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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Stabilizzatori di temperatura negli elettrodomestici. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Regolatori di potenza, termometri, stabilizzatori di calore L'articolo pubblicato è dedicato alla selezione e alla pratica dell'implementazione di macchine elettroniche progettate per mantenere la temperatura richiesta in vari elettrodomestici. Le raccomandazioni dell'autore possono essere utili a molti radioamatori: progettisti. L'ambito di applicazione degli stabilizzatori di temperatura nei dispositivi utilizzati in casa è piuttosto ampio. Si tratta ad esempio di impianti per la conservazione delle verdure, acquari, incubatrici di piccole dimensioni, camere di cottura delle api, serre e molto altro ancora. Ampia letteratura è dedicata alla progettazione di stabilizzatori termici per vari scopi e alla descrizione del loro funzionamento. Eppure questo argomento, secondo me, rimane rilevante, soprattutto per coloro che hanno deciso di costruire da soli tali dispositivi. Tenendo conto di alcune difficoltà legate all'acquisizione di un certo numero di parti e delle diverse condizioni operative degli stabilizzatori, vorrei soffermarmi su alcune questioni generali prima di descrivere progetti specifici. Innanzitutto, quando si inizia a progettare uno stabilizzatore termico, è necessario determinare la potenza del riscaldatore che fornisce la temperatura richiesta in un dato volume. Questo è un compito separato, a volte complesso, che richiede calcoli di ingegneria termica. Per calcoli approssimativi, è possibile utilizzare formule semplici. Così, ad esempio, per proteggere gli alimenti dal congelamento nel vostro magazzino di verdure con una temperatura esterna fino a -30°C in una scatola di assi o truciolato di spessore 20 mm, con uno strato di plastica espansa di spessore 25...30 mm , la potenza del riscaldatore richiesta dovrebbe essere la seguente, come indicato in [1]: P = V2/3, dove P è la potenza del riscaldatore, espressa in watt; V è il volume interno della scatola in litri. Per una loggia, una serra con telaio rivestito in vetro o polietilene, la potenza di riscaldamento totale richiesta è determinata dalla seguente formula [2]: P \u1,23d XNUMX Sp Kt (stagno - tnap), dove P è la potenza del riscaldatore in watt; Sp - superficie totale di raffreddamento (pareti, pavimento, soffitto) in m2; Kt - coefficiente di scambio termico in W/m2 °C; tin e tout sono rispettivamente la temperatura interna ed esterna in gradi. Il valore del coefficiente Kt può variare da Kt = 3,3 (per vetrocamera) a Kt = 7,5 (per film di polietilene monostrato). Qualsiasi stabilizzatore di temperatura include un elemento sensibile: un sensore di temperatura e un amplificatore del segnale del sensore; dispositivo o comparatore di confronto di segnali; una chiave elettronica che svolge le funzioni di un attuatore; alimentazione ed elemento riscaldante. Come sensore di temperatura vengono solitamente utilizzati i termistori delle serie KMT, MMT, ST, il cui coefficiente di resistenza alla temperatura (TCR) è negativo - 2...7% / gradi. - e cambia in funzione della temperatura, e la tolleranza sul valore di resistenza del termistore è del 10...30%. Negli stabilizzatori termici amatoriali, i termistori vengono spesso utilizzati a causa del loro ampio TCR. Tuttavia, la loro significativa non linearità e le ampie tolleranze richiedono la regolazione individuale degli stabilizzatori termici progettati e la calibrazione delle scale, rendendo difficile la sostituzione in caso di riparazione. Il calcolo dei parametri di un ponte con un termistore a semiconduttore, con maggiori requisiti di precisione, è descritto, ad esempio, in [3, 4]. I sensori di temperatura della serie TSM - rame - hanno le migliori caratteristiche metrologiche. Il loro TKS è positivo, ma è solo dello 0,3% / deg = 1/293° e la linearità della caratteristica è garantita in un ampio intervallo di temperature. Appartengono a dispositivi di precisione di alta classe (0,1...0,5%) e possono funzionare anche in ambienti aggressivi. Lo svantaggio del TSM è la sua lunghezza relativamente lunga (circa 300 mm) e il costo elevato.
