схемы и описание терморегуляторов

  Основным узлом любого инкубатора, как известно, является терморегулятор. В популярной научно-технической литературе можно встретить большое количество схем, позволяющих изготовить такое устройство самостоятельно. Выбор здесь достаточно широк и по схемотехническим решениям, и по элементной базе. Не смотря на значительные различия, есть одно обстоятельство, которое их объединяет: все они работают в так называемом "дискретном" режиме (нагрев-пауза-нагрев). Такой режим нельзя признать оптимальным, т.к. он противоречит принципу "природосообразности". В самом деле, не вскакивает ведь наседка каждые 3–5 минут с гнезда. Обогрев яиц происходит непрерывно при строго определенной температуре. Поэтому при постройке собственного инкубатора ставилась задача реализовать именно такой режим в работе терморегулятора: непрерывный (или "аналоговый"). Точность поддержания температуры обогрева должна составлять ± 0,3 °C. Силовой элемент (тиристор) управляется фазоимпульсным методом. Принципиальная схема терморегулятора показана на рис 1.

Рис.1 Принципиальная схема терморегулятора.

   Получилось простое и достаточно экономичное устройство. Функционирует оно так. В момент включения нагревательный элемент работает на полную мощность. По мере повышения температуры в инкубаторе, мощность нагревательного элемента плавно уменьшается. В рабочем режиме, при достижении температуры 38,2 °C, устанавливается термодинамическое равновесие, при котором количество тепла, получаемого от нагревателя, становится равным количеству тепла, рассеиваемому через щели и вентиляционные отверстия инкубационной камеры. Замеры показали, что в рабочем режиме инкубатор потребляет от сети примерно 10–12 Вт (количество обогреваемых яиц может достигать 300 штук). Учитывая, что инкубационный период длится 21–31 день (в зависимости от вида птицы), последнее обстоятельство является решающим при оценке себестоимости продукции.    Назначение элементов схемы тиристорного регулятора.    Транзисторы VT1, VT2 образуют аналог однопереходного транзистора. Диод VD9, включенный в обратном направлении, выполняет роль термодатчика, который установлен внутри инкубационной камеры. Когда температура меньше рабочей, сопротивление термодатчика велико, транзистор VT3 закрыт и не оказывает влияние на работу однопереходного транзистора, тиристор открывается в начале каждого полупериода напряжения сети, нагревательный элемент включен на полную мощность. При повышении температуры в инкубационной камере, сопротивление термодатчика VD9 уменьшается, транзистор VT3 переходит в проводящее состояние и начинает шунтировать интегрирующий конденсатор С1. Время его зарядки увеличивается, аналог однопереходного транзистора (VT1, VT2) станет включаться позже. Время включенного состояния тиристора VS1 станет меньше, мощность нагревательного элемента уменьшится. При достижении рабочей температуры в камере, транзистор VT3 будет почти полностью открыт, а время включенного состояния тиристора станет минимальным, мощность нагревательного элемента также станет минимальной. Он будет отдавать в камеру столько тепла, сколько она теряет через вентиляционные отверстия. Такое состояние теплового равновесия будет сохраняться сколь угодно долго. Если температура в камере начнет понижаться (например, приоткрыть дверь камеры), то сопротивление термодатчика VD9 увеличится, сопротивление коллектор-эмиттер транзистора VT3 станет больше, интегрирующий конденсатор станет заряжаться быстрее, аналог однопереходного транзистора, и тиристор будут открываться раньше, нагревательный элемент будет дольше подключен к сети, количество тепла станет больше. Так будет до тех пор, пока температура не повысится до рабочей. Если температура станет повышаться выше рабочей, сопротивление термодатчика станет еще меньше, транзистор VT3 откроется полностью и "закоротит" интегрирующий конденсатор С1, тиристор VS1 выключится, нагревательный элемент отключится от сети. При понижении температуры процесс пойдет в обратном направлении. Переменный резистор R6 задаёт значение рабочей температуры в инкубационной камере. Стабилитрон VD8 стабилизирует работу аналога однопереходного транзистора. Если его исключить, точность поддержания температуры в инкубаторе станет равной ±1,5°C, что, конечно, не допустимо. Диод VD5 защищает транзисторы VT1, VT2 от пробоя. Последовательно включенные стабилитроны VD6, VD7 можно заменить одним стабилитроном, у которого напряжение стабилизации равно сумме напряжений стабилизации VD6 и VD7. Резистор R3 определяет напряжение открывания аналога однопереходного транзистора. На начальном этапе настройки вместо него включают переменный резистор сопротивлением 20 кОм, стабилитрон VD8 также временно отключают. Добиваются устойчивой работы терморегулятора в рабочем режиме. Отключают терморегулятор, измеряют сопротивление переменного резистора, и вместо него подключают постоянный резистор такого значения. Эта операция наиболее ответственна, и её, возможно, придется повторить несколько раз, чтобы наиболее точно подобрать R3, может быть также понадобится уточнить значение резистора R2. Транзистор VT3 должен иметь коэффициент усиления по току β=60-100. Большие значения коэффициента усиления делают терморегулятор слишком чувствительным, и даже незначительные флуктуации теплового потока в инкубационной камере изменяют режим его работы: он становится "колебательным". Меньшие значения коэффициента снижают точность поддержания температуры.    Элементная база.    В терморегуляторе использованы постоянные резисторы R2, R3, R5 типа МЛТ, ВС-0,25, R1-МЛТ-2, R6-СП4-2М, СПО-1, конденсатор С1-МБМ, К71-5 на напряжение не менее 160 В, транзистор Т1 можно заменить на МП-39, МП-41, КТ-501, КТ-3107, транзистор Т2- на МП-36, МП-38, КТ-503, КТ-3102, Т3- на КТ-611, КТ-503, диоды VD1- VD4- на КД202К, КД202Л, КД202Н, КД202Р, КД202С, диод VD5- на Д226В. У транзисторов Т1 - Т3 могут быть любые буквенные индексы. В качестве термодатчика VD6 можно использовать р-n- переходы германиевых транзисторов МП-40, МП-41, МП-42, МП-26. Тиристор VS1 можно заменить на КУ201К. Стабилитроны VD6, VD7, VD8-на Д814А. Реле К1 - импортное TSG1, с одной парой замыкающих и одной парой размыкающих контактов. Катушка реле К1 рассчитана на напряжение 220 В. Нагревательный элемент–две параллельных цепи ламп (одна в верхней части камеры, другая – в нижней). В каждой цепи – две последовательно включенных лампочки по 100 Вт каждая. Общая максимальная мощность нагревательного элемента не должна превышать 100 Вт при использовании тиристоров серии КУ201. К корпусу тиристора прикручивают медную или алюминиевую пластину площадью не менее 9 см2, которая будет выполнять роль теплового радиатора. Если мощность нагревательного элемента будет превышать 100 Вт, то тиристор VS1 заменяют на КУ202Н или КУ202М, а резистор R1 должен иметь мощность теплового рассеяния ≥5 Вт, диоды VD1 – VD4 также должны выдерживать возросшую токовую нагрузку. В авторском варианте при сборке терморегулятора использовалась текстолитовая плата и применялся навесной монтаж. При наличии соответствующих навыков можно изготовить печатную плату, один из вариантов которой приведён на рис.2.

