Недавно я был удивлен, когда на мою (почти) двухдесятилетней давности идею контроля температуры с возвратом половины [1] поступил вