Огромное количество электрических приборов, используемых в быту и промышленности, основывают свою работу на определении уровня температуры окружающей среды. Измерительный элемент в них представляет собой датчик температуры, срабатывающий при нагревании или охлаждении до установленного уровня. Их можно приобрести в большинстве магазинов, ими комплектуются духовки, контроллеры и прочие устройства, но гораздо интереснее изготовить терморегулятор своими руками.
Пример простого терморегулятора
Далее мы рассмотрим принцип действия и варианты изготовления такой самоделки.
Обязательный состав термостата
Каждый термостат, обязательно содержит такие модули:
- Измерительный блок (датчик температуры); логический блок (блок сравнения); исполнительный блок (электронный, или электромеханический выключатель);
- Работу же терморегулятора можно описать так: логический блок сравнивает температуру с заданной, и на основании результатов сравнения выдаёт исполнительному блоку команду на включение, или выключение нагревателя (охладителя).
- Многие датчики температуры представляют собой измерительный мост (как правило резистивный). Такой мост состоит из четырёх сопротивлений, из которых три резистора имеют постоянное сопротивление, а один резистор изменяет сопротивление в зависимости от температуры.
Внимательно изучив схему включения резисторов для образования блока логики (сравнения) можно обратить внимание на то, что сопротивления резисторов (всех, кроме одного) постоянны, сопротивление же одного резистора, изменяется в зависимости от температуры, этот резистор и служит датчиком, который и измеряет температуру окружающей среды, а остальные резисторы, являются элементами блока сравнения температуры с заданной.
При изменении сопротивления датчика, на одной из диагоналей схемы появится потенциал, который можно использовать для управления исполнительным механизмом термостата.
Обычно, для окончательного сравнения сопротивления датчика температуры с заданным задатчиком сопротивлением, применяют микросхему компаратора, которая и является логическим блоком термостата.
- При достижении определённой (заданной) температуры, на выводах компаратора, появляется напряжение, которое и можно использовать для дальнейшего управления исполнительным механизмом, а он, в свою очередь, включит, или отключит нагревательный элемент (или охладитель).
- Таким образом, работают различные устройства, для работы которых нужно отслеживание температуры какого-либо объекта. Это могут быть системы электрического отопления, водонагревателя, инкубатора или тёплого пола, паяльной станции, системы охлаждения двигателя. Управления печами, или холодильным оборудованием.
- Как видно из этого перечисления, применяться терморегулирующие устройства могут в самых разнообразных областях.
В зависимости от того, как именно происходит регулирование температуры, термостаты принято различать по принципу их действия, а именно, на электромеханические и электронные, из электронных можно выделить цифровые устройства.
Работа первых двух типов состоит в срабатывании исполнительного механизма при достижении объектом заданной температуры, а в цифровых устройствах, сигнал с датчика может быть предварительно обработан, именно поэтому, подобные устройства, чаще других применяются в ПИД регулирующих устройствах.
Гистерезис температуры
В любом регуляторе есть допуски для перехода в температурный режим, заложенные производителем. Остается только выбрать диапазон нагрева.
Если устанавливаете температуру в помещении +20°C, а гистерезис (запаздывание) датчика температуры на 2 градуса, то автоматическое включение будет при +18°C и отключение при +22°C. Помещение охлаждается постепенно. Когда температура упадет до выставленных настроек гистерезиса, включается подогрев воздуха в помещении.
Выставленная температура и скорость ее достижения зависят от многих факторов. Четыре из них — основные:
- температура подачи теплоносителя;
- материал изготовления радиаторов (чугун, алюминий);
- глубина бетона и расстояние труб (для теплого пола);
- теплопотери — при открытой форточке или плохом утеплении помещения желаемую температуру будете ждать долго.
Поэтому так важен гистерезис. Он оценивает вышеперечисленные аспекты, дает сигнал к включению/отключению индивидуально под каждое помещение. Заданные припуски в температурном режиме позволяют правильно выставить температуру для комфортных ощущений и избежания лишних энергозатрат.
Особенности схем терморегуляторов
В терморегуляторах, исполнительным устройством может являться электромеханическое реле, в тех же случаях, когда исполнительный механизм питается переменным напряжением, в качестве исполнительного устройства, легко может быть применён тиристор.
- Несомненным плюсом применения тиристора перед электромагнитным реле является то, что в нём отсутствуют механические контакты, а это очень положительно сказывается на сроке службы данного элемента (особенно, при управлении мощными нагрузками).
- Основным же преимуществом реле, является малое падение напряжения на его контактах во включенном состоянии. А это, в свою очередь, существенно уменьшает его нагрев по сравнению с тиристором.
Компаратором же, может служить как специализированная микросхема, так и микросхема обычного операционного усилителя.
Понятие о температурных регуляторах
Изделия этой категории применяют для решения разных задач. По соответствующей настройке температурного порога подают питание (отключают):
- отопление в погребе;
- нагрев паяльной станции;
- циркуляционный насос котла.
