Temperaturstabilisatoren in Haushaltsgeräten. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Leistungsregler, Thermometer, Wärmestabilisatoren

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Der veröffentlichte Artikel widmet sich der Auswahl und Praxis des Einsatzes elektronischer Maschinen zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Temperatur in verschiedenen Haushaltsgeräten. Die Empfehlungen des Autors können für viele Funkamateure – Designer – nützlich sein.

Der Anwendungsbereich von Temperaturstabilisatoren in Geräten im Haushalt ist recht breit gefächert. Dies sind zum Beispiel Gemüselager, Aquarien, Kleinbrutkästen, Bienenkochkammern, Gewächshäuser und vieles mehr. Umfangreiche Literatur widmet sich dem Design von Thermostabilisatoren für verschiedene Zwecke und einer Beschreibung ihrer Funktionsweise. Und dennoch bleibt dieses Thema meiner Meinung nach relevant, insbesondere für diejenigen, die sich entschieden haben, solche Geräte selbst zu bauen. Unter Berücksichtigung gewisser Schwierigkeiten, die mit der Beschaffung einer Reihe von Teilen verbunden sind, und der unterschiedlichen Betriebsbedingungen von Stabilisatoren möchte ich auf einige allgemeine Fragen eingehen, bevor ich spezifische Konstruktionen beschreibe.

Wenn man mit der Entwicklung eines Wärmestabilisators beginnt, muss zunächst die Leistung des Heizgeräts bestimmt werden, das die erforderliche Temperatur in einem bestimmten Volumen bereitstellt. Dies ist eine separate, teilweise komplexe Aufgabe, die wärmetechnische Berechnungen erfordert. Für ungefähre Berechnungen können Sie einfache Formeln verwenden. So schützen Sie zum Beispiel die Lebensmittel in Ihrem Gemüselager bei einer Außentemperatur von bis zu -30°C vor dem Einfrieren in einer Kiste aus Brettern oder Spanplatten mit einer Dicke von 20 mm und einer Schicht aus Schaumstoff mit einer Dicke von 25 bis 30 mm , die erforderliche Heizleistung sollte wie folgt sein, wie in [1] angegeben: P = V2/3, wobei P die Heizleistung ist, ausgedrückt in Watt; V ist das Innenvolumen der Box in Litern.

Für eine Loggia, ein mit Glas oder Polyethylen bedecktes Rahmengewächshaus, wird die erforderliche Gesamtheizleistung nach folgender Formel ermittelt [2]:

P \u1,23d XNUMX Sp Kt (Zinn - Tnap),

wobei P die Heizleistung in Watt ist; Sp – Gesamtkühlfläche (Wände, Boden, Decke) in m2; Kt – Wärmedurchgangskoeffizient in W/m2 °C; tin und tout sind die Innen- bzw. Außentemperaturen in Grad. Der Wert des Koeffizienten Kt kann zwischen Kt = 3,3 (für Doppelverglasung) und Kt = 7,5 (für einschichtige Polyethylenfolie) liegen.

Jeder Temperaturstabilisator enthält ein empfindliches Element – ​​einen Temperatursensor und einen Sensorsignalverstärker; Signalvergleichsgerät oder Komparator; ein elektronischer Schlüssel, der die Funktionen eines Aktuators ausführt; Netzteil und Heizelement.

Als Temperatursensoren werden üblicherweise Thermistoren der Serien KMT, MMT, ST verwendet, deren Temperaturkoeffizient des Widerstands (TCR) negativ ist – 2...7 %/Grad. - und ändert sich je nach Temperatur, und die Toleranz des Widerstandswertes des Thermistors beträgt 10...30 %. In Amateur-Wärmestabilisatoren werden aufgrund ihres großen TCR am häufigsten Thermistoren verwendet. Ihre erhebliche Nichtlinearität und große Toleranzen erfordern jedoch eine individuelle Anpassung der entwickelten thermischen Stabilisatoren und eine Kalibrierung der Waagen, was den Austausch im Reparaturfall erschwert.

Die Berechnung der Parameter einer Brücke mit einem Halbleiterthermistor mit erhöhten Genauigkeitsanforderungen ist beispielsweise in [3, 4] beschrieben.

