Виды термостабилизаторов, датчики, их недостатки и преимущества
Схемы терморегуляторов и термостабилизаторов довольно популярны среди радиолюбителей. Но большинство из термостабилизаторов реализованы по схеме: мост с терморезистором, далее усилитель сигнала рассогласования, потом электронный ключ и нагреватель.
Реже в качестве термочувствительного датчика применяют полупроводниковые элементы – диоды, транзисторы или специальные ИМС – датчики. Также пользуются популярностью различные термопары.
Наиболее дешёвыми и распространенными являются терморезисторы с отрицательным ТКС (NTC). Номенклатура сопротивлений которых чрезвычайно широка. Коэффициент сопротивления у них достаточно большой, к тому же их часто используют в различных электронных узлах для термокомпенсации и терморегулирования.
В терморегуляторах чаще применяют двухпозиционные регуляторы (выключено-включено). Они характеризуются тем, что, когда температура внутри контролируемого объекта достигнет установленной, усилитель сигнала рассогласования выключает электронный ключ, обесточивая нагреватель.
Но нагреватель, обладая тепловой инерцией, продолжает отдавать в пространство некоторое количество тепла, что приводит к процессу перерегулирования. Перерегулирование зависит от массы нагревателя и его температуры. В непроработанных устройствах разброс температуры может достигать нескольких градусов, что недопустимо для инкубаторов, пчелиных улей, генераторов плавного диапазона приемо-передатчиков.
Такого недостатка (перерегулирования) лишены так называемые изодромные регуляторы, в которых мощность, подающаяся на нагреватель, уменьшается по мере приближения температуры к установленной.
Такие регуляторы способны поддерживать заданную температуру с очень малыми температурными колебаниями. Температурная нестабильность будет зависеть от тепловой инерции терморезистора и не зависеть от мощности и массы нагревателя (конечно, применённых в пределах разумного).
Схема электрическая
Электропитание схемы – бестрансформаторное с гасящим конденсатором С2. Выпрямитель собран на диодах VD3, VD4, сглаживается конденсаторами С3, С4, стабилизируется с помощью VD5.
Светодиод VD1 – индикатор подачи напряжения. На резисторе R1 гасится излишнее напряжение сети, а диод VD2 защищает светодиод от обратного напряжения.
Резистор R3 ограничивает ток, протекающий через схему в первоначальный момент включения её в сеть, так как ток зарядки конденсатора может вывести некоторые элементы из строя. Резистор R2 служит для разряда конденсатора С2 после отключения схемы от сети.
На транзисторах VT2, VT3 и резисторах R8, R9, R10 выполнен узел выделяющий момент перехода сетевого напряжения через ноль. При практически нулевом напряжении, на коллекторах VT2, VT3 формируется импульс длительностью около 1 мс. Инвертором DD1.1 импульс инвертируется и улучшается крутизна фронтов.
На элементе DD1.2 собран генератор коротких импульсов длительностью примерно 8 мс и периодом следования 500 мс. За это время заряжается конденсатор С5. Импульсом 8 мс через диод VD7 и резистор R6 конденсатор разряжается.
При низком логическом уровне на входе DD1.2 на выходе высокий уровень, который током через диод VD6 и резистор R4 заряжает конденсатор С1. При достижении порога элемент переключается в противоположное состояние. Конденсатор разряжается через R5, формируя полусекундный интервал.
Генератор пилообразного напряжения выполнен на полевом транзисторе VT1 и биполярном VT4. Транзисторы включены по схеме так называемого составного истокового повторителя со следящей обратной связью, обладающего коэффициентом передачи напряжения, близким к единице.
Изменение напряжения на выходе повторителя с большой точностью повторяет изменение напряжения на его входе, т.е. на конденсаторе С5, поэтому разность напряжений на выводах терморезисторов RK1, RK2 сохраняется постоянной при росте напряжения на конденсаторе.
Скорость заряда зависит от суммарного сопротивления терморезисторов. Их сопротивление в свою очередь зависит от температуры. Этим достигается преобразование температура-ток.
Для увеличения крутизны преобразования два термосопротивления включены последовательно.
Повторитель на транзисторах VT1, VT4 обладает большим входным сопротивлением, поэтому он практически не нагружает времязадающий конденсатор С5.
Резистором R12 в некоторых пределах можно регулировать скорость заряда конденсатора С5.
Линейно спадающее напряжение с выхода генератора пилообразного напряжения подается на один из входов элемента DD1.4. Пока это напряжение больше порогового, импульсы с выхода элемента DD1.1 проходят на базу усилителя тока VT5. Транзистор, открываясь на короткое время, пропускает ток на управляющий электрод симметричного тиристора. Симистор включается практически тогда, когда между анодами минимальное напряжение, тем самым не создавая помех.
Ток, протекая через резистивное сопротивление ЕК1, создает джоулево тепло. Светодиод VD8 – индикатор включения нагревателя.
При увеличении температуры внутри контролируемого объекта сопротивление терморезисторов уменьшается, скорость заряда конденсатора С5 увеличивается, крутизна спадающего напряжения увеличивается, вследствие чего уменьшается количество импульсов, проходящих на выход элемента DD1.4.
Симистор в течение полусекундного интервала включается реже. Следовательно, нагрев элемента ЕК1 уменьшается. В итоге работы термостабилизатора наступит равновесие между теплом, поступающим от нагревателя, и отдачей тепла в окружающую среду.
Конструкция, детали и наладка
Односторонняя печатная плата из фольгированного стеклотекстолита для схемы представлена ниже.
Симистором VS1 можно коммутировать нагрузку с током до 4 А. Ток управляющего электрода 10 мА.
Биполярные транзисторы можно заменить нашими 361/315 или 3107/3102, а микросхему на К561ТЛ1. Терморезисторы можно использовать типа ММТ-1.
Устанавливают терморезисторы в том месте, в котором предполагается максимальное изменение температуры.
Контролируя температуру среды внутри объёма термометром с ценой деления не хуже 0,1°С, после окончания возрастания температуры, подстроечным резистором устанавливают необходимую температуру.
При применении вентилятора для перемешивания воздуха требования к размещению терморезисторов становятся некритичны.