Meno noto come sensore di temperatura è un diodo al silicio, il cui coefficiente di conversione negativo è 2 mV/grado. [5, 6]. Quasi tutti i diodi al silicio a bassa potenza forniranno una conversione lineare da temperatura a tensione. Tutti i convertitori termici qui elencati sono solitamente inclusi in uno dei bracci di un ponte resistivo, la cui fonte di alimentazione è stabilizzata. Il segnale di uscita del ponte viene alimentato all'ingresso del dispositivo di confronto o, se necessario, preamplificato. Per confrontare i segnali, è più conveniente utilizzare un comparatore, che è un amplificatore operazionale (amplificatore operazionale) con feedback positivo. La funzione di confronto può essere eseguita da qualsiasi amplificatore operazionale delle serie K140, K553 o comparatori appositamente progettati della serie K554. Il comparatore più preferibile è K554SAZ, che fornisce una corrente di uscita fino a 50 mA, che consente di accendere direttamente il relè elettromagnetico dell'attuatore senza un amplificatore aggiuntivo. La scelta dell'uno o dell'altro tipo di relè è determinata da due fattori: il valore della corrente operativa e la tensione e corrente consentite dei suoi contatti di commutazione. Con una tensione di rete di 220 V i contatti del relè devono commutare in modo affidabile la corrente del riscaldatore. I relè a bassa potenza più comuni sono RES8, REN18 [7]. Gli avvolgimenti dei relè REN20 e MKU-48 (passaporto 4.509.146) sono progettati per funzionare direttamente da una rete di tensione alternata di 220 V con una corrente di contatto consentita di 5 A, che in pratica ne consente l'utilizzo nella maggior parte dei casi. Quando due gruppi di contatti sono collegati in parallelo, questi relè consentono l'attivazione di riscaldatori con una potenza totale fino a 2,2 kW. Oltre al relè elettromagnetico, l'elemento dell'attuatore che accende il riscaldatore può essere un tiristore o un triac. Questi dispositivi consentono la commutazione di correnti di riscaldamento fino a 80 A. L'assenza di contatti ne rende preferibile l'utilizzo. È vero, il design dello stabilizzatore termico stesso diventa più complesso rispetto a un relè elettromagnetico nel collegamento esecutivo. L'alimentatore con stabilizzatore termico è solitamente un trasformatore che riduce la tensione di rete a 13...16 V, con uno o due raddrizzatori e semplici stabilizzatori di tensione raddrizzati. La potenza del trasformatore di rete normalmente non supera i 10...15 W. È possibile utilizzare trasformatori unificati della serie TPP che dispongono del set richiesto di avvolgimenti secondari [8]. Come fonte di calore, soprattutto dal punto di vista della sicurezza elettrica, è preferibile utilizzare riscaldatori elettrici tubolari - elementi riscaldanti; Naturalmente sono adatte anche le normali lampade a incandescenza progettate per la tensione di rete. Oggi esistono molte soluzioni circuitali per la costruzione di stabilizzatori termici, in cui gli elementi elencati sono combinati in varie combinazioni. Per orientarsi nella scelta dello stabilizzatore di temperatura da progettare è possibile utilizzare la tabella qui proposta, che riporta i dati tecnici fondamentali di alcuni stabilizzatori termici precedentemente pubblicati su Radio. Allo stesso tempo, propongo per la ripetizione uno stabilizzatore termico di ampia applicazione (Fig. 1), in cui un diodo al silicio o un resistore di rame funge da sensore di temperatura. Un'altra differenza tra questa versione della macchina elettronica è l'assenza di transistor e la presenza di un microamperometro per la misurazione della temperatura.
