Пропорциональный регулятор температуры

June 26, 2010 by admin Комментировать »

Воспроизвести настоящий прецизионный лабораторный термостат по полной программе для обычного радиолюбителя есть задача почти невыполнимая. С электронной точки зрения там нет ничего особо сложного, а вот изготовить все это в «железе», с учетом того, что это устройство не слишком-то и требу­ется в реальной жизни… вряд ли кому захочется. К тому же для достижения высокой точности важны не столько особенности электронной схемы, сколь­ко тщательное продумывание конструкции й правильный выбор мощности нагревателей. Такой термостат обычно делают, гоняя насосом воду или неза­мерзающую жидкость через бак с двойными стенками — из внутреннего бака жидкость переливается через край во внешний, откуда поступает опять во внутренний бак снизу. Датчик ставят в трубе на входе во внутренний бак, а нагреватели и холодильник — в трубах на выходе из внешнего бака. Вся кон­струкция тщательно (включая крышку) теплоизолируется.

Но принципиальные вопросы прецизионного регулирования температуры мы разберем подробнее, чтобы понять, как это вообще делается. Следует сразу отметить, что в термостате с точностью регулирования порядка долей граду­са (хороший прецизионный термостат выдает ±0,05 °С) очень сложно точно установить нужное значение температуры, он может только ее точно под­держивать. Поэтому для того, чтобы измерить реально установившуюся температуру, нужен отдельный специальный прецизионный термометр. О том, как измеряют температуру, мы будем еще много говорить в этой книге, а по­ка перейдем к описанию схемы такого термостата.

Принципиальная электрическая схема устройства приведена на рис. 12.12. Термостат имеет диапазон регулирования температуры от -2 до +5Р °С. Рас­смотрим сначала основную схему регулирования, которая построена на зна­комом нам сдвоенном ОУ типа 140УД20 (его можно заменить сдвоенным прецизионным ОУ типа МАХ478 или аналогичным, см. разд. «Неидеаль-ностъ ОУ, ее последствия и борьба с ними» — характеристики схемы при этом улучшатся, но незначительно).

clip_image002

Первый ОУ (DA1/1) есть просто развязывающий повторитель сигнала с дат­чика, так как основной (второй) усилитель DA1/2 включен по инвертирую­щей схеме, и иначе его входное сопротивление будет шунтировать измери­тельный делитель R1—Rt. В обратной связи второго усилителя стоит цепочка R3—R4, которая задает ему коэффициент усиления чуть меньше 30. Датчи­ком, как и раньше, у нас здесь служит термистор Rt. Что же будет происхо­дить в этой схеме при изменении температуры?

Сначала, когда температура намного ниже заданной, разность сигнала с датчи­ка и напряжения с делителя R5—R6—^R7 велика и, так как датчик включен в верхнее плечо делителя, отрицательна. Более вьюокий потенциал поступает на неинвертирующий вход, поэтому на выходе усилителя DA1/2 будет напряже­ние, близкое к положительному напряжению питания. Это напряжение через эмитгерный повторитель на транзисторе VT1 поступает на резистор R11 и формирует ток (в данном случае —около 6,5 мА) через светодиод резисторно-го оптрона DA1 типа АОР124Б. В ОУ нет мощного встроенного транзистора на выходе, как у компаратора, поэтому его пришлось поставить дополнительно — хотя в данном случае это и не обязательно (ОУ 140УД20 выдерживает нагрузку до 1 кОм, а реально и меньше), но нагрузка на вольт-другой снижает выходное напряжение насыщения (а при замене менее мощным типом, скажем, МАХ478 — в еще большей степени), так что лучше застраховаться.

Оптрон входит в схему управления мощной нагрузкой, которая идентична показанной на рис. 10.5, и потому на этой схеме изображена без подробно­стей, в виде пунктирного квадратика. Ее можно заменить и на схему по рис. 10.3 или 10.4, тогда оптрон может быть диодный или транзисторный. При таком токе через управляющий светодиод сопротивление светоприемни-ка оптрона мало, и частота управляющих импульсов будет велика — тири­стор будет открываться в самом начале каждого периода, и на нагреватель 1 поступит полное напряжение сети (подробности были описаны в главе 10). Когда напряжение с датчика по мере повышения температуры приблизится к заданному делителем R5—R6—R7 значению, напряжение на выходе ОУ начнет падать, и ток через светодиод оптрона уменьшится, соответственно упадет и действующее значение напряжения на нагревателе — он будет греть слабее. В конце концов, при близости к равенству напряжений на входах усилителя напряжение на выходе упадет до небольшой величины, и нагрева­тель почти полностью выключится.

В точности то же самое будет происходить, если начать с более вьюокой температуры— при ее снижении мощность нагревателя в определенных пределах будет возрастать постепенно. В установившемся режиме ОУ будет поддерживать такое напряжение на выходе (с некоторой, соответственно, разностью потенциалов на входе), чтобы температура оставалась все время постоянной — мощность нагревателя будет в точности компенсировать по­тери тепла.

