Обычные термостаты состоят из отдельного датчика температуры и отдельного нагревательного устройства с обратной связью между ними. Но в некоторых недавних конструкторских идеях EDN мы видели конструкции термостатов, в которых функции датчика и нагревателя объединены в одном активном устройстве (обычно это полевой или биполярный транзистор). Эта уловка может лучше подойти для тех случаев, когда предполагаемая тепловая нагрузка физически мала или имеет другие геометрические особенности, которые делают неудобным применение классической схемы «раздельного датчика/нагревателя». Эта схема (см. Рисунок 1) следует объединенной концепции, но развивает ее в несколько ином направлении, используя медный провод тонкого сечения (например, 40 AWG с полиуретановой изоляцией) в качестве встроенного датчика температуры и нагревателя.
 |
|
| Рисунок 1. | Миниатюрный термостат, использующий температурный коэффициент и I2R нагрев медного провода диаметром 0.08 мм в качестве объединенного датчика/нагревателя. |
Вот как это работает.
Сопротивление и температурный коэффициент стандартного медного провода 40 AWG (диаметр 0.08 мм) при 25 °C обычно составляют 1.07 Ом/фут (3.51 Ом/м) и +0.393 %/°C, соответственно. Следовательно, можно ожидать, что L футов провода калибра 40 при заданной температуре T будут иметь сопротивление R, приблизительно равное:
 |
(1) |
 |
(2) |
 |
(3) |
 |
(4) |
Формула (4) хорошо работает в диапазоне от R/L = 0.965 Ом/фут при 0° до 1.6 Ом/фут при 155° (рекомендуемый верхний температурный предел для паяемой полиуретановой изоляции проводов).
Рассмотрим последствия использования тонкой медной проволоки в качестве комбинированного датчика температуры и нагревателя.
Если провод подходящей длины (от 5 до 15 футов – от 1.5 до 4.5 м) помещен в петлю обратной связи, пропускающую через него ток, который рассеивает достаточно тепла I2R для повышения и поддержания температуры, заданной сопротивлением провода, то температура этого провода и температура любой термически связанной с ним тепловой нагрузки также будут постоянными! Именно это и делает схема на рисунке.
Ток стока I транзистора Q1, подается в провод датчика/нагревателя, обеспечивает нагрев. (Пожалуйста, не обращайте пока внимания на незначительный вклад пускового резистора R2). Тогда напряжение между концами провода, падающее на его сопротивлении R, составит:
 |
(5) |
Это напряжение определяет ток IQ2 источника тока A1b, Q2:
 |
(6) |
Падение напряжение, создаваемое этим током на выводе 2 усилителя A1a, равно:
 |
(7) |
При этом ток истока транзистора Q1 (также равный I) создает на резисторе R1 падение напряжения:
 |
(8) |
Управляющий MOSFET усилитель A1a поддерживает напряжение на затворе и, следовательно, ток, идущий через R, таким, что:
 |
(9) |
 |
(10) |
 |
(11) |
Таким образом, ток нагревателя и, следовательно, сопротивление и температура провода приводятся к равновесным значениям, определяемым исключительно соотношениями сопротивлений, указанными в формуле (11), а результирующая постоянная температура определяется формулой (4).
О транзисторе Q3. Схема термостата должна быть максимально гибкой в отношении диаметра провода, его длины и соответствующего сопротивления датчика/нагревателя R. Чтобы иметь возможность использовать провод с сопротивлением R менее 10 Ом и при этом исключить возможность возникновения потенциально опасных пиковых токов, Q3 при необходимости уменьшает управляющее напряжение затвора Q1 и ограничивает ток безопасным значением порядка 1.4 А.
Настройка и калибровка. В целях обеспечения большей гибкости при выборе длины провода датчика/нагревателя и начального значения R предлагается использовать эту простую процедуру калибровки при каждой замене провода.
- Перед первым включением питания дайте температуре датчика/нагревателя полностью уравновеситься до комнатного значения.
- Полностью выверните R4 и R5 против часовой стрелки.
- Нажмите и удерживайте кнопку калибровки.
- Включите питание.
- Медленно вращайте R4 до первой вспышки светодиода.
- Отпустите кнопку калибровки.
Готово. Теперь R5 «достаточно хорошо» откалиброван для установки температуры в диапазоне от 0 до 130 °C выше комнатной.
Тепловая связь отрезка провода датчика/нагревателя выбранной длины с желаемой тепловой нагрузкой (например, термостатируемым компонентом схемы, пробиркой, чашкой Петри и т. д.) может быть выполнена путем наматывания провода вокруг нагрузки и закрепления его с помощью полиимидной ленты, клея-герметика или аналогичного термостойкого адгезива.
И о резисторе R2. Хотя для работы схемы в установившемся режиме это и не имеет существенного значения, без R2 термостат может не запуститься при первом включении и просто пребывать в задумчивости. Бесконечно. Не спрашивайте, откуда я это знаю…
Купить TSB712 на РадиоЛоцман.Цены
