Термостат на компараторах схема

Термостат на компараторах схема
Термостат на компараторах схема
Термостат на компараторах схема

Простые конструкции термостатов, как мы говорили, используют релейный принцип регулирования — «включено-выключено». Иначе такие регуляторы еще называют позиционными. ОУ здесь удобно включать по схеме компара­тора (от англ. compare — сравнивать) — то есть без собственной обратной связи. Так как коэффициент усиления его в таком включении огромен, то он и будет находиться в одном из двух состояний — если сигнал с задающего устройства больше сигнала датчика, на выходе ОУ будет практически поло­жительное напряжение питания, если меньше — отрицательное (или ноль, если питание однополярное).

На рис. 12.8 приведена практическая схема терморегулятора для аквариума. Устроена она, как видите, довольно просто. Датчик температуры Rt пред­ставляет собой термистор, то есть сопротивление его падает с увеличением температуры, и сигнал на инвертирующем входе ОУ также будет падать (конденсатор С1 обеспечивает сглаживание наведенных помех). С этим свя­зан один нюанс: в разобранной выше обобщенной схеме сигнал датчика воз­растал, но включен он был также в инвертирующий вход.

clip_image002

Рис. 12.8. Принципиальная схема терморегулятора для аквариума

Все дело тут в необычном устройстве выходного каскада компаратора 554САЗ (импортный аналог— LM311 в 14-выводном DIP-корпусе). У него в качестве оконечного усилителя используется довольно мощный п-р-п-транзистор (напряжение коллектор-эмиттер до 40 В и ток коллектора до 50 мА), который соединяется с остальной схемой внутри корпуса только ба­зой, а эмиттер и коллектор выведены наружу (эмиттер — вывод 2, коллек­тор— вывод 9). На самом деле напрямую выведен только коллектор, а эмиттер подключен несколько сложнее, но это для нас не имеет значения. Если мы присоединим эмиттер к «земле», то получим т. н. схему с «откры­тым коллектором», и именно так и делается в большинстве практических применений компаратора. Заметим, что в техническом описании компаратора LM311 фирмы National Semiconductor приведено большое количество типо­вых схем таких применений.

Чтобы получить на выходе напряжение, при этом следует в коллекторную цепь установить нагрузку— в простейшем случае это резистор, но можно подсоединить и обмотку реле или, скажем, лампочку. У нас нагрузкой слу­жит входной светодиод оптоэлектронного реле — токоограничивающий ре­зистор для него устанавливать не требуется, так как у данного типа (D2W202F) он уже имеется внутри реле. При наличии датчика с положитель­ным наклоном (например, обычного медного терморезистора, мы их будем изучать в главе 13) следует поменять местами либо R1 и Rt, либо входы ком­паратора 3 и 4.

Заметки на полях

Возникает вопрос — при таком выходном каскаде какой смысл приобретут по­нятия «инвертирующий» и «неинвертирующий» входы компаратора? Эти на­именования были присвоены с учетом того, что одно из основных назначений такого типа компараторов — преобразование аналогового сигнала в логиче­ские уровни. При этом выходной транзистор включается обычным способом, с общим эмиттером и нагрузкой в цепи коллектора. Тогда названия входов обре­тают следующий смысл: при превышении напряжением на инвертирующем входе напряжения на неинвертирующем, на выходе (то есть на коллекторе выходного транзистора) будет логический ноль (транзистор открыт), и наобо­рот. Если мы применим это рассуждение к нашему случаю, то увидим, что вы­ходной транзистор откроется, когда температура станет ниже необходимой (то есть когда сопротивление термистора велико). А нам это и надо — при этом реле включится и подключит нагреватель. При увеличении температуры со­противление термистора упадет, и когда напряжение на делителе R1—Rt ста­нет меньше, чем на делителе R2—R3—R4, то транзистор закроется и отклю­чит через реле нагреватель.

В данном случае целесообразно использовать именно термистор, потому что у него высокая (3—4%/^С) крутизна, отчего и чувствительность, и помехо­устойчивость системы возрастают. А характерная для термисторов нелиней­ность нас не волнует: в диапазоне температур для аквариума изменение кру­тизны датчика можно вообще не принимать во внимание, а в более широком диапазоне (как далее в схеме термостата для водонагревателя) крутизна уменьшится примерно в полтора раза при увеличении температуры на 60— 70°, что просто означает некоторое уменьшение чувствительности.

Здесь можно использовать термистор любого типа (например, классический ММТ-1) с номинальным (при 20 °С) сопротивлением от нескольких килоом до нескольких десятков килоом. При этом сопротивление резистора R1 должно быть примерно равно номинальному сопротивлению термистора при 20 °С или несколько меньше этого значения (чем оно меньше, тем хуже для термистора, так как он может перегреваться питающим током, однако, чем оно больше, тем меньше рабочий диапазон напряжений).

