Большинство существующих терморегуляторов или сложны и громоздки, или просты, но не обладают достаточной точностью и имеют плохие динамические характеристики. О создании терморегулятора, в котором отсутствуют указанные недостатки, рассказано в этой статье.
Принципиальная схема терморегулятора показана на рисунке ниже. Датчиком температуры рассматриваемого устройства является прецизионная микросхема DK типа LМ335А, обладающая хорошей линейностью характеристики в диапазоне температур от -40 до +100°С.
Основой терморегулятора служит ШИМ-контроллер DD1 типа КА3525А [1], частота работы которого синхронизирована с частотой питающей сети. Его применение обусловлено тем, что он может работать с внешней низкочастотной синхронизацией, имеет встроенный источник опорного напряжения (ИОН), который кроме своей функции по обслуживанию контроллера питает выходной транзистор VT2 узла, синхронизирующего его работу с удвоенной частотой сети.
Существующие гальванически изолированные схемы формирователей коротких импульсов при переходе сетевого напряжения через ноль [2] имеют большое количество элементов, а значит, и соответствующие габариты. Предлагаемая в статье схема детектора перехода питающего напряжения через ноль состоит из двух транзисторных оптопар U1, U2 типа РС817, светодиоды которых включены навстречу друг другу, а фототранзисторы — параллельно. При переходе сетевого напряжения через ноль, на коллекторе выходного транзистора VT2 формируются импульсы длительностью 500 мкс амплитудой 5 В, которые подаются на синхронизирующий вход контроллера КА3525А (вывод 3 DD1 ).
Напряжение с выхода датчика температуры DK через делитель напряжения R1R2 поступает на вход усилителя ошибки контроллера (вывод 2 DD1), усиление которого регулируется подстроечным резистором R9. С выходов 11 и 14 микросхемы DD1 импульсы, длительность которых пропорциональна разности заданной температуры и температуры рабочей среды, через сумматор на диодах VD1, VD2 приходят на вход инвертора VT1. С коллектора этого транзистора импульсы поступают на последовательно соединенные светодиоды силовых оптотиристоров U3 и U4 типа ТO132-40-6. Фототиристоры этих элементов включены встречно-параллельно, тем самым обеспечивают прохождение переменного тока через нагрузку (нагреватель) ЕК.
Установка необходимой температуры осуществляется переменным резистором R5, а выбор диапазона рабочих температур подбором резисторов R4 и R6, значения которых подбирают при настройке терморегулятора. Мягкий пуск контроллера осуществляется с помощью конденсатора СЗ. Конденсатор С5 препятствует появлению паразитных помех в цепи питания контроллера.
Такое построение терморегулятора позволяет свести к минимуму перерегулирование температуры в рабочем объеме с диапазоном температур от 35 до 100°С. Точность поддержания температуры составляет ±0,1 °С.
Для питания терморегулятора можно использовать любой блок питания напряжением =12 В и рабочим током 0,1 А. Автор использовал импульсный блок питания типа DSA-12 GFEU 120120 со следующими выходными параметрами:
- выходное напряжение =12 В;
- ток нагрузки до 0,3 А.
Для уменьшения размеров терморегулятора корпус импульсного источника питания был демонтирован.
Конструкция и детали
В устройстве могут быть использованы любые резисторы мощностью 0,125 Вт, за исключением резистора R15, мощность которого должна быть 2 Вт. Диоды VD1, VD2 типа 1N4007 могут быть заменены КД521, КД522 или светодиодами, по яркости свечения которых можно судить о величине напряжения, поступающего на нагрузку. При выходе на заданную температуру светодиоды перестают светиться. Термодатчик LM335A можно заменить LM35, при этом необходимо произвести перенастройку контроллера с подстроечным резистором R9. Длина проводов, которыми подключается термодатчик, не должна превышать 1,5 м. Две оптопары U1, U2 можно заменить одной двойной типа РС827. Оптотиристоры U3, U4 можно также заменить одним оптомодулем МТОТО 4/3-40-4.
Элементы устройства А1 размещены на макетной плате размерами 50×50 мм, которая с помощью клеммных колодок Х1 и Х2 подключена к остальным элементам терморегулятора. Размеры корпуса терморегулятора определяются величиной силовых элементов U3, U4 и их радиаторов.
Настройка
Для настройки терморегулятора желательно изготовить стенд, состоящий из проволочного трубчатого резистора типа С5-35 В или ПЭВ, мощностью 100 Вт и сопротивлением 680 Ом, который с помощью стоек необходимо закрепить на изоляционном основании. При настройке этот резистор используется в качестве нагрузки. Для контроля температуры необходимо применить ртутный термометр ТЛ-4, цена деления которого ±0,1°С.
Во время настройки датчик температуры и термометр находятся внутри нагрузочного резистора.
Регулировка устройства сводится к установке границ температурного диапазона в пределах 35… 100°С, а также градуировки шкалы переменного резистора R4, который является задатчиком температуры. Для установки температурного диапазона резисторы R4 и R6 подбирают таким образом, чтобы при верхнем положении потенциометра R5 температура была максимальной, а при нижнем -минимальной. Чувствительность схемы устанавливают подстроечным резистором R9. Вращая ручку потенциометра R5, на его шкале следует нанести значения температуры в соответствии с показаниями термометра. Если необходимо настроить терморегулятор в более узком диапазоне температур, то это можно осуществить изменением величин резисторов R4, R6. При этом также надо заново отградуировать шкалу задатчика температуры.
При указанных на схеме элементах, мощность термостата может достигать 8 кВт. Для изменения выходной мощности достаточно только поменять тип оптотиристоров U3, U4.
Предлагаемое устройство может применяться в бытовых и промышленных устройствах управления нагревательными элементами для высокоточного поддержания температуры в рабочей зоне. Устройство имеет хорошие динамические характеристики. Кроме того, в нем обеспечена полная гальваническая развязка элементов терморегулятора от рабочей среды.
Литература
- КА3525А SMPS Controller. Режим доступа: www.fairchildsemi.com.
- Luca Matteini. Детектор перехода напряжения через ноль с минимальным количеством высоковольтных компонентов // Радиолоцман. — 2011. -№12. -С.65-67. Режим доступа: http://www.rlocman. ru/book/book.html?di=112697.
Автор: Константин Лященко, г. Одесса
Источник: Радиоаматор №2, 2015
