Терморегулятор с высокой точностью поддержания температуры

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 5…39.5°С
• Точность установки температуры 1°С
• Точность поддержания температуры 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 1°С 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.

Рис. 1

Конструкция и детали

Монтаж терморегулятора выполняется на од­носторонней печатной плате с размерами 70×47.5 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. Подстроечные 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 BTA06-600 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 DА1, DА2 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 DА3.1 уста­навливают напряжение 1.8 В, далее устанавли­вают температуру 39.5°С и подстроечным резис­тором R11 устанавливают выходное напряжение равным 8.8 В. Эту операцию повторяют 2-3 раза, пока положение подстроенных 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 то для верхнего в процессе на­стройки.

Литература

1. Каплун В.Н. Универсальный терморегуля­тор // Радиоаматор. — 2002. — №9. — С.23.

Автор: Сергей Тинкован, Юрий Сорочану, г. Кишинев
Источник: Радиоаматор №3/2018