Часто для работы какого-либо устройства или целой системы необходимо поддерживать определённый температурный режим. Это актуально при работе контуров отопления или охлаждения, построении устройств типа «инкубатор». Одним из простых приборов, позволяющих контролировать температуру, является термореле. Такое приспособление возможно приобрести в специализированных торговых точках, но можно изготовить такой регулятор температуры и своими руками.
Назначения и характеристики
В основе работы термореле лежит способность устройства управлять включением и выключением узлов схемы в зависимости от изменения температуры. Фактически — это приспособление, располагающееся между управляемыми элементами и датчиками температуры. Конструктивно прибор представляет собой электронную схему или же устройство, выполненное из специального материала.
Первый вид предполагает использование выносных или встроенных датчиков, а второй — использует свойства различных материалов изменять свои параметры при изменении характеристик электрической сети. То есть контроль происходит контактным или бесконтактным способом. Но несмотря на принципиальные различия, суть работы терморегуляторов одинаков. Регистрируя изменение температуры, устройство разрывает или подсоединяет подключённые к нему узлы аппаратуры или оборудования в автоматическом режиме.
Благодаря их применению, температура воздуха, воды, поверхностей различных приборов и радиоэлементов имеет стабильное значение.
Для каждой среды используются свои особенности размещения устройства. Его точность срабатывания зависит не только от качества исполнения самого регулятора, но и правильного размещения.
Выпускаются терморегуляторы разных видов. Классифицировать их можно по следующим признакам:
По назначению. Разделяются на внутренние и наружные.- Способу установки. Существуют независимые терморегуляторы, как способные располагаться на любой поверхности, так и размещаемые только внутри оборудования.
- Функциональностью. Терморегуляторы могут регистрировать только один сигнал или сразу несколько. При этом второго типа называются многоканальными. Они могут поддерживать значение температуры как на нескольких устройствах одновременно, используя независимые каналы, так и только на одном.
- Способу настройки. Управление режимами работы и настройка приспособления может быть механической, электронной или электромеханической.
- Гистерезису. В терморегуляторах под ним понимают значение температуры, при которой сигнал изменяется на противоположный знак, а также явление, когда происходит задержка переключения сигнала в зависимости от величины влияния. Именно он даёт возможность снизить частоту переключения, например, при повышении температуры в нагревателе. Но при этом следует понимать, что большая величина гистерезиса приводит к температурному скачку.
- Виду термодатчиков. Подключаемые к терморегуляторам датчики могут быть контактного и бесконтактного действия. Например, использующие в работе инфракрасное излучение или свойство биметаллической пластины.
Параметры приспособления
Как и любое оборудование, регуляторы температуры характеризуются набором параметров. От них в первую очередь зависит точность срабатывания устройства. Зависят эти характеристики не только от качества применяемых при построении схемы терморегулятора элементов, но и реализации системы, позволяющей избегать влияния посторонних факторов. К основным характеристикам относят:
Время переключения. Зависит от схемы реализации регулятора и способа установки датчика, определяющего его инерционность.- Регулируемый диапазон. Устанавливает граничные значения температурного режима, в котором может происходить работа устройства.
- Напряжение питания. Это значение рабочего напряжения, необходимого для нормальной работы устройства.
- Активная нагрузка. Показывает, какой максимальной мощностью может управлять регулятор температуры.
- Класс защиты. Характеризует безопасность прибора. Обозначается согласно международной классификации по электрической безопасности.
- Система сигнализации. В регуляторе может использоваться светодиодный сигнализатор или жидкокристаллический экран. Ориентируясь на него, пользователь может сразу видеть, в каком режиме работает прибор контроля.
- Рабочая температура. Обозначает диапазон, в рамках которого обеспечивается правильная работа терморегулятора.
- Вид термодатчика. Являясь чувствительным элементом, он выступает в качестве индикатора температуры, отправляя данные на контроллер. Такие термодатчики на включение и выключение устройства бывают разных типов и конструкций, а также отличаются по способу передачи данных.
Кроме этого, к качественным характеристикам устройства относят: удобство использования, габариты, дополнительные возможности, общий вид.
Поэтому собирая терморегулятор своими руками, для получения законченного вида устройства желательно продумывать не только схему приспособления, но и корпус, в котором он будет располагаться.
Принцип работы
В общем виде терморегулятор можно представить в виде блок-схемы, состоящей из датчика температуры, блока обработки и регулирующего механизма. В основе работы механического теплового реле лежит способность биметаллической пластины изменять свою форму в зависимости от температуры. Для её изготовления используются два материала, жёстко скреплённые между собой с разным температурным коэффициентом расширения.
При нагреве такой пластины происходит её изгиб. Именно это свойство и используется при производстве тепловых реле. Во время деформирования пластинка замыкает или размыкает контактную группу, вследствие чего разрывается или восстанавливается электрический контакт. Такое реле может применяться в цепях как переменного, так и постоянного тока, а выбор граничной температуры в них обычно устанавливается с помощью механического регулятора.
Кроме этого, существуют твердотельные реле (электронные). В их конструкции уже нет движущихся и механических частей, а используется электронная схема, вычисляющая изменения температуры.
В качестве основных элементов таких приборов является термистор и микропроцессор. В первом происходит изменение электрических параметров при колебаниях температуры, а второй обрабатывает и в зависимости от запрограммированного алгоритма коммутирует контактные группы.