Temperatursensoren der TSM-Serie – Kupfer – weisen beste messtechnische Eigenschaften auf. Ihr TKS ist positiv, beträgt aber nur 0,3 % / Grad = 1/293° und die Linearität der Kennlinie ist über einen weiten Temperaturbereich gewährleistet. Sie gehören zu Geräten mit hoher Genauigkeit (0,1...0,5 %) und können auch in aggressiven Umgebungen eingesetzt werden. Der Nachteil von TSM ist seine relativ große Länge (ca. 300 mm) und die hohen Kosten.

Weniger bekannt als Temperatursensor ist eine Siliziumdiode, deren negativer Umwandlungskoeffizient 2 mV/Grad beträgt. [5, 6]. Nahezu jede Siliziumdiode mit geringer Leistung bietet eine lineare Temperatur-Spannungs-Umwandlung.

Jeder der hier aufgeführten Wärmewandler ist normalerweise in einem der Arme einer Widerstandsbrücke enthalten, deren Stromquelle stabilisiert ist. Das Ausgangssignal der Brücke wird dem Eingang des Vergleichsgeräts zugeführt oder ggf. vorverstärkt. Um Signale zu vergleichen, ist es am bequemsten, einen Komparator zu verwenden, bei dem es sich um einen Operationsverstärker (Op-Amp) mit positiver Rückkopplung handelt. Die Vergleichsfunktion kann von jedem Operationsverstärker der Serien K140, K553 oder speziell entwickelten Komparatoren der Serie K554 übernommen werden. Der am meisten bevorzugte Komparator ist K554SAZ, der einen Ausgangsstrom von bis zu 50 mA liefert, wodurch Sie das elektromagnetische Relais des Aktuators ohne zusätzlichen Verstärker direkt einschalten können.

Die Wahl des einen oder anderen Relaistyps wird von zwei Faktoren bestimmt – dem Wert des Betriebsstroms und der zulässigen Spannung und dem zulässigen Strom seiner Schaltkontakte. Bei einer Netzspannung von 220 V müssen die Relaiskontakte den Heizstrom zuverlässig schalten. Die gebräuchlichsten Low-Power-Relais sind RES8, REN18 [7]. Die Wicklungen der Relais REN20 und MKU-48 (Pass 4.509.146) sind für den direkten Betrieb an einem 220-V-Wechselspannungsnetz mit einem zulässigen Kontaktstrom von 5 A ausgelegt, was in der Praxis den Einsatz in den meisten Fällen ermöglicht. Bei Parallelschaltung zweier Kontaktgruppen ermöglichen diese Relais die Ansteuerung von Heizgeräten mit einer Gesamtleistung von bis zu 2,2 kW. Zusätzlich zum elektromagnetischen Relais kann das Element des Aktors, das die Heizung einschaltet, ein Thyristor oder Triac sein.

Mit diesen Geräten ist das Schalten von Heizströmen bis 80 A möglich. Der Verzicht auf Kontakte macht ihren Einsatz vorzuziehen. Zwar wird der Aufbau des Thermostabilisators selbst komplexer als bei einem elektromagnetischen Relais in der Führungsverbindung.

Bei der Stromversorgung des thermischen Stabilisators handelt es sich in der Regel um einen Transformator, der die Netzspannung auf 13...16 V reduziert, mit einem oder zwei Gleichrichtern und einfachen gleichgerichteten Spannungsstabilisatoren. Die Leistung des Netztransformators überschreitet in der Regel 10...15 W nicht. Sie können einheitliche Transformatoren der TPP-Serie verwenden, die über den erforderlichen Satz Sekundärwicklungen verfügen [8].

Als Wärmequelle, insbesondere im Hinblick auf die elektrische Sicherheit, ist es am besten, elektrische Rohrheizkörper – Heizelemente – zu verwenden; Natürlich sind auch gewöhnliche Glühlampen geeignet, die für Netzspannung ausgelegt sind.

Heutzutage gibt es viele Schaltungslösungen zum Aufbau von Thermostabilisatoren, bei denen die aufgeführten Elemente in verschiedenen Kombinationen kombiniert werden. Als Orientierungshilfe bei der Auswahl des zu entwickelnden Temperaturstabilisators können Sie die hier vorgeschlagene Tabelle verwenden, die die grundlegenden technischen Daten einiger zuvor in Radio veröffentlichter Temperaturstabilisatoren zeigt.

