Терморегулятор – одно из самых востребованных устройств в радиолюбительской практике. Создано множество схем, использующих разные датчики, элементную базу и способы регулирования.
Схема терморегуляторов для инкубаторов
Терморегулятор для инкубатора создан после долгого поиска оптимального варианта терморегулятора для использования в промышленных инкубаторах старых и новых образцов, хотя с успехом может применяться и для решения других задач. Автором было рассмотрено около 50-ти схем разных авторов, доступных в Интернете, технической и периодической литературе, однако не удовлетворяющих основным поставленным требованиям.
Большинство схемных решений используют позиционный (релейный) способ регулирования температуры, при котором нагревательные элементы (ТЭНы) либо включаются на полную мощность, либо отключаются полностью. Такой способ применим для инкубаторов небольшого объема, при использовании в больших камерах со значительной тепловой инерцией, наблюдается слишком большая разница температур 2…3 градусов в разных местах камеры, даже при сильном перемешивании воздуха вентиляторами.
При этом температура в месте установки датчика стабилизируется с достаточно высокой точностью до 0,1 градусов. Причина данного явления состоит в том, что тепловая энергия в камеру подается порциями с периодом, который соизмерим с тепловой постоянной времени инкубационной камеры.
Как результат, в камере образуются зоны с постоянной, но различной температурой, наблюдается своеобразный тепловой резонанс. Улучшить равномерность распределения температуры можно, повысив интенсивность перемешивания воздуха, но это неизбежно негативно скажется на качестве инкубации – приведет к высыханию яиц, попавших в сильные потоки теплого воздуха.
Другой способ, использованный автором в предлагаемой схеме – применение пропорционального терморегулятора, в котором мощность ТЕНов плавно регулируется, и находится в пропорциональной зависимости от разницы реальной и заданной температур. В таком случае, после выхода инкубатора на заданную температуру и окончания переходных процессов, мощность ТЭНов стабилизируется на уровне, достаточном для компенсации потерь энергии. Разницу температуры в разных местах камеры удается свести к минимуму.
Кроме того, уменьшение тока через ТЭНы позволяет увеличить срок их службы, и уменьшить сжигание кислорода на их поверхности. В качестве датчика температуры в терморегуляторе использовано медное термосопротивление с номинальной статической характеристикой преобразования (НСХП) 50М (50 Ом при 0°C), хотя возможно применение других медных или платиновых термосопротивлений – 100М, 50П, 100П, НСХП которых приведены в табл.1.
Данный выбор обусловлен тем, что данные датчики выпускаются промышленностью с достаточно высокой точностью, и позволяют производить их замену без дополнительной настройки схемы. Они достаточно чувствительны, обладают линейной характеристикой, могут применяться в широком диапазоне температур, выпускаются в корпусах, стойких к влаге и агрессивному воздействию, и, главное, их легко найти на любой барахолке. Датчик можно изготовить и самому, как это сделать достаточно подробно рассказано в [7].
Номинальные статические характеристики преобразования (НСХП) распространенных термопреобразователей (Ом)
[styled_table]
| t°C | 50М | 50М | 100М | 100М | Гр.21 | Гр.23 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 50.00 | 50.00 | 100.00 | 100.00 | 46.00 | 53.00 |
| 5 | 51.07 | 50.99 | 102.14 | 101.98 | 46.91 | 54.13 |
| 10 | 52.14 | 51.98 | 104.28 | 103.97 | 47.82 | 55.26 |
| 15 | 53.21 | 52.97 | 106.42 | 105.94 | 48.73 | 56.39 |
| 20 | 54.28 | 53.96 | 108.56 | 107.92 | 49.64 | 57.52 |
| 25 | 55.35 | 54.95 | 110.70 | 109.89 | 50.54 | 58.65 |
| 30 | 56.42 | 55.93 | 112.84 | 111.86 | 51.45 | 59.77 |
| 35 | 57.49 | 56.91 | 114.98 | 113.83 | 52.35 | 60.90 |
| 37.5 | 58.03 | 57.40 | 116.05 | 114.81 | 52.81 | 61.47 |
| 40 | 58.56 | 57.89 | 117.12 | 115.79 | 53.26 | 62.03 |
| 45 | 59.63 | 58.87 | 119.26 | 117.75 | 54.16 | 63.16 |
| 50 | 60.70 | 59.85 | 121.40 | 119.71 | 55.06 | 64.29 |
[/styled_table]
Принципиальная схема терморегулятора показана здесь на рисунке 1. Датчик температуры RT1 включен в измерительный мост постоянного тока, состоящий из резисторов R15-R18, R25. Питание измерительного моста осуществляется стабилизированным отрицательным напряжением -5В через цепочку R19, VD11. Переменным резистором R25 изменяется ток через плечи моста, и таким образом осуществляется настройка терморегулятора на нужную температуру.
Резистор R18, включенный параллельно R25, служит для подбора ширины диапазона регулирования. Резистор R16, включенный параллельно R16, служит для подбора середины диапазона регулирования. Автором не использованы подстроечные резисторы с целью удешевления и повышения надежности схемы. Конденсаторы С10, С11 служат для фильтрации помех, диоды VD9, VD10 – для защиты входов операционного усилителя DA1.
Разница напряжений с диагонали измерительного моста поступает на дифференциальные входы операционного усилителя DA1, который осуществляет необходимое усиление входного сигнала. На элементах R21, C14 реализована обратная связь, определяющая коэффициент усиления схемы. R14, С12, С13 – внешние элементы коррекции ОУ. С выхода операционного усилителя усиленный сигнал проходит через интегрирующую цепочку R20.C15, и через токозадающий резистор R26 поступает на светодиод оптрона V2. Также к выходу ОУ подключен миллиамперметр-индикатор Р1, по которому удобно отслеживать работу терморегулятора.
