В. Н. Гололобов
Я не занимался разработкой термостатов, да и их разновидностей много. Но в какой-то момент меня заинтересовал вопрос, вернее, два вопроса: можно ли поддерживать температуру с точностью в одну десятую градуса; и как выглядит температура в разных точках замкнутого пространства термостата. Удовлетворив свое любопытство с помощью микроконтроллера и датчика температуры, я задумался о свойствах диода в качестве подобного датчика. Очень кстати попалась статья в журнале «Электрик» (№1-2, 2012 г., стр. 66, В. Рентюк «Стабилизация температуры в замкнутом объеме с полезной нагрузкой»). Итак, инкубатор.
Вот схема, взятая из журнала:
 |
|
| Схема управления нагревателем из журнала «Электрик». |
Мой интерес был вызван возможностью моделировать работу части этой схемы, относящейся к датчику температуры, с помощью программы TINA-TI.
В качестве датчика температуры в схеме используется диод. Поэтому первый эксперимент я хочу провести с диодом. Диод подключен через резистор 10 кОм (два резистора по 5.1 кОм) к источнику постоянного напряжения 9 В.
Первый опыт мне удобнее провести в программе Qucs, а вы можете его повторить в TINA-TI.
 |
|
| Опыт с диодом в программе Qucs. |
При изменении температуры в диапазоне 20-40 градусов падение напряжения на диоде при токе через диод порядка 1 мА составляет 658-623 мВ. Напряжение меняется приблизительно по 2 мВ/град. Эти значения напряжения могут зависеть от типа диода. Например:
 |
|
| Опыт в программе Qucs с другой моделью диода. |
Не исключено, что и диоды одной модели могут несколько различаться, но зависимость падения напряжения от температуры, как вы видите, линейная. Для подстройки схемы при разбросе параметров диодов схема имеет подстроечный резистор. Второй подстроечный резистор служит для выбора точки переключения.
Конечно, чувствительность 2 мВ/град – это не совсем то, что удобно для создания устройства. Поэтому в схеме используется масштабирующий усилитель. Операционный усилитель, имеющий два входа, удобно включить в диагональ мостовой схемы усилителя. Примерно так и сделано в данном случае.
 |
|
| Зависимость измеряемого напряжения от температуры. |
Немного о том, что я делал.
Во-первых, диоды для опытов можно найти в разделе «Инструменты-Библиотека компонентов-Диоды» программы Qucs:
 |
|
| Библиотека компонентов программы Qucs. |
Если открыть свойства диода, то можно легко найти температуру, для которой параметры диода заданы в его свойствах. Я изменил температуру, которая была изначально, параметром:
 |
|
| Изменение температуры в свойствах диода. |
Параметр мне нужен для получения вариации температуры. А для вариации температуры предназначен такой вид моделирования, как «Развертка параметра». В программе Qucs есть много разных видов моделирования. Поскольку я использую моделирование на постоянном токе, этот вид моделирования тоже следует добавить в рабочее поле схемы. А нужные мне параметры моделирования я задаю в свойствах «Развертки параметра».
 |
|
| Моделирование схемы в программе Qucs. |
Усиления раз в 100 должно хватить для устойчивой работы компаратора.
К сожалению, количество моделей операционных усилителей в программе Qucs невелико. И базовая модель не захотела работать с этой схемой.
Лучшие результаты дало обращение к программе TINA-TI.
 |
|
| Моделирование схемы в программе TINA-TI. |
В данном случае, как это видно на диаграмме, температура менялась от 20 до 40 градусов. Сузив диапазон температур, можно получить представление о пределах изменения напряжения на выходе усилителя.
 |
|
| Результат моделирования в более узком диапазоне температур. |
Для проведения этих виртуальных экспериментов после сборки схемы используется температурный анализ.
 |
|
| Температурный анализ в программе TINA-TI. |
В диалоговом окне температурного анализа можно указать все необходимые параметры:
 |
|
| Диалоговое окно температурного анализа. |
Проведя предварительную оценку интересующего нас температурного диапазона, можно дополнить схему компаратором и посмотреть, как работает схема в выбранном диапазоне температур.
