Чисто Аналоговый Бытовой Терморегулятор ( Термостабилизатор )

[Falconist 7747]

Различных схем терморегуляторов (термостабилизаторов) существует вагон и маленькая тележка. На любой вкус и уровень опыта. От простейших, на триггере Шмитта (транзисторном либо на компараторе или ОУ) и до "навороченных" на микроконтроллере. Да и промышленно выпускаемые терморегуляторы (например, "Овен") недороги и доступны. Поэтому описанный в данной теме терморегулятор не претендует на какую-то супер-крутизну.

Он был разработан и изготовлен около 20 лет назад, когда микроконтроллеры были чем-то недосягаемым, успешно проработал примерно 10 лет в условиях производства (сухожаровой шкаф на 5 кВт) и провалялся до недавнего времени на чердаке. Был извлечен оттуда, включен в сеть и поставлен для стабилизации температуры в аквариуме. Как оказалось, перерыв в работе на него совершенно не повлиял. На показометре - актуальная температура = чуть меньше 30^оС. На спиртовом термометре = 29^оС.

Оригинальная схема за минувшие 20 лет где-то потерялась, вырисовывать по плате было лень да и смысла не было, т.к. выполнена она была на деталях той же 20-летней давности. Поэтому приводимая ниже схема является по сути "новоделом", воссозданным "по мотивам" исходной схемы.

Сразу предупреждаю: "в железе" именно эта схема не проверялась!!! Поскольку у жены два аквариума и такой же термостабилизатор нужен будет и для второго, то в ближайшем времени я ее реализую, тогда и отпишусь о результатах.

Блок питания

выполнен на маломощном трансформаторе и обеспечивает три напряжения: + 9 В, стабилизируемое 3-выводным стабилизатором (может быть в диапазоне +6...+15 В, всё зависит от выходного напряжения трансформатора), нестабилизированное +Vcc (снимаемое сразу же с выпрямительного моста и конденсатора фильтра, чтобы не подгружать стабилизатор) и +2,5 В, стабилизируемое аналогом стабилитрона TL341 и играющее роль "искусственной средней точки".

В качестве термодатчика используется обычный кремниевый диод (VD1) производства Болгарии (в свое время откуда-то их понавыпаивал больше сотни):

Нет подходящего диода? Не проблема. эмиттерный переход транзистора тоже подойдет.

Ток через термодатчик (1...2,5 мА) со стороны катода стабилизируется генератором тока на ОУ DA2 и транзисторе VT1. Его величина устанавливается подстроечным резистором R4 такой, чтобы при 0^оС (температура тающего льда) падение напряжения на нем составляло 0,7 В. Внимание! Для диодов с различным допустимым током эти 0,7 В будут достигнуты при разном токе! Скажем, для КД212 падение напряжения 0,7 В будет при токе примерно 10...20 мА (результаты собственных экспериментов). Со стороны анода на термодатчик подается напряжение 3,2 В (относительно общей шины) с выхода инвертирующего усилителя DA1 (устанавливается подстроечным резистором R2).

Таким образом, на катоде термодатчика получаем такое же напряжение (+2,5 В), как и опорное, относительно которого потенциал, изменяющийся с изменением температуры термодатчика, будет усиливаться неинвертирующим усилителем DA3. Поскольку изменение падения напряжения на кремниевом p-n переходе достигает 3 мВ/град, то для надежной работы компаратора (DA6) вполне достаточно усилить его всего в 7...10 раз. Коэффициент усиления устанавливается подстроечным резистором R8. При повышении температуры термодатчика падение напряжения на нем уменьшается и потенциал на его катоде становится более положительным. Соответственно, возрастает потенциал и на выходе DA3.

Известны, конечно, схемы на транзисторах, в которых температурный коэффициент изменения напряжения достигает 6...10 мВ/град, но 3-проводная система подключения как-то резко нивелирует это преимущество подобных схем.