Заметки на полях

Кстати, в главе 10 было упомянуто, что обратная связь устраняет нестабиль­ности схемы регулирования мощности. Это действительно так, и вот почему: ведь регулятору с обратной связью все равно, по какой причине произошло изменение регулируемой величины — оттого, что открыли форточку, оттого, что внезапно упало напряжение в сети, или по внутренним причинам самого регулятора. В любом случае, если воздействие не выходит за рамки возмож­ностей регулятора, он послушно отработает изменение и «вернет» регулируе­мую величину «на место».

Такое регулирование и называется пропорциональным и, разумеется, с его помощью можно достичь значительно более высокой стабильности темпера­туры, чем с помощью релейной схемы. Чтобы это осуществилось на практи­ке, нужно хорошее согласование всех элементов схемы: усилитель должен вовремя (когда температура в термостате еще отличается от заданной на 2— 3 °С) переходить из режима насыщения в усилительный режим, причем на­чальный ток через оптрон должен быть подобран так, чтобы устройство управления нагревателем сразу начало потихоньку снижать действующее значение напряжения. Все это достигается подбором номинала R11 и коэф­фициента усиления ОУ. Номиналы, приведенные на схеме, рассчитаны из следующих условий: термистор имеет номинальное значение 15 кОм с кру­тизной при 20 °С около 4%/°С, соответственно в середине диапазона регу­лировки (при 20—25 °С) изменение его сопротивления составит примерно 0,6 кОм/°С. Тогда изменение напряжения на выходе DA1/1 составит пример­но 0,3 В на желаемый диапазон в 3 °С, отсюда коэффициент усиления ОУ и должен составлять величину порядка 30. Как подбирать R11 из условия, что­бы напряжение на нагревателе было максимальным, но начало снижаться сразу же после того, как начал снижаться ток через этот резистор, вы уже знаете (см. главу 10). Остается только подогнать сопротивления делителей под конкретный экземпляр термистора (или другого датчика).

Как видите, это только часть схемы. Вторая часть менее интересна с теорети­ческой точки зрения и составляет чисто релейное устройство для полуавто­матического управления холодильником и дополнительным нагревателем. В таком агрегате холодильник нужен обязательно, так как наличие хорошей теплоизоляции не позволит жидкости нормально остывать при небольшой разнице температур между ней и окружающей средой, и термостат не будет нормально работать, даже если ограничить нижний предел диапазона ком­натной температурой. Поэтому в схему введен компаратор, который автома­тически включит холодильный агрегат, если будет задана температура ниже 30 °С. В зависимости от температуры в помещении и реальной ситуации вы можете вручную включать и выключать холодильник вручную с помощью выключателей S1 и S2. Но и это еще не все! Дело в том, что для стабильной работы термостата в обычном режиме (при температурах выше комнатной) необходимая и достаточная мощность нагревателя невелика— для 100-литрового бака это порядка 0,5 кВт, как у карманного кипятильника, иначе система будет очень долго устанавливаться, колеблясь вокруг заданного зна­чения температуры — если вообще установится в обозримом будущем.

Но при такой мощности и без учета колебаний время перехода от температу­ры 20 °С к температуре 50 °С составит часы — представляете, сколькр вре­мени потребуется, чтобы нагреть 100 л воды вместе со всеми металлически­ми конструкциями бытовым кипятильником? Еще сложнее ситуация в случае включения холодильника— промышленные холодильные агрегаты имеют холодопроизводительность порядка 500—1000 ккал/час, что численно соот­ветствует примерно такой же мощности в ваттах, потому нагреватель наш в одиночку определенно не справится. По всем этим причинам в схему введен второй нагреватель, который подключается параллельно первому: либо вручную выключателем S3 — в случае необходимости быстро «погнать» температуру вверх, либо автоматически при подключении холодильника. Мощность его должна быть такой, чтобы в сумме оба нагревателя заведомо превышали холодопроизводительность холодильного агрегата, но не слиш­ком — раза в полтора, не более.

В удешевленном и уменьшенном варианте для радиолюбительских нужд та­кой термостат можно сделать, если взять простой бак с мешалкой (рис. 12.7) и заменить холодильник металлическим змеевиком, через который пропуска­ется водопроводная вода (зимой в средних широтах она имеет температуру, близкую к 4°С). Емкость бака может составлять 5—Юл, он обязательно должен быть металлическим (цилиндрическое алюминиевое ведро), но с хо­рошей теплоизоляцией (пенопласт). Для таких объемов воды мощность на­гревателей следует уменьшить или обойтись вообще одним нагревателем мощностью от 300 до 500 Вт, при этом даже слабый ток холодной воды обеспечит эффективное охлаждение.

На этом краткий курс теплотехники и основ регулирования температуры можно считать законченным и перейти к другой теме: измерению этой самой температуры.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты