повторяют 2-3 раза, пока положение подстроечных резисторов не надо будет менять.
Если настройка выполняется в составе бытового инкубатора, то ее проводят с помощью контрольного термометра, при этом чувствительный элемент термометра должен быть в непосредственной близости с терморезистором. При этом дополнительным условием для проведения регулировки является поддержание температуры в камере на неизменном уровне.
Если возникнет необходимость приспособить терморегулятор для других целей и другого интервала температур, то сама настройка проводится под требуемые температуры нижнего и верхнего пределов, при этом необходимо уточнить номиналы резисторов R4, R6, R8 для нижнего предела и R10 для верхнего в процессе настройки.
Литература
1. Каплун В.Н. Универсальный терморегулятор // Радиоаматор. - 2002. - №9. - С.23.
РА 03'2018

Оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи

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