Из приведенных примеров понятны базовые требования к точности, которую должна обеспечить подходящая схема терморегулятора. В некоторых ситуациях необходимо поддержание заданного уровня не ниже, чем ±1C°. Для контроля рабочих параметров нужна оперативная индикация. Существенное значение имеют нагрузочные способности.
Перечисленные особенности поясняют назначение типовых функциональных узлов:
- значение температуры фиксируют специализированным датчиком (резистором, термопарой);
- показания анализирует микроконтроллер или другое устройство;
- исполнительный сигнал поступает на электронный (механический) переключатель.
К сведению. Кроме рассмотренных частей, схема термореле может содержать дополнительные компоненты для подачи питания на электронагреватель, другую мощную нагрузку.
Микросхема терморегулятора
Современный уровень интеграции электронных устройств позволяет оформить это устройство в одной микросхеме, такие микросхемы можно часто встретить в самых разных бытовых и промышленных приборах.
Однако при выходе такой микросхемы из строя, зачастую, заменить её просто не на что. Потому, для того чтобы отремонтировать терморегулятор, зачастую, вместо такой микросхемы применяется самодельный терморегулятор, собранный на отдельных элементах.
Конечно, такое устройство намного больше чем микросхема, однако, если позволяют габариты устройства, то применение такого устройства может быть вполне оправдано.
Пример терморегулятора
Терморегулятор можно изготовить из деталей, которые не являются дефицитными. Их легко можно приобрести в большинстве городов.
Схема терморегулятора приведена на рисунке, она представляет собой простой терморегулятор.
- Для питания устройства применяется источник на основе понижающего трансформатора, в качестве диодного моста, применяются маломощные диоды, подходящие по обратному напряжению, например, 1N4007.
- В качестве сглаживающего фильтра применён электролитический конденсатор, также, в блоке питания использован интегральный стабилизатор напряжения, с выходным напряжением в пять вольт.
- Также применяется транзистор средней мощности, с прямой проводимостью, например, это может быть транзистор КТ816А. Также, в схеме применён так называемый, управляемый стабилитрон TL431.
- Резисторы постоянного сопротивления с номиналами 4,7; 160, 150 и 910 кило Ом. И переменное сопротивление на 150 кило Ом. В качестве термодатчика использован терморезистор 50 кило ом.
Характеристика этого сопротивления (положительная, или отрицательная) зависит от того, какой нагрузкой будет управлять термостат (нагревателем или холодильником).
В качестве индикатора работы устройства используется светодиод, а как коммутирующий элемент, применено, электромагнитное реле с напряжением срабатывания двенадцать вольт (например, автомобильное).
Также используется фиксируемый выключатель на достаточный ток и корпус с объёмом достаточным для размещения устройства. Также, для удобства монтажа, рекомендуется изготовить печатную плату, согласно схеме изготавливаемого устройства.
Как сделать?
Инструкции для изготовления терморегулятора своими руками основаны на строгом следовании выбранной схеме, в соответствии с которой необходимо соединить все составляющие в единое целое. Например, электронная схема для инкубатора собирается по следующему алгоритму:
- Изучить изображение (лучше распечатать и положить перед собой).
- Найти необходимые детали, в том числе корпус и плату (подойдут старые от счетчика).
- Начать с “сердца” – интегрального усилителя К140УД7/8, подключив его с положительно заряженным обратным действием, что даст ему функции компаратора.
- Подключить на место “R5” отрицательный резистор ММТ-4.
- Присоединить выносной датчик с помощью экранизированной проводки, причем длина шнура может быть не более метра.
- Для управления нагрузкой включить в схему тиристор VS1, установив его на радиатор небольших размеров, чтобы обеспечить соответствующую теплоотдачу.
- Настроить остальные элементы цепи.
- Подключить к блоку питания.
- Проверить работоспособность.
К слову, добавив датчик температуры, собранное устройство можно смело использовать не только для инкубаторов, сушек, но и поддержания теплового режима в аквариуме или террариуме.
Последовательность работ
Смонтировав схему выбранным способом, следует установить датчик таким образом, чтобы он, при работе, контролировал температуру необходимого объекта.
- Переменный резистор, следует установить таким образом, чтобы к нему был обеспечен удобный доступ.
- После чего, нужно нанести шкалу задаваемых температур, которые будут поддерживаться термостатом.
После того как все эти работы будут выполнены, к устройству подключают шнур питания (если сделать это раньше, то он будет сильно мешать при работе).
После сборки и настройки устройства, его помещают в корпус.
Необходимые материалы и инструменты
В некоторых ситуациях понадобятся навыки изготовления сложной печатной платы. Простейшие схемы собирают за несколько минут с применением паяльника и технологии навесного монтажа. До выполнения рабочих операций необходимо приобрести:
- комплектующие детали;
- расходные материалы;
- измерительную аппаратуру.
Список покупок составляют на основе выбранной электрической схемы. Для защиты устройства от неблагоприятных внешних воздействий и улучшения внешнего вида создают соответствующий корпус.