Gleichzeitig schlage ich zur Wiederholung einen weit verbreiteten thermischen Stabilisator vor (Abb. 1), bei dem eine Siliziumdiode oder ein Kupferwiderstand als Temperatursensor dient. Ein weiterer Unterschied zwischen dieser Version der elektronischen Maschine ist das Fehlen von Transistoren und das Vorhandensein eines Mikroamperemeters zur Temperaturmessung.

(zum Vergrößern klicken)

Wie die meisten in der Tabelle aufgeführten Thermostabilisatoren besteht er aus vier Einheiten: einem Sensorelement, einem Komparator, einem Aktuator und einem Netzteil. Der Temperatursensor, dessen Funktion die Diode VD1 übernimmt, ist mit den Widerständen R1 - R4 in den drei anderen Zweigen der Messbrücke enthalten. Das Signal vom Brückenausgang wird (über die Widerstände R5 und R6) beiden durch Gegenkopplung abgedeckten Eingängen des Operationsverstärkers DA1 (Schaltung R8R9) und von seinem Ausgang dem invertierenden Eingang des Komparators DA2 zugeführt. Die erforderliche Temperatur in einem geschlossenen Volumen wird mit einem variablen Widerstand R12 eingestellt, der mit einer entsprechenden Skala ausgestattet ist.

Die Funktion des Aktors übernimmt das elektromagnetische Relais K1. Durch das Ausgangssignal des Komparators aktiviert, schalten die Kontakte K1.1 des Relais die LED HL1 ein und signalisieren so, dass die Heizung eingeschaltet ist, und die Kontakte K1.2 schalten die Heizung ein (Rн).

Die Stromversorgung besteht aus Transformator T1, Gleichrichterbrücke VD6, Glättungsfiltern C5R17 und C6R18. Die Zenerdioden VD4 und VD5 versorgen die Mikroschaltungen des Geräts mit einer bipolaren Versorgungsspannung von ±10 V.

Zur visuellen Überwachung der Lufttemperatur im beheizten Volumen wird in das Gerät ein PA1-Mikroamperemeter mit einem Vollnadelauslenkungsstrom von 100 μA (M4248) eingesetzt, dessen Skala in Grad kalibriert ist. Befindet sich der elektronische Teil des Gerätes außerhalb des beheizten Volumens, wird der Diodensensor (VD1) mit einem abgeschirmten Kabel an eine Widerstandsbrücke angeschlossen.

Mit den in Abb. 1 Mikroschaltungen, Widerstandswerte und andere Teile sorgt das Gerät für eine Temperaturstabilisierung im Bereich von 0...20°C. Um die Temperatur innerhalb von +36... +45°C zu stabilisieren, was beispielsweise für einen Inkubator erforderlich ist, sollte der Nennwiderstand des Widerstands R13 2 kOhm betragen.

Alle im Thermostabilisator verwendeten Festwiderstände sind MLT und die variablen Widerstände sind SP5-2 (R4, R9 und R14), PPZ-40 oder PPB (R12). Die Kondensatoren C3 - C6 sind Oxide K50-6, K50-16 oder K50-29, der Rest sind KM-5 oder KM-6. Wir werden die Diodenbrücke KTs407A durch die Baugruppe KTs402 mit beliebigem Buchstabenindex ersetzen. Zenerdiode VD2 – für Stabilisierungsspannung 8...8,5 V und VD4 und VD5 – für 9,5...10,5 V.

Relais K1 - REN18 (Reisepass РХ4.564.509) oder MKU-48 (Reisepass 4.500.232).

Temperatursensor VD1 – beliebiger Siliziumsensor. Besser ist es jedoch in einem Metallgehäuse, beispielsweise der D207- oder D226-Serie mit beliebigem Buchstabenindex, da eine solche Diode eine geringere thermische Trägheit aufweist.

Die Leistung des Netztransformators T1 des Netzteils beträgt ca. 5 W. Seine Sekundärwicklung muss eine Wechselspannung von 2x12 V bei einem Laststrom von 80...100 mA liefern.