 |
|
| Работа компаратора в интересующем нас диапазоне температур. |
Программа позволяет не только оценить влияние температуры на схему, но и проверить влияние настроек на работу схемы. Например, можно оценить влияние потенциометра Р1 при изменении положения ползунка в пределах 10-90 % и изменении температуры 20-40 градусов.
 |
|
| Проверка влияния подстроечного резистора. |
Чтобы выполнить эту проверку, можно воспользоваться методом «качания параметра». На инструментальной панели (есть это и в основном меню) есть иконка:
 |
|
| Иконка, позволяющая управлять значениями параметров. |
Щелкнув по этой иконке- иконка, позволяющая управлять значениями параметров- можно переместить курсор мышки к нужному элементу схемы (вид курсора меняется после щелчка по иконке) и выделить его щелчком левой клавиши мышки. Появляется диалоговое окно свойств элемента.
 |
|
| Диалоговое окно свойств потенциометра. |
Отмеченная в диалоговом окне кнопка позволяет вывести новое диалоговое окно:
 |
|
| Диалоговое окно «качания параметра». |
Задав интересующий нас диапазон изменения (в процентах) положения движка потенциометра, выбрав нужное количество точек на диаграмме, можно запустить температурный анализ и получить ряд кривых, соответствующих каждому из заданных положений регулятора. Это и отображено на рисунке выше.
Аналогично можно оценить и влияние второго подстроечного резистора, повторив описанную выше процедуру включения «качания параметра».
 |
|
| Добавление второго изменяемого резистора в температурный анализ. |
Конечно, разобраться в этом графике сложно, хотя для второго потенциометра я задавал отображение только 5 точек. Причина в том, что сейчас наблюдение ведется при изменениях двух подстроечных резисторов. Но можно первый резистор исключить из наблюдения. Щелкнем по иконке выбора объекта управления, подведем курсор и щелкнем левой клавишей мышки по перовому потенциометру, в диалоговом окне вновь выберем список параметров для управления, а в появившемся окне нажмем кнопку «Удаление».
 |
|
| Удаление первого потенциометра из объектов наблюдения. |
Теперь, повторив температурный анализ, мы получим более удобную диаграмму, отображающую результаты влияния на работу схемы только одного подстроечного резистора, Р2. Диапазон изменений был выбран от 5 до 50%, количество точек 5.
 |
|
| Диаграмма влияния второго подстроечного резистора. |
Иногда нам действительно интересно влияние двух или нескольких элементов схемы на результат выходного сигнала. И мы можем это сделать так, как описано выше. Иначе мы можем последовательно изменять один элемент схемы, удаляя наблюдение за другими, ранее нас интересовавшими объектами.
Есть еще один аспект, который может нас интересовать. Полное исследование этого, пожалуй, слишком сложно, но получить некоторое представление, думаю, можно.
Изменение напряжения на диоде под воздействием температуры связано с изменением сопротивление диода. Заменим диод сопротивлением подходящего номинала, разделив его на два резистора, основной и вспомогательный.
 |
|
| Новое моделирование схемы. |
Многим, полагаю, понятно, что я хотел отобразить в эксперименте, показанном на рисунке выше.
Нагрев до нужной температуры осуществляется нагревателем, а весь процесс имеет некоторую инерционность. После отключения нагревателя его температура может продолжать расти. А после включения нагревателя, он не сразу разогревается.
На схеме генератор импульсов совместно с реле имитируют изменение температуры датчика в точке переключения схемы. Конденсатор, отмеченный на рисунке, должен внести инерцию в процесс изменения состояния датчика. И на диаграмме видно, что переключение происходит с запаздыванием.
Если знать, как меняется температура реального устройства со временем, то можно более точно моделировать схему. Можно, наверное, ввести обратную связь, которая отображала бы реальные инерционные свойства устройства. И анализировать работу устройства с учетом реальной инерционности.
Как видите, программа моделирования может помочь разобраться в работе схемы, включая такие аспекты, как температура или инерционность, оценить влияние подстроечных элементов на конечный результат. В сложных схемах трудно разбираться во всем сразу. Но можно выделить отдельные функциональные узлы и проанализировать их работу. А возможности для анализа у программ моделирования довольно большие.