рис.2 Печатная плата.

  Этот терморегулятор использует вертикально-фазовый метод регулирования мощности в нагревательном элементе. На компараторе VT1 сравниваются сдвинутое на 90 эл.градусов напряжение со вторичной обмотки трансформатора Тр1 и постоянное напряжение разбаланса моста, усиленное дифкаскадом VT4, VT5, через повторитель VT3. В момент равенства сигналов, через усилитель мощности VT2, ток управления открывает тиристор VD4. Терморезистор R12 находится в корпусе инкубатора, в месте закладки яиц, и защищен от лучевого излучения нагревателя. Благодаря обратной связи через терморезистор температура воздуха в инкубаторе стабилизируется. В отличие от ключевых схем, изменение мощности в нагревательном элементе пропорционально величине отклонения температуры. Регулятор использует один полупериод сетевого напряжения, поэтому мощность нагревателя (обычно используют лампы накаливания) необходимо увеличить вдвое, по отношению к достаточной для достижения заданной температуры в вашей конструкции инкубатора. При первичном включении инкубатора процесс установления рабочей температуры носит колебательный затухающий характер, из-за инерционности обратной связи через воздух и термодатчик. После прогрева происходит захват и пропорциональное регулирование. Из-за гальванической связи с питающей сетью схему необходимо изолировать от пользователя (и терморезистор то-же).  Не спешите закладывать яйца - дайте поработать инкубатору хотя бы сутки, а вы за это время проградуируйте шкалу потенциометра с помощью лабораторного термометра. Да и неожиданный отказ ненадежных элементов чаще происходит в первые часы работы (справедливо для любых схем). При необходимости иметь большие пределы рабочей температуры, надо увеличить номинал потенциометра R14. При ином номинале терморезистора измените пропорционально элементы моста R9, R11, R14, R15. Максимальная мощность нагревателя определяется типом примененного тиристора. При установке более мощного тиристора необходимый ток управления подберите резистором R7. Небольшой радиатор для тиристора обычно необходим. Сопадение фаз управления и анодного напряжения тиристора добейтесь поменяв местами концы первичной обмотки Тр1, если он не открылся сразу при холодном датчике.

