Автоматический терморегулятор с датчиком-транзистором

В. КРИВОПАЛОВ, Радио №7/1966, ст.51

Нестабильность параметров по­лупроводниковых диодов и транзисторов иногда может ока­заться полезной. Так, например, зависимость проводимости от темпе­ратуры позволяет использовать эти приборы при конструировании тер­морегуляторов . Электропроводность полупроводников с повышением тем­пературы возрастает. Для транзи­стора П13, включенного по схеме с заземленным эмиттером, проводи­мость участка коллектор-эмиттер 10^-4 1/Ом изменяется в несколько раз ом в интервале температур от 20 до 40° С, что дает возможность исполь­зовать его как термодатчик в авто­матическом терморегуляторе. Тер­морегулятор, как правило, состоит из датчика, преобразующего измене­ние температуры в изменение линей­ной величины (контактный термо­метр) или в изменение величины электрической проводимости (тер­мосопротивление или маломощный транзистор); усилителя тока или на­пряжения сигнала, поступающего с датчика; исполнительного устрой­ства (реле), управляющего работой нагревателя; нагревателя (спираль из нихрома) или нагревательных эле­ментов в зависимости от массы и объ­ема подогреваемого объекта.

Основным преобразующим элемен­том является уравновешенный мост, в одно из плеч которого включен транзистор Т₁ по схеме с общим эмиттером (датчик). К одной диаго­нали вг моста подведено питающее на­пряжение от батареи, аккумулятора или выпрямителя в пределах от 1 до 10 В в зависимости от того, какой уровень сигнала должен соответ­ствовать изменению температуры на один градус. С другой диагонали снимается напряжение полезного сигнала. Мост обладает повышенной чувствительностью и его удобнее применять при регулировке началь­ного уровня стабилизации темпера­туры. Мост балансируют при темпе­ратуре окружающей датчик-тран­зистор среды потенциометром R₂. В дальнейшем изменение темпера­туры окружающей среды вызывает изменение проводимости перехода коллектор-эмиттер и баланс моста нарушается. Тогда на вход усили­теля поступает напряжение, зави­сящее от степени изменения темпе­ратуры.

Последующее усиление, а следова­тельно, и выбор схемы усилителя определяется параметрами исполни­тельного электромагнитного реле управляющего работой нагреватель­ного элемента. Мощность контактов реле должна соответствовать мощ­ности подогревателя, а мощность последнего, в свою очередь, опреде­ляется массой, объемом и назначе­нием объекта, температуру которого надо регулировать.

Для подогревателя мощностью до 150 вт можно использовать реле типа РКН, РЭС, а свыше 150 вт — реле с более мощными силовыми кон­тактами (например, МКУ-48, ко­торое Включено через промежу­точные реле с меньшим током сра­батывания). Таким образом, вы­ходной ток усилителя должен быть достаточным для включения или выключения исполнительного или промежуточного реле. Для этой цели можно использовать усилитель по­стоянного тока на одном или двух транзисторах, ламповый усилитель постоянного тока или же спуско­вое устройство, например, триггер (рис. 1—3). Терморегулятор настра­ивают на определенные точки стаби­лизации температуры, то есть на оп­ределенные токи срабатывания, по ртутному термометру, причем надо учитывать массу и объём объекта, инерционность подогревателя, разность между токами срабатывания н выключения реле, а также, что особенно важно, инертность самого ртутного термометра.

Существуют различные схемы терморегуляторов. Использование в каждом конкретном случае того или иного варианта терморегулятора позволяет получить желаемые ре­зультаты.

