Подавляющее большинство термостатов регулируют температуру по принципу включения-выключения. Это приводит к тому, что нагреватель нагревается до значительной температуры, прежде чем тепло достигнет датчика. В итоге, температура в точке регулирования периодически значительно отклоняется то вверх, то вниз от заданного значения. Рассматриваемый регулятор температуры позволяет плавно регулировать мощность нагрева в зависимости от текущей температуры и заметно уменьшить ее колебания.
Электрическая схема ШИМ терморегулятора
Принципиальная схема электронного регулятора температуры представлена на рисунке. Базовый функциональный блок представляет собой набор из двух операционных усилителей (ОУ) US2A и US2D, входящих в структуру LM324, задачей которого является формирование сигнала треугольной формы. Усилитель US2А работает как компаратор с гистерезисом, а US2D (вместе с резистором R4 и конденсатором С5) — в интегрирующей цепи.
ОУ имеют общую цепь положительной обратной связи, поэтому они работают в режиме генератора. На выходе US2A имеется прямоугольный сигнал, а на выходе US2D — треугольный сигнал, который является результатом интегрирования прямоугольного сигнала. Сигнал треугольника подается обратно на компаратор, и контур замыкается. Вспомогательное напряжение 4,5 В, получаемое с резистивного делителя R1/R2, представляет собой искусственную землю для операционных усилителей. Потенциометр P1 устанавливает частоту и амплитуду генерируемого сигнала.
Прямоугольные импульсы с переменной скважностью генерируются операционным усилителем US2B, работающим как компаратор, но без гистерезиса. Он сравнивает мгновенное значение сигнала треугольника со значением напряжения, установленным на резистивном делителе, содержащем термистор.
Если первое напряжение больше второго, то выходное напряжение близко к напряжению питания. Сигнал на выходе этих элементов, который зависит от напряжения на делителе, представлен на рисунке ниже. Горизонтальной пунктирной линией указано постоянное напряжение, подаваемое на инвертирующий вход с делителя.
Повторитель напряжения US2C делает опорное напряжение, питающее термисторный делитель, независимым от значения сопротивления этой цепи схемы. Это связано с очень низким выходным сопротивлением такого повторителя, которое составляет порядка долей Ома. Потенциометр P3 используется для регулировки чувствительности системы, но об этом позже.
Комплементарный повторитель, составленный из транзисторов Т1 и Т2, предназначен для быстрой подзарядки входной емкости транзистора Т3, управляющего нагрузкой. Это снижает нагрузку на выход компаратора. В то же время LED1 подключен к затвору T3. Это облегчает настройку системы и контроль правильности ее работы, поскольку интенсивность подсветки напрямую зависит от заполнения сигнала, управляющего ключом Т3.
Резистор R8 предназначен для защиты выхода повторителя при случайном замыкании выхода термистора на землю схемы. Диод D1 защищает стабилизатор US1 от подключения источника питания с обратной полярностью.
Сборка термостата своими руками
Сборку простого устройства нетрудно выполнить своими руками. Схема устройства собрана на односторонней печатной плате размерами 48×39 мм. Ее сборка представлена на рисунке. Начинайте монтаж с SMD-элементов, расположенных на стороне проводников. Только после этого можно приступать к установке навесных элементов, начиная с самых нижних. Соединение платы терморегулятора с нагревателем и источниками питания показано на картинке ниже. Представлено две схемы подключения: с отдельным источником питания нагревателя или без него.
Так как мощность нагревателя контролируется с помощью ШИМ (широтно-импульсная модуляция), то он должен питаться постоянным напряжением не более 60 В из-за сопротивления напряжению MOSFET-транзистора. Хотя максимальный ток стока составляет 30 А, при токе нагрузки выше 3 А рекомендуется нарастить дорожки и оснастить транзистор радиатором. Электропитание системы должно находиться в пределах диапазона, допускаемого стабилизатором 78L09.
Настройка регулятора температуры
В заключение следует сказать несколько слов о правильной настройке терморегулятора. Цена его простоты – сложность регулировки, поскольку в распоряжении пользователя имеется три потенциометра. Вот краткое описание того, как они работают.
Потенциометр Р1 регулирует частоту сигнала ШИМ примерно в диапазоне 30…200 Гц и одновременно амплитуду сигнала треугольника. Чем выше частота, тем ниже амплитуда, поскольку интегратор имеет фиксированные значения RC и наклон рёбер треугольника не меняется. Чем меньше амплитуда, тем более чувствительна система, поскольку небольшое изменение сопротивления термистора вызовет относительно большое изменение заполнения.
Потенциометр P2 устанавливает опорное напряжение, питающее термистор. Благодаря ему можно установить температурный порог, при котором система начинает работать, т.е. форма сигнала становится отличной от нуля.
Потенциометр P3 регулирует чувствительность системы к изменениям температуры. Чем больше сумма сопротивлений P3+R9, тем меньше влияние сопротивления терморезистора. Эта регулировка также меняет напряжение с делителя, поэтому ее нужно делать попеременно с Р2.
Несмотря на эту сложность, вся настройка регулятора температуры занимает максимум несколько минут. Может оказаться, что при температуре, значительно отличающейся от комнатной, потребуется изменить номинал термистора и/или потенциометра Р3.
Правильно собранная и настроенная система готова к работе. Ток потребления не превышает 20 мА. Кабель, соединяющий плату с термистором, должен быть как можно короче.
Перечень элементов:
- R1…R4 — 100 кОм (SMD1206);
- R5 — 10 кОм (SMD1206);
- R6…R10 — 1 кОм (SMD1206);
- R7 — 0 Ом;
- P1…P3 — 100 кОм подстроечные резисторы;
- C1, C2, C4, C5 — 100 нФ (SMD1206);
- C3 — 220 мкФ/16 В;
- D1 — 1N4148 (SMD);
- LED1 — светодиод зеленый, 3 мм;
- Т1 — ВС846;
- Т2 — ВС856;
- T3 — IRF540;
- US1 — LM78L09 (TO-92);
- US2 — LM324 (SO-14);
- термистор NTC — 10 кОм;
- J1…J3 — ARK2 — 5 мм;
- радиатор для Т3 (описание в тексте).
Loading...