Питание устройства осуществляется от обычного трансформаторного двухполярного блока питания, содержащего параметрические стабилизаторы на -5В, -9В, +9В, +12В. Также, для питания выходного каскада используется нестабилизированное напряжение + 15В. Единственной особенностью является применение диода VD2, для возможности использования пульсирующего напряжения с выхода диодного моста VD1 (осц.1. изображение.2).
Двухполупериодное напряжение через токоограничивающий резистор R5 поступает на светодиод оптрона VI. Транзистор этого оптрона открыт почти все время, кроме короткого промежутка, когда сетевое напряжение близко к нулю. В результате, на выходе оптрона вырабатываются положительные импульсы перехода сетевого напряжения через ноль, которые подаются на вход 1 DD1.1 (ocц.2. рис.2). Проинвертированные элементом DD1.1 импульсы (осц.3. рис.2) поступают на формирователь пилообразного напряжения собранный на элементах VD7, V2, R27, С8, с которого сигнал поступает на включенные последовательно инверторы DD1.2. DD1.3.
Время заряда конденсатора С8 определяется сопротивлением транзистора оптрона V2, которое, в свою очередь, зависит от напряжения на выходе ОУ DA1. С увеличением данного напряжения возрастает крутизна «пилы», изменяется момент достижения ею порогового значения Up (осц.4. изображение.2) и изменяется фаза переднего фронта импульсов выходе элемента DD1.3 (осц.5. рисунок.2). Дальше, импульсы поступают на формирователь импульса управления тиристорами, собранный на дифференцирующей цепочке С9, R10.VD8 и включенных последовательно инверторов DD1.4.DD1.5.
В результате, на базу составного транзистора VT2.VT3 поступают для усиления по току короткие импульсы с фазой, зависящей от разбалланса измерительного моста (осц.7. изображение.2), то есть напряжение на ТЭНы будет изменяться в зависимости от разницы реальной и заданной температур. Для уменьшения влияния на работу схемы, питание выходного каскада на составном транзисторе VT2.VT3 осуществляется нестабилизированным напряжением + 15В. Светодиод HL2 служит для контроля за работой регулятора, яркость его свечения свидетельствует о размере напряжения, поданного на ТЭН.
Схема имеет гальваническую развязку с сетью 220 В, реализованную с помощью трансформатора Тр1 и оптотиристоров VS1.VS2. Несколько слов о деталях, использованных в схеме. Трансформатор Тр1, мощностью 6-10Вт, с двумя вторичными обмотками на напряжение под нагрузкой 12-13 В. Стабилитроны – любые на соответствующие напряжения. В случае использования 100М или 10ОП следует изменить номинал резистора R12 на 100 Ом.
Для силовой части схемы автором использованы два оптотиристора Т0112-25, включенные встречно, которые, при установке на теплоотводы, позволяют управлять ТЭНами, мощностью до 2 кВт. Возможно использование других вариантов силовой части схемы, использованных в [5], [6], [8]. Настройка схемы производится в такой последовательности.
Подключить к терморегулятору в качестве нагрузки лампу накаливания мощностью 40…60 Вт.
- Поместить датчик температуры в термостат с температурой 37,5°С, или подключить вместо датчика магазин сопротивлений, на котором установить сопротивление, соответствующее сопротивлению датчика при температуре 37,5°С, или подключить вместо датчика резистор с сопротивлением, соответствующим сопротивлению датчика при температуре 37,5 °C. Желательно сразу использовать для подключения кобель нужной длины, чтобы учесть его сопротивление.
- Установить движок переменного резистора R25 в среднее положение и подбором резистора R16 добиться уровня напряжения на выв. 10 DA1 +2В.
- Проверить распайку переменного резистора R25, при повороте движка по часовой стрелке, уровень напряжения на выв. 10 DA1 должен возрастать.
- Повернуть движок переменного резистора R25 по часовой стрелке до упора, подбором резистора R26 добиться формы пилообразных импульсов на выв. 3DD1.2 (осц. 4. изображение. 2) соответствующей кривой С, при которой скважность прямоугольных импульсов на выв. 6DD1.3 (осц. 5. рисунок. 2) достигнет значения 1:10, что соответствует минимальному углу сдвига управляющего импульса относительно момента перехода сетевой синусоиды через ноль.
- Плавно вращая движок переменного резистора R25 убедиться, что яркость лампы плавно изменяется от минимума к максимуму.
- Градуировку шкалы удобнее всего производить с помощью магазина сопротивлений, используя значения из Табл. 1. Для этого на магазине нужно установить значение, соответствующее нужной температуре, а движком R25 добиться свечения лампы в полнакала, после чего сделать отметку на шкале. В этот момент нужно подобрать сопротивление R22, при котором стрелка индикатора Р1 будет отклоняться на половину шкалы.
- При указанном на схеме сопротивлении резистора R18 ширина диапазона регулирования составляет около 10°С, при необходимости расширить диапазон, нужно использовать резистор с большим сопротивлением.
Печатная плата устройства, показана на рис.3, разработана для изготовления из одностороннего стеклотекстолита и использования широко распространенных типов радиокомпонентов. По данной схеме автором изготовлено более 20-ти терморегуляторов для замены устаревших моделей на промышленных инкубаторах «Универсал», ИКП-90, ИУП-Ф-45 а также самодельных инкубаторах большой вместимости.