На рис. 1 приведена схема термо­регулятора с поляризованным реле в качестве исполнительного устрой­ства. ОнО состоит из моста с датчиком-транзисторОм T₁ усилительного каскада на транзисторе Т2 с реле Р₁ (РП-7) в качестве нагрузки, исполни тельного реле Р₂ (МКУ-48) и нагре­вательного элемента (нихромовая спираль на 500 вт). Питается термо­регулятор от гальванического эле­мента 1,3 ФМЦ, включенного в диаго­наль моста, и батареи КБС—Л—0,5 в цепи усилительного каскада. На подогреватель напряжение подается от сети переменного тока через нор­мально замкнутые контакты реле Р₂. Обмотка реле Р₂ также должна быть рассчитана на это напряжение. Регулировка терморегулятора сво­дится к балансировке моста с по­мощью резистора R₂ при начальной температуре (20° С) и установке ра­бочей точки усилительного транзи­стора T₂. При отсутствии напряже­ния в точках аб моста изменением сопротивления резистора R₄ уста­навливают такое смещение на базе транзистора T₂, чтобы напряжение на его коллекторе было равно поло­вине напряжения источника питания. Обычно это сопротивление оказывает­ся в пределах 150—300 ком. Сопро­тивление резистора R₄, кроме того, определяет и глубину отрицательной обратной связи. В результате этого по одной из обмоток реле потечет начальный ток /_к. Для нейтрализации магнитного потока, созданного на­чальным током, по другой обмотке реле надо пропустить встречный ток /_н. Его можно регулировать рези­стором R₆.

Точки стабилизации температуры терморегулятора устанавливают сле­дующим образом. При включении подогревателя (при нагревании объ­екта) с преобразовательного моста поступает напряжение сигнала. При повышении температуры ток через реле возрастает. Как только темпе­ратура достигнет требуемого уровня, коллекторный ток становится доста­точным для срабатывания реле Р₁ контакты которого включают обмот­ку силового реле Р₂. Контакты реле Р₂ ^в свою очередь, размыкают цепь литания нагревателя, но нагревание продолжается из-за тепловой инер­ции подогревателя и объекта, так что температура объекта может пре­высить нужный уровень. Поэтому, выждав момент, когда после остыва­ния объекта снова начнется его на­гревание, изменяют ток нейтрализа­ции (резистором R₆) так, чтобы реле срабатывало при температуре на несколько градусов ниже, чем за­данный уровень стабилизации. Так можно установить точку стабилиза­ции в диапазоне температур 25— 45° С. Если потребуется подогрев и стабилизация температуры ниже комнатной, то мост балансируют при этой начальной температуре, например при 5—15° С, Во время регулировки и налаживания необ­ходимо учитывать также ток выклю­чения реле, причем регулируя реле надо добиться, чтобы ток включения минимально отличался от тока вы­ключения.

На рис. 2 показана схема терморе­гулятора со спусковым устройством. Он содержит такой же мост с датчи­ком-транзистором Т1 на входе, как и предыдущий, спусковое устрой­ство — это триггер на транзисторах Т₂, Т₃, имеющий два устойчивых состояния, нагрузкой которого служит реле Р₁ типа (РКН или РЭС), усилитель (Т₄), симметрирующий транзистор Т₅ и выпрямитель сете­вого напряжения 127 в на диоде Д₁

Во время налаживания терморегу­лятора сначала попарно подбирают транзисторы Т2-Т3 и Т4-Т5, мало отличающиеся друг от друга по па па­раметрам. Их коэффициент усиления В должен быть около 50. Если триг­гер собран правильно, то коллектор­ное напряжение одного из транзи­сторов должно приближаться к на­пряжению источника питания 26 в (транзистор закрыт) и на другом — к половине этого напряжения (тран­зистор открыт). Поочередно замыкая пинцетом базу и эмиттер транзисто­ров Т₂ и Т₃ проверяют, перебрасы­вается ли триггер из одного состоя­ния в другое, что соответствует срабатыванию и отпусканию реле Р₁. Если это не наблюдается, проверяют идентичность всех его элементов. Затем подсоединяют транзисторы T₄ и Т₅. На базу транзистора Т₄ сигнал поступает с моста, а на Т₅ подается симметрирующее напряжение с де­лителя R₁₀—R11 При нарушении баланса моста (предварительно его балансируют при начальной темпе­ратуре), возникшем в результате по­вышения температуры (нагревания объекта), на усилительный транзи­стор Т₄ поступает напряжение сиг­нала, вызывающее переброс триг­гера и выключение нагревателя. При этом на базу транзистора Т₅ по­дается напряжение несколько мень­ше того, которое снимается с разбаллансированного моста при темпера­туре стабилизации. Если при осты­вании (уменьшении напряжения сиг­нала) триггер не возвращается в ис­ходное состояние, но это можно осуществить изменением напряже­ния на базе транзистора Т₅ с помо­щью потенциометра R₁₁, то следует переключить выводы коллекторов транзисторов T₄ и Т₅. Иногда перед перебросом триггера может наблю­даться дребезжание реле, тогда сле­дует подключить конденсатор С₂ емкостью 0,5—2 мкф к базе транзи­стора Т₂, как показано на рис. 2. Такой терморегулятор лучше исполь­зовать для стабилизации какой-то определенной температуры.