Возникает закономерный вопрос: а нафига вообще нужна столь сложная система запитки термодатчика??? Ответ простой: для обеспечения полностью независимой установки нулевого значения (при 0^оС) резистором R2 и конечного значения резистором R8 (скажем, при 100^оС - температура кипящей воды, хотя кремниевый p-n переход совершенно спокойно можно использовать и до температуры +150^оС). Дело в том, что температурный коэффициент изменения падения напряжения на p-n переходе - величина не калиброванная и при смене термодатчика придется подстраивать как ноль, так и крайнее значение.

Зато, в отличие от терморезисторов, температурный коэффициент изменения падения напряжения на p-n переходе практически линеен во всем рабочем диапазоне! Это позволяет (с определенным допущением, конечно же) использовать линейный измеритель температуры, в качестве которого применен обычный стрелочный прибор на 100 мкА. Такой выбран исключительно из-за соответствия шкалы на 100 делений шкале на 100 градусов. А реально стрелочный прибор можно использовать на любой ток от 50 мкА до 10 мА. ОУ DA4, включенный повторителем, потянет запросто. В принципе, никто не мешает применить и цифровой вольтметр, с учетом современных тенденций. Вот только непонятно, зачем лепить цифру к чисто аналоговой схеме?

Вход повторителя может подключаться переключателем SA1 либо к выходу усилителя DA3, при чем измерительный прибор будет показывать актуальную температуру термодатчика, либо к движку переменного резистора R9, показывая порог, при котором будет происходить срабатывание компаратора.

Сигнал с термодатчика мы получили и направили его на один из входов компаратора DA6. На второй вход поступает опорное напряжение с переменного резистора R9, дополнительно застабилизированное регулируемым "стабилитроном" DA7 (TL431) на уровне 2,5 В относительно "искусственной средней точки". Входы компаратора могут меняться местами переключателем SA2. При его положении, показанном на схеме, компаратор формирует низкий потенциал на своем выходе при низкой температуре термодатчика, а следовательно, при выходном напряжения с выхода усилителя DA3 ниже напряжения, снимаемого с движка R9. Через светодиод оптрона DA8 протекает ток, его оптотиристор открыт и нагрузка подключена к сети. Светодиод VD8 индицирует ее подключенное состояние. Схема подключения силового симистора к оптоизолятору МОС3041 взята из даташита на него.

Если напряжение с выхода усилителя DA3 (при повышении температуры термодатчика) превысит напряжение, снимаемое с движка резистора R9, на выходе компаратора DA6 появится напряжение высокого уровня, оптрон закроется и нагрузка отключится.

Однако, не исключена ситуация, что при повышении температуры надо не выключать нагреватель, а наоборот, включать охладитель (например, вентилятор). Для такого режима переключатель SA2 переводится в противоположное положение и логика работы компаратора меняется на обратную.

Остался пока не рассмотренным только компаратор DA5. Это - "защита от дурака". Если вдруг датчик температуры перемкнется накоротко, то ничего критичного с термостатируемым объемом не произойдет: такое состояние будет воспринято, как будто бы температура резко повысилась и нагреватель отключится. Хуже, если цепь датчика оборвется. Это будет воспринято, как снижение температуры, нагреватель останется постоянно включенным. В результате - уха (если термостатируется аквариум), либо яичница (инкубатор). В такой ситуации на выходе второго компаратора DA5 появится низкий уровень, шунтирующий светодиод оптрона DA8.

Вот, вроде бы и всё... Напоследок могу сказать, что, несмотря на то, что терморегуляторы на МК на первый взгляд вроде бы и "круче", но при любом программном сбое "уха"/"яичница" обеспечены с вероятностью 50/50%. Аппаратный дефект имеет равную вероятность как для МК, так и для данной схемы.

То, что терморегулятор на МК имеет якобы меньшие размеры - всего лишь распространенный миф! К собственно корпусу МК надо добавить блок питания, органы управления, силовую часть, корпус - и в результате будет почти то на то.

А повторять ли эту (или подобную ей) аналоговую схему или нет - пускай каждый решает для себя сам.

Успехов!

P.S. В аттаче - файл Мультисима 13 с симуляцией DA1 + DA2 + DA5.