                                Простые терморегуляторы

Многим радиолюбителям известен так называемый "триггерный эффект" на пороге срабатывания термо-, фотореле, автоматического зарядного устройства и т.п. Устройство может сработать нормально десятки раз, но иногда бывает такой неприятный момент, когда исполнительное реле включится, сразу же выключится, опять включится и т.д. Такое явление может проявляться довольно длительное время - "подгорают" контакты реле, да и ресурс времени работы реле не безграничен. Если в схеме применены тиристоры, то при частом включении-выключении они могут греться и выходить из строя, а также давать помехи в питающую сеть. На рис.1 показана схема терморегулятора на реле, в котором такое вредное явление, как "триггерный эффект", отсутствует. 

       Предположим, что данный терморегулятор используют для регулировки температуры воздуха в инкубаторе. Если температура в инкубаторе ниже +38°С (выставляют переменным резистором R4), сопротивление терморезистора R3 сравнительно большое и компаратор на DA1 находится в режиме положительного насыщения, транзисторы VT1 и VT2 открыты, реле К1 притянуто, и происходит нагревание воздуха в инкубаторе. При достижении в инкубаторе температуры +38°С сопротивление терморезистора R3 становится меньше и компаратор перебрасывается в состояние отрицательного насыщения (на выходе потенциал общего провода), закрываются транзисторы VT1 и VT2, реле К1 отпускает. В связи с тем, что последовательно с резистором R1 включен резистор R2, который шунтируется нормально замкнутыми контактами реле К1, реле включается при одной температуре, а выключается при другой, т.е. поддерживается температура в инкубаторе в пределах, например, +37,5...38°С. Необходимая разность температур обеспечивается подбором резистора R2. Таким образом, такое вредное явление, как "триггерный эффект", в данной схеме терморегулятора отсутствует. Напряжение срабатывания реле К1 должно быть не ниже 10 В, контакты реле должны выдерживать коммутируемый переменный ток и быть рассчитаны на напряжение не менее 250 В. Печатная плата

терморегулятора показана на рис.2. 

На рис.3 показана схема терморегулятора с тиристором в силовой части, которая также свободна от явления "триггерного эффекта".

Предположим, что данный терморегулятор также используют для инкубатора, необходимая температура воздуха в нем должна быть в пределах +38...39°С (данный диапазон температур выставляют переменным резистором R4). На ОУ микросхемы DA1 выполнен двухпороговый компаратор. Если температура в инкубаторе ниже +38°С, сопротивление терморезистора R3 сравнительно большое, и оба компаратора находятся в состоянии положительного насыщения (уровень лог."1" на их выходах). На логических элементах DD1.2, DD1.3 построен RS-триггер. Если температура воздуха в инкубаторе ниже +38°С, на входе S RS-тригге-ра присутствует лог."0" (после инвертора DD1.1), на входе R - лог."1", триггер находится в "единичном" состоянии (лог."0" на его инверсном выходе 4 DD1.3). При этом транзистор VT1 закрыт, на управляющий электрод тиристора VS1 подается положительный потенциал относительно его катода, тиристор открыт, нагревательный элемент Rн включен. При достижении температуры воздуха в инкубаторе +38°С сопротивление терморезистора R3 уменьшается, компаратор на DA1.1 перебрасывается из состояния положительного насыщения в состояние отрицательного насыщения, на его выходе устанавливается лог."0", на входе S триггера - лог."1", но триггер остается в "единичном" состоянии, нагревательный элемент RH включен. Когда температура воздуха в инкубаторе достигнет значения +39°С, лог."0" появится и на выходе компаратора DA1.2, который по входу R RS-триггера установит его в "нулевое" состояние. При этом на выводе 4 DD1.3 появится лог."1", которая откроет транзистор VT1, на управляющем электроде тиристора VS1 установится низкий потенциал относительно его катода, тиристор закроется, и нагреватель отключится от питающей сети. Когда температура воздуха в инкубаторе станет ниже +39°С, но выше +38°С, в состояние положительного насыщения установится компаратор DA1.2, но лог."1" на входе R триггера не изменит его нулевого состояния, и нагреватель по-прежнему будет отключен. И только при понижении температуры воздуха в инкубаторе ниже +38°С, в состояние положительного насыщения установится компаратор DА 1.1, на вход S триггера поступит лог."0", который включит в работу нагреватель Rн. Таким образом, температура в инкубаторе поддерживается в пределах +38...+39°С (необходимую разность температур достигают подбором сопротивления резистора R2), и явление "триггерного эффекта" в данной схеме терморегулятора отсутствует. Печатная плата терморегулятора показана на рис.4.

При налаживании и эксплуатации устройства необходимо соблюдать осторожность и не касаться деталей, так как в схеме присутствует потенциал сети. Целесообразно для более точной и плавной регулировки температуры подобрать переменный резистор R4 (также и в схеме рис.1). Диоды VD1-VD4 можно исключить. В этом случае на нагревателе Rн будет только одна полуволна сетевого напряжения, т.е. при мощности 500 Вт на нагревателе будет выделяться 250 Вт, и значительно возрастет надежность и долговечность самого нагревателя. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора Т1 должно быть в пределах 13...16 в. 

  Еще схемы