Можно построить терморегулятор на электронной лампе (рис. 3). Этот терморегулятор по принципу работы не отличается от предыдущих. В данном случае двухкаскадкый уси­литель постоянного тока собран на триоде 6Н1П с нагрузкой в оконеч­ном каскаде (реле P1)

Устройство питается от двух вы­прямителей. Один из них, собранный на германиевом диоде Д₁, питает мост, другой (на диодах Д₃—Д₄) — уси­литель постоянного тока. В качестве Тр₁ можно использовать любой си­ловой трансформатор с повышающей обмоткой на 200—250 в (15—20 ма) и одной обмоткой накала, причем она используется для выпрямления на­пряжения, питающего мост. Нала­живание устройства заключается в согласовании режимов предвари­тельного и оконечного каскадов. При нагревании и, следовательно, нару­шении баланса моста на сетку Л_1а поступает напряжение отрицатель­ной полярности, запирая лампу. Напряжение на ее аноде увеличи­вается, вызывая увеличение тока через Л1б. Как только этот ток окажется достаточным для срабаты­вания реле Р₁, контакты реле размы­каются, и нагревание прекращается. Увеличивая смещение на резисторе R₉ (с помощью потенциометра можно отодвигать момент срабаты­вания реле и, таким образом, граду­ировать терморегулятор. Работа терморегуляторов была проверена при комнатной темпера­туре. Датчики-транзисторы находи­лись в термостате и могли поддержи­вать в нем температуру в диапазоне 25—50° С. Наиболее трудный режим для работы стабилизаторов — незна­чительная разность температур ок­ружающей среды и термостата, что соответствует лишь незначительному изменению проводимости датчика. При работе в этом режиме напряже­ние, снимаемое с моста, незначитель­но. Снять большее в этих условиях можно, если к диагонали моста вг приложить напряжение не 1,5 В, а 3,5 в или выше. Наоборот, при значительных разностях температур следует уменьшать это напряжение. Стабилизация напряжения питания моста необходима при сетевом вари­анте из-за изменения напряжения сети. О работе нагревательного эле­мента можно судить по индикатору (неоновая лампа), как показано на рис. 1.

Конструктивное выполнение тер­морегуляторов произвольное. Необ­ходимо лишь удалить датчик на та­кое расстояние от нагревательного элемента, чтобы последний не оказы­вал влияния на работу устройства. В качестве датчиков можно исполь­зовать транзисторы любой проводи­мости. Нужно лишь соблюдать соот­ветствующую полярность включения.

В качестве примера можно описать конструкцию второго варианта. Он выполнен на шасси размерами 125X80X80 мм. На переднюю па­нель выведен индикатор переключе­ния нагревателя, ручки потенцио­метров балансировки моста (R₂)_, а также смещения на базе транзисто­ра Т₅ (R₁₁) и зажимы для подключе­ния нагревателя. Наверху располо­жен предохранитель и исполнитель­ное реле Р₂ (РКН) с облегченной контактной группой. Под шасси размещены транзисторы Т₂—T5, ба­тарея 1,5 в и все остальные детали. Датчик — транзистор соединен с тер­морегулятором гибким проводником, и его можно установить на любом объекте. Все элементы должны быть изолированы от шасси, так как устройство питается непосредствен­но от сети.