P.P.S. Статья имела бы смысл?

Термостабилизатор.rar

[Adver 220]

PCBWay - всего $5 за 10 печатных плат, первый заказ для новых клиентов БЕСПЛАТЕН (Экспресс изготовление за 24 часа!)

Сборка высококачественных печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет

Онлайн просмотрщик Gerber-файлов от PCBWay!

Мы принимаем формат Sprint-Layout 6! Экспорт в Gerber из Sprint-Layout 6.

Студенческое спонсорство

[KRAB 7208]

Хорошо забытая классика! Диоды - с "цифроблоков" - аналогично куча таких валяется.

"...поставлен для стабилизации температуры в аквариуме..." - УХА исключена в случае нештатной ситуации?

[Adver 220]

Изготовление 2-х слойных плат от 2$, а 4-х слойных от 5$!

Быстрое изготовление прототипа платы всего за 24 часа! Прямая доставка с нашей фабрики!

Смотрите видео о фабрике JLCPCB: https://youtu.be/_XCznQFV-Mw

Посетите первую электронную выставку JLCPCB https://jlcpcb.com/E-exhibition чтобы получить купоны и выиграть iPhone 12, 3D-принтер и так далее...

[Falconist 7747]

Кирпич на голову - исключен?

Так же и уха. Вероятность при данной схемотехнике сведена к минимуму. Но не к 0. У моего братца когда-то был терморегулятор на контактном термометре. Разорвался ртутный столбик. Сам по себе. Пришел он с работы - а в аквариуме уха...

[Adver 220]

Материалы вебинара Параметры выше, цена ниже. Обновление в линейке AC/DC- и DC/DC-преобразователей MORNSUN

Опубликованы запись, ответы на вопросы и материалы вебинара, посвящённого преимуществам и отличиям новых источников питания и DC/DC-преобразователей Mornsun. На вебинаре были рассмотрены изолированные и неизолированные DC/DC-преобразователи последнего, четвертого, поколения (R4) и компактные модульные источники питания второго и третьего поколений (семейства LS/R3 и LD/R2) на плату, также новая группа продукции – встраиваемые источники питания в кожухе.

Подробнее

[Лалюна 795]

любом программном сбое "уха"/"яичница" обеспечены с вероятностью 50/50%

Ну почему же...давным давно уже научились избавляться от программных сбоев. Сейчас (не совсем сейчас этому "сейчас" уже не один десяток лет ) в МК существуют уже аппаратные решения подобных проблем ...используются таймеры с прерыванием, если программа в течении определённого времени не сбрасывает счётчик , то таймер по переполнению сбрасывает МК...

Только всё это требует хорошего знания МК, времязатрат, а также должна быть цель - надёжность уст-ва... Если сверхнадёжности не нужно и сбойный МК можно просто вручную сбросить после обнаружения зависания, то и городить ничего никто не будет.

Схема хороша, спору нет...

[Adver 220]

Запускаем новый BLE 5.2-чип BlueNRG-LP от STMicroelectronics

Любая разработка начинается с чтения документации и изучения доступных средств разработки. Данный материал целиком посвящен средствам разработки, включая детальные инструкции по запуску вашего первого приложения на BlueNRG-LP. Описана работа с отладкой STEVAL-IDB011V1, набором инструментов и пакетом ПО позволяющим разработчику быстро войти в курс дела.

Подробнее

[Falconist 7747]

...сбойный МК можно просто вручную сбросить после обнаружения зависания...

Это как? После того, как уху яичницей закусите?

[Adver 235]

Материалы вебинара Практическое использование TrustZone в STM32L5

Материалы вебинара, посвященного экосистеме безопасности и возможностях, которые дает новая технология TrustZone в МК STM32L5, содержат две подробные практические работы: создание простого приложения с изоляцией в TrustZone, и пример отладки и тестирования TFM-SBSFU. Программа рассчитана на технических специалистов и тех, кто уже знаком с основами защиты ПО в STM32.