Der Thermostabilisator ist in einem Gehäuse mit den Maßen 170x90x60 mm montiert. Die meisten seiner Teile sind auf einer 100 x 85 mm großen Leiterplatte (Abb. 2) aus einseitiger Glasfaserfolie untergebracht. Transformator T1 und Relais K1 sind separat montiert, und Mikroamperemeter PA1, variabler Widerstand R12 und LEDs HL1 und HL2 sind auf der Vorderseite des Gehäuses platziert.

Am besten konfigurieren Sie das Gerät in dieser Reihenfolge. Platzieren Sie die Diode VD1 in einer Umgebung mit einer Temperatur, die der unteren Kontrollgrenze (0 °C) entspricht, und gleichen Sie die Brücke mit dem Widerstand R4 aus. In diesem Fall sollten die Mikroamperemeter-Messwerte Null sein. Erhöhen Sie dann die Temperatur der Diode auf den Maximalwert (20 °C) und erreichen Sie mit dem Widerstand R9 die maximale Auslenkung der Mikroamperemeternadel auf 100 μA.

Als nächstes müssen Sie den Betrieb des Komparators DA2 anpassen. Dazu wird der Schieber des Widerstands R12 auf die höchste Position im Stromkreis gestellt und die Diode VD1 auf die maximale Temperatur (20 °C) erhitzt. Mit dem Trimmerwiderstand R14 wird der Komparator in einen anderen Zustand geschaltet, das Relais K1 aktiviert und die LED HL2 zum Leuchten gebracht. In diesem Fall entspricht die Teilung auf der Skala des Widerstands R12 einer Temperatur von 20 °C. Anschließend wird, ohne den Widerstandswert des Widerstands R14 zu ändern, die Skala des Widerstands R12 an mehreren Punkten kalibriert, um sicherzustellen, dass der Komparator bei unterschiedlichen Temperaturwerten des Diodensensors VD1 arbeitet.

Wird als Temperatursensor ein Kupferthermistor verwendet, dessen TKE positiv ist, wird er anstelle der Widerstände R3 und R4 und diese Widerstände anstelle der Diode VD1 in die Messbrücke einbezogen. Das Verfahren zur Anpassung der unteren und oberen Grenzen des Temperaturbereichs bleibt gleich.

Befindet sich der elektronische Teil des Thermostabilisators außerhalb des beheizten Volumens, sollte zur Erhöhung der Genauigkeit des Gerätes eine temperaturkompensierte Zenerdiode VD2, beispielsweise der Serie D818 oder KS191, eingebaut werden.

Literatur

1. Baranov N. Ein einfacher Hitzestabilisator. - Radio, 1988, Nr. 8, p. 29, 30.
2. Kisloye VV Ausrüstung von Gewächshäusern für Neben- und Eigenbetriebe. - M.: Energoatomizdat, 1992, p. 96.
3. Tkachev F. Berechnung einer wärmeempfindlichen Brücke. - Radio, 1995, Nr. 8, p. 46.
4. Aleshin P. Linearisierung der Thermistorbrücke. - Radio, 1997, Nr. 11, p. 59.
5. Tsibin V. Digitales Thermometer. - Radio, 1996, Nr. 10, p. 41.
6. Biryukov S. Ein einfaches digitales Thermometer. - Radio, 1997, Nr. 1, p. 40-42.
7. Iglovsky I. G., Vladimirov G. V. Elektrische Schwachstromrelais. - M.: KUBK-a, 1996.
8. Shulgin G. Einheitliche Transformatoren. - Radio, 1982, Nr. 1, p. 59, 60.
9. Gabov S. Temperaturstabilisator in einem heimischen „Gemüselagerraum“. – Radio, 1993, Nr. 9, S. 28, 29.
10. Merzlikin A., Pakhomov Y. Leistungsstarker thermischer Stabilisator. - Radio, 1988, Nr. 2. S. 52.53.
11. Mayatsky Yu.Ein einfacher Hitzestabilisator. - Radio, 1991, Nr. 7, p. 32 - 34.
12. Tsygikalo G. Hochpräziser thermischer Stabilisator. - Radio, 1993, Nr. 4, p. 35 - 37.

Autor: Yu. Andreev, St. Petersburg

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