Сам датчик можно изготовить следующим образом (рис. 12.9): термистор с припаянными к нему достаточно длинными выводами помещается в метал­лическую или пластмассовую трубку и заливается эпоксидной смолой. Для того чтобы смола не вытекала, пока не затвердеет, нужно временно залепить нижнюю часть трубки пластилином. Одновременно в трубке с одного конца закрепляется «ухо» для крепления датчика, которое можно изготовить просто из проволочной петельки. Чтобы исключить выщелачивание вредных ве­ществ из эпоксидной смолы во время эксплуатации датчика, нужно дополни­тельно покрыть датчик водостойким лаком. Подойдут уретановые лаки для лакирования печатных плат, автомобильные эмали горячего отверждения (или, в крайнем случае, обычная олифа, которая имеет очень высокую водо­стойкость, но, к сожалению, сохнуть может при комнатной температуре не­делями). Операции окраски можно избежать, если использовать вместо эпок­сидной смолы силиконовый герметик, которым, однако, аккуратно заполнить внутреннюю полость трубки значительно сложнее (трубка при этом должна быть, естественно, либо пластиковая, либо нержавеющая).

clip_image004

Рис. 12.9. Датчик для терморегулятора по рис. 12.8: 1 — металлическая или пластмассовая трубка; 2 — «ухо» для крепления; 3 — слой водостойкого лака; 4 — место пайки вывода термистора; 5 — термистор; б — эпоксидная смола; 7 — выводы

Электронное реле типа D2W202F (фирмы CRYDOM) можно заменить на лю­бое другое подобное реле или даже на простое электромеханическое, только в последнем случае нужно учитывать то, что написано далее о дребезге кон­тактов.

Настройка регулятора сводится к тому, чтобы подобрать сопротивления R2 и R4 под конкретный экземпляр термистора. Сначала мы подсоединяем вместо них переменные резисторы, выводим движок потенциометра R3 в верхнее положение по схеме, погружаем датчик в воду с температурой 18 °С (это бу­дет нижний предел диапазона регулировки температуры) и, изменяя величи­ну R2, фиксируем момент срабатывания реле (можно просто подсоединить к его контактам тестер в режиме «прозвонки», но удобнее временно вместо нагрузки подсоединить маломощную лампочку накаливания). Далее погру­жаем датчик в воду с температурой 32 (верхний предел), выводим R3 в нижнее положение и подбираем R4 до срабатывания реле. При этом у нас нижний предел также «уедет», поэтому придется сделать несколько итера­ций, чтобы добиться нужного результата, и при этом нужно следить за тем­пературой воды — она в обоих случаях не должна меняться от раза к разу. Чтобы не устраивать столь долгую «песню», можно просто измерить напря­жение на делителе R1—^Rt при нужных температурах и рассчитать величины сопротивлений R4 и R2 заранее, а затем при необходимости их подкорректи­ровать (хотя этого обычно не требуется — какая разница, будет у нас нижний предел 18 или 17 °С? Главное, чтобы мы его знали.)

В окончательной конструкции регулировочный резистор R2 снабжается шка­лой, по которой мы будем устанавливать поддерживаемую температуру. Следует учесть, что при использовании термистора шкала эта будет нерав­номерная — к концу промежутки между делениями будут короче, так как чувствительность термистора с температурой падает. Поэтому шкалу следует изготовить эмпирическим методом: полностью отлаженный термостат под­ключается к небольшой емкости с водой (чтобы нагревание и остывание шло не слишком долго), а затем отмечаются углы поворота движка резистора R2, которые соответствуют различным установившимся температурам — именно установившимся, а не температурам в момент срабатывания реле, так как они могут отличаться. Эта процедура носит название калибровки.

Кстати, а как же здесь быть с теплоизоляцией и перемешиванием, о необхо­димости которых «так долго говорили большевики»? Теплоизоляцией, есте­ственно, придется пожертвовать, но при столь небольших перепадах темпе­ратур между водой и окружающей средой она и не требуется. А вот насчет перемешивания «большевики» совершенно правы: без него ничего не вый­дет. Поэтому терморегулятор в аквариуме можно использовать только в со­четании с аэратором воды, который очень хорошо ее перемешивает, причем рассеиватель аэратора должен быть размещен на самом дне аквариума. При этом датчик подвешивают на половине высоты аквариума, а нагреватель — также вблизи дна.

Нагреватель указанной мощности лучше всего купить в магазинах для аква­риумистов, но в принципе можно и изготовить самостоятельно из мощного остеклованного резистора типа ПЭВ сопротивлением около 1 кОм. Мощ­ность резистора может быть не более 5—10 Вт — в воде коэффициент тепло­отдачи возрастает во много раз. Только не забудьте, что такой нагреватель, подобно обычному кипятильнику, нельзя включать на воздухе. Выводы сле­дует тщательно изолировать: сначала они покрываются лаком, затем изоли­руются термоусадочным кембриком, затем поверх него также покрываются в несколько слоев водостойким лаком или силиконовым герметиком. После изготовления качество изоляции следует проверить: погрузите нагреватель в теплый раствор соли и измерьте сопротивление между выводами и раство­ром — на всех пределах измерения сопротивления мультиметр должен пока­зывать полный разрыв цепи.

Подчеркнем еще раз, что если температура воздуха в помещении сама дос­тигнет заданной и превысит ее, то терморегулятор наш перестанет включать­ся, и температура воды будет равна температуре воздуха (точнее, она всегда будет несколько ниже ее — из-за испарения с поверхности). Данный термо­стат предназначен только для подогрева воды и стабилизации ее температу­ры на некотором уровне, заведомо более высоком, чем температура окру­жающей среды. И его использование наиболее актуально зимой, когда отопление в наших квартирах работает сами знаете как.

Термостат на компараторах схема Термостат на компараторах схема Термостат на компараторах схема Термостат на компараторах схема Термостат на компараторах схема

Статьи по теме:



Сценарий поздравления автомобиля

Коврики для маникюра с номерами телефонов

К чему снится макияж на свадьбу

Как сделать маленькое крыльцо к дому

Как самой сделать букет в шляпной коробке своими руками