Come la maggior parte degli stabilizzatori termici elencati in tabella, è composto da quattro unità: un elemento sensibile, un comparatore, un attuatore e un alimentatore. Il sensore di temperatura, la cui funzione è svolta dal diodo VD1, è incluso nel ponte di misura con resistori R1 - R4 negli altri tre bracci. Il segnale dall'uscita del ponte viene fornito (tramite i resistori R5 e R6) ad entrambi gli ingressi dell'amplificatore operazionale DA1, coperto da feedback negativo (circuito R8R9), e dalla sua uscita all'ingresso invertente del comparatore DA2. La temperatura richiesta in un volume chiuso viene impostata con un resistore variabile R12, dotato di una scala corrispondente. La funzione dell'attuatore è eseguita dal relè elettromagnetico K1. Attivati dal segnale di uscita del comparatore, i contatti K1.1 del relè accendono il LED HL1, segnalando che il riscaldamento è acceso, e i contatti K1.2 accendono il riscaldatore (Rн). L'alimentatore è composto dal trasformatore T1, dal ponte raddrizzatore VD6, dai filtri livellatori C5R17 e C6R18. I diodi Zener VD4 e VD5 forniscono ai microcircuiti del dispositivo una tensione di alimentazione bipolare di ±10 V. Per monitorare visivamente la temperatura dell'aria nel volume riscaldato, nel dispositivo viene inserito un microamperometro PA1 con una corrente di deflessione dell'ago completa di 100 μA (M4248), la cui scala è calibrata in gradi. Se la parte elettronica del dispositivo si trova all'esterno del volume riscaldato, il sensore a diodi (VD1) è collegato a un ponte resistivo con un filo schermato. Con quelli mostrati in Fig. 1, valori di resistori e altre parti, il dispositivo fornisce la stabilizzazione della temperatura nell'intervallo 0...20°C. Per stabilizzare la temperatura entro +36...+45°C, necessaria, ad esempio, per un'incubatrice, la resistenza nominale del resistore R13 dovrebbe essere di 2 kOhm. Tutti i resistori fissi utilizzati nello stabilizzatore termico sono MLT e i resistori variabili sono SP5-2 (R4, R9 e R14), PPZ-40 o PPB (R12). I condensatori C3 - C6 sono ossido K50-6, K50-16 o K50-29, il resto è KM-5 o KM-6. Sostituiremo il ponte a diodi KTs407A con il gruppo KTs402 con qualsiasi indice di lettere. Diodo Zener VD2 - per tensione di stabilizzazione 8...8,5 V e VD4 e VD5 - per 9,5...10,5 V. Relè K1 - REN18 (passaporto РХ4.564.509) o MKU-48 (passaporto 4.500.232). Sensore di temperatura VD1: qualsiasi al silicio. È meglio, tuttavia, in una custodia metallica, ad esempio le serie D207 o D226 con qualsiasi indice di lettere, poiché tale diodo ha un'inerzia termica inferiore. La potenza del trasformatore di rete T1 dell'alimentatore è di circa 5 W. Il suo avvolgimento secondario deve fornire una tensione alternata di 2x12 V con una corrente di carico di 80...100 mA. Lo stabilizzatore termico è montato in una custodia di dimensioni 170x90x60 mm. La maggior parte delle sue parti sono posizionate su un circuito stampato di 100x85 mm (Fig. 2), realizzato in fibra di vetro su un solo lato. Il trasformatore T1 e il relè K1 sono montati separatamente e il microamperometro PA1, il resistore variabile R12 e i LED HL1 e HL2 sono posizionati sul pannello frontale della custodia.
È meglio configurare il dispositivo in questo ordine. Posizionare il diodo VD1 in un ambiente con una temperatura corrispondente al limite inferiore di controllo (0°C), e bilanciare il ponte con la resistenza R4. In questo caso, le letture del microamperometro dovrebbero essere zero. Quindi aumentare la temperatura del diodo al valore massimo (20°C) e utilizzare il resistore R9 per ottenere la deflessione massima dell'ago del microamperometro a 100 μA. Successivamente, è necessario regolare il funzionamento del comparatore DA2. Per fare ciò, il cursore del resistore R12 viene impostato nella posizione più alta nel circuito e il diodo VD1 viene riscaldato alla temperatura massima (20°C). Il resistore trimmer R14 viene utilizzato per commutare il comparatore in un altro stato, attivare il relè K1 e accendere il LED HL2. In questo caso la divisione sulla scala della resistenza R12 corrisponderà ad una temperatura di 20°C. Quindi, senza modificare la resistenza del resistore R14, la scala del resistore R12 viene calibrata in più punti, garantendo che il comparatore funzioni a diversi valori di temperatura del diodo-sensore VD1. Se come sensore di temperatura viene utilizzato un termistore in rame, il cui TKE è positivo, viene inserito nel ponte di misura al posto dei resistori R3 e R4 e questi resistori al posto del diodo VD1. La procedura per regolare i limiti inferiore e superiore dell'intervallo di temperatura rimane la stessa. Se la parte elettronica dello stabilizzatore termico si trova all'esterno del volume riscaldato, per aumentare la precisione del dispositivo è necessario installare un diodo zener VD2 compensato in temperatura, ad esempio della serie D818 o KS191. Letteratura
Autore: Yu.Andreev, San Pietroburgo
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