Схемотехника регуляторов
Из-за сложности настройки механического реле самостоятельное его изготовление практически невозможно, поэтому радиолюбители изготавливают твердотельные регуляторы. На сегодняшний день известно большое количество схем термореле разного класса. Так что подобрать подходящую для возможного повторения не составит сложности.
Но перед тем как приступить к самостоятельному изготовлению терморегулятора, необходимо подготовить ряд инструментов и материалов. Для этого, кроме электрической схемы и необходимых согласно ей радиоэлементов, понадобится:
- Паяльник или в случае использования сложных микроконтроллеров паяльная станция.
- Односторонний фольгированный стеклотекстолит. Если электрическая схема содержит большое количество радиоэлементов и относится к средней или высокой группе сложности, то изготовить её навесным монтажом не представляется возможным. Поэтому используется стеклотекстолит, на котором удобным методом, например, лазурно-утюжным или фотолитографией, наносится печатная схема будущего термореле.
- Мультиметр. Он необходим для настройки работы устройства и проверки правильности установки радиоэлементов.
- Мини-дрель. С помощью неё выполняют отверстия, в которые устанавливаются радиоэлементы.
- Рабочие материалы. К ним относятся: флюс, припой, спиртовой раствор, изолента или термоусадочные трубочки.
Последовательность действий при изготовлении сводится к следующему. На первом этапе выбирается схема и изучается её описание, доступность радиоэлементов. При этом не стоит забывать, что почти для каждой радиодетали существует аналог. Затем, изготавливается печатная схема, а по ней уже плата. На плату запаиваются радиоэлементы, коммутационные гнёзда и провода. Как только всё готово, производится тестовый запуск и в случае необходимости подстройка работы.
Простые устройства
Простейшее устройство, реагирующее на изменение температуры, можно собрать из нескольких сопротивлений и интегрального усилителя. Использующиеся резисторы представляют собой два полуплеча, образующие собой измерительную и опорную часть схемы. В качестве R2 используется термистор, то есть резистор, сопротивление которого меняется в зависимости от воздействующей на него температуры.
Интегральный усилитель LM393 работает в режиме компаратора, то есть сравнивает два сигнала, снимаемые с R1-R2 и R3-R4. Как только уровень сигнала на двух входах микросхемы сравняется, LM393 переключает нагрузку к питающей сети. В качестве нагрузки можно использовать вентилятор. Как только вентилятор охладит контролируемое устройство, уровень сигнала на втором и третьем входе компаратора снова начнёт различаться. Устройство снова переключит свои выходы, и питание прекратит поступать в нагрузку.
Несложную схему можно собрать и на тиристоре. В качестве её нагрузки можно использовать нагреватель, температуру которого и будет регулировать самодельный терморегулятор.
Эта схема может использоваться в инкубаторе или аквариуме.
В основе схемы также лежит способность компаратора сравнивать уровни напряжения на своих входах и в зависимости от этого открывать свои выходы. При одинаковом сигнале ток через транзистор VT1 не течёт, а значит, на управляющем выводе тиристора VS1 находится низкий уровень, и он закрыт. Появившееся напряжение на сопротивлении R8 приводит к его открытию. Запитывается схема через диод VD2 и R10. Для стабилизации питания используется стабилитрон VD1. Перечень и номиналы элементов приведены в таблице:
| Обозначение | Наименование | Аналог |
|---|---|---|
| R1 | 10 кОм | |
| R2 | 22 кОм | |
| R3 | 100 кОм | |
| R4 =R6 | 6,8 кОм | |
| R5 | 1 кОм | |
| R8 | 470 Ом | |
| R9 | 5,1 кОм | |
| R10 | 27 кОм | |
| С1 | 0,33 мкФ | |
| VT1 | КТ117 | 2N6027 |
| VD1 | КС212Ж | BZX30C12 |
| VD2 | КД105 | 1N4004 |
| VS1 | КУ208Г | TAG307— 800 |
Термореле на микроконтроллере
Собрав такой термостат, его можно использовать совместно с отопительной системой, например, совместно с котлом. В основе конструкции используется микросхема DS1621, которая совмещает в себе термометр и термостат. Её цифровой ввод-вывод обеспечивает точность ±0,5 °C.
При использовании DS1621 в качестве термостата в её внутреннюю энергонезависимую память (EEPROM) помещаются данные о температуре, которую необходимо поддерживать. А также контрольные точки, по достижении которых температура повышается или понижается. Разница между ними образует гистерезис, при этом на третьем выводе микросхемы формируется логическая единица или ноль.
Данные в микросхему заносятся с помощью микроконтроллера, выполненного на ATTINY2313. Устройство может поддерживать температуру в диапазоне от 10 до 40 градусов. Управление термоэлементом котла осуществляется через тиристор. С помощью кнопки S1 осуществляется включение и выключение термометра. А кнопками S2 и S3 устанавливается температура. Светодиод HL1 сигнализирует о работоспособности прибора. Во время нагревания термоэлемента котла он мигает. В качестве трансформатора используется TAIWAN 110—230V 6−0−6V 150TA.
При программировании в Features необходимо выбрать: int. RC Osc. 4 MHz; Start-up time: 14 CK + 0 ms; [CKSEL=0010 SUT=00] и Brown-out detection disabled; [B0DLEVEL=111] поставить галочку на Serial program downloading (SPI) enabled; [SPIEN=0]. А также отметить фьюзы: SUT1, SPIEN, SUTO, CKSEL3, CKSEL2, CKSELO. Правильно собранное устройство работает сразу и в наладке не нуждается.
