Электронный термостат или устройство регулировки температуры
Во многих задачах возникает необходимость регулировки и контроля температуры, дооснащения терморегулирующими устройствами. Это могут быть самые разные устройства, например, кулер для дополнительного охлаждения процессора в компьютере, вентиляция садовых помещений при повышенной температуре, и наоборот, обогрев чего-либо, например, подогрев жидкости до определенной температуры, подогрев сидений, стекла, и т.д.
В одной из своих статей я писал про схему плавного включения света где использовался всего один транзистор и минимум элементов обвязки.
В данной статье мы продолжим ряд простых аналоговых крайне полезных схем с основой на мощном полевом транзисторе.
В основе схем контроля лежит термочувствительный элемент - полупроводниковый термоэлемент с нелинейной зависимостью, термопара или термосопротивление. Температуру с датчика можно оцифровывать и дальше делать что-то на микропроцессорной электронике, но часто это неудобно. В данной статье мы поговорим про простые, но эффективные способы регулировки температуры на основе термосопротивления.
Термосопротивление в довольно большом диапазоне температур меняет сопротивление линейно относительно температуры. Наиболее часто используются термосопротивления 10К (бытовая электроника) и 100К (3д принтеры, например), где обозначенная величина сопротивления соответствует сопротивления при комнатной температуре.
Регулятор температуры можно в простейшем случае сделать всего из трех элементов - транзистор, сопротивление и термосопротивление.
Сопротивление и термоспортовление образуют резистивный делитель, выход которого поступает на затвор полевого n-канального транзистора. В случае охлаждения или нагрева сопротивления меняются местами соответственно. При изменении температуры выход делителя тоже меняется, соответственно затвор закрывается и открывается при разных температурах. Номиналы надо выбирать таким образом, чтобы при необходимой температуре поддержания напряжение на выходе делителя соответствовало напряжения Uthreshold полевого транзистора.
Эта схема интересна свой простотой в первую очередь, но имеет существенный недостаток в виде очень ограниченной границы применимости. Проблема в том. что напряжение на затворе транзистора меняется плавно с изменением температуры. Другими словами, если температура изменяется медленно (например, в нагревателях при остывании), то транзистор работает не в ключевом режиме и закрывается постепенно, увеличивая сопротивление канала медленно. Это приводит к тому, что вся мощность нагревателя теряется на транзисторе, а если нагрузка мощная, то это почти сразу стопроцентный выход из строя с пробоем затвора и дымом. Стоит учитывать, что приведенная выше схема подойдет только для систем с быстро меняющейся температурой.
Попробуем усовершенствовать схему таким образом, чтобы транзистор работал только в ключевом режиме. Самый простой вариант сделать так, чтобы при определенной температуре система включалась, а при другой выключалась, т.е. электронный термостат. Если же термосопротивление имеет такую величину, при которой на выходе резистивного делителя логическая неопределенность, то состояние нагрузки не меняется.
Одним из таких устройств является схема триггера Шмитта, очень распространенная как раз в цифровой схемотехнике. Схема представляет из себя "электронных термостат", имеющий гистерезис.
Итак, теперь в разрыв цепи между делителем и транзистором введем элемент - триггер Шмитта.
Самый простой способ с минимум деталей построить устройство - это триггер на операционном усилителе. R1 и R2 - искомый резистивный делитель, изменяя сопротивление R1 изменяем температуру уставки системы. Сопротивления R3 и R4 тоже представляют из себя делитель для смещения напряжения, с которым сравнивается напряжение на выходе температурного датчика, т.е. фактически задает температуру уставки, вокруг которой работает система. Соответственно номиналы R3 и R4 следует выбирать таким образом, чтобы при достижении системой заданной температуры R1 = R3, R2 = R4 для удобства расчетов схемы. R5 и R6 служат для установки величины гистерезиса, т.е. для установки разброса включения и выключения. R6 и R5 являются добавочным делителем и R3-R4, причем номиналы лучше выбрать таким образом, чтобы R5 было минимально. Чтобы подсчитать схему при таких параметрах, надо знать сопротивление R2 соответствующее уставке температуры, исходя из этого подсчитать R1 для заданного напряжения (например, напряжения открытия полевого транзистора), подобрать соответствующие R3 и R4, затем подсчитать R5 и R6 исходя из величины добавочного напряжения для напряжения делителя R3-R4. На выходе триггера всегда будут либо 0, либо напряжение питания.
Тонкая настройка схемы производится регулировкой R1 (температура уставки) и R6 (разница температуры от уставки при включении и выключении).
С выбором номиналов практически неограниченная свобода: теперь мы не привязаны в исходном делителе к величине Uthreshold транзистора, но на приведенной схеме я менять коэффициенты не стал.