Подробнее

[Лалюна 795]

Да нет конечно...но , заметьте, часто ли у Вас электронные часы сбиваются или зависают? Про гаджеты (прям обзывательное слово какое то ) я не говорю, там вполне возможны не только аппаратные но и программные косяки. Хотя вот простенькие сотовые тоже редко зависают.

Я же написАл :

Если сверхнадёжности не нужно и сбойный МК можно просто вручную сбросить после обнаружения зависания, то и городить ничего никто не будет.

Это я написал к тому, что обычно никто не заботится о защите от сбоя. Это долго, это скучно, знать что то нужно да вообще и так неплохо работает ..видимо такая мотивация ...

Edited March 30, 2015 by Лалюна

[Falconist 7747]

...обычно никто не заботится о защите от сбоя.

Совершенно верно. Для этого надо очень хорошо знать, как будет работать спроектированное устройство при самых разных штатных и нештатных режимах. А это - не только мастерство, но уже где-то искусство.

Вот, к примеру, статья: http://cxem.net/soun....../light95.php 5 абзацев из 7 последних посвящены настройке после (или в процессе) изготовления. Приведенная в этой теме схема усложнена конструктивно именно для того, чтобы ее было легко настраивать! Одним переменником выставляется ноль, вторым - максимальное значение диапазона, совершенно независимо один от другого. ВСЁ! Настройка по сути завершена. Во встречавшихся мне схемах малой и средней сложности надо поочередно крутить один и второй подстроечники, т.к. оба параметра взаимозависимы.

[Adver 220]

[mvkarp 3918]

Ну почему же...давным давно уже научились избавляться от программных сбоев. .

Порт в контроллере отказал - вот и уха. И пофиг там "охранные собаки".

На ответственных объектах осуществляется дублирование как в цепях регулирования, так и в цепях защиты.

[Лалюна 795]

Ну , извините ...может и симистор в управлении крякнуть, что в аналоге, что в цифре....

МК обвиняют в программных сбоях , а не в аппаратных отказах... аппаратно, что угодно не вечное...

На сверхнадёжной аппаратуре и тройное дублирование ставят... Но ракетоносители , не взирая на теорию вероятностей , промахиваются мимо расчётных траекторий, падают и теряют грузы...

Edited April 30, 2015 by Лалюна

[ivasyk_telesyk 2]

Цитата

Сразу предупреждаю: "в железе" именно эта схема не проверялась!!!

Якийсь косяк із включенням тл431, нє?

Edited September 6, 2016 by ivasyk_telesyk

[ST_A 7]

В 31.03.2015 в 14:14, Falconist сказал:

Совершенно верно. Для этого надо очень хорошо знать, как будет работать спроектированное устройство при самых разных штатных и нештатных режимах. А это - не только мастерство, но уже где-то искусство.

....

 Одним переменником выставляется ноль, вторым - максимальное значение диапазона, совершенно независимо один от другого. ВСЁ! Настройка по сути завершена. Во встречавшихся мне схемах малой и средней сложности надо поочередно крутить один и второй подстроечники, т.к. оба параметра взаимозависимы.

Отдаю должное за схемное решение, но есть и маленький вопросик по исходной схеме: Были ли предприняты контрмеры для обеспечения точности поддержки температуры в аквариуме в случае, когда температура в комнате пляшет например от +10 до +25 градусов? Или такая задача по обеспечению высокой точности не стояла?

К примеру, в далеком 2004-м я тоже делал подобные схемы по сложности сопоставимые со схемой в этой теме и пляска температуры в помещении мне прилично портила показатели поддержки температуры в инкубаторе (температура уставки уходила до 0,5 градуса при неизменном положении резистора-задатчика). Пока не заменил резистор-задатчик на проволочный (для моих приложений было достаточно применить переменники семейства ППБ-2)  и источник опорного напряжения на другой, с предельно малым ТКН (очень хорошо подходили советские стабилитроны КС191Ф), после их замены подобные схемы держали температуру в "шкафчике" на 15000 яиц с точностью +/-0,1...0,15 градуса (т.е. полный перепад температуры в зоне термодатчика составлял 0,2...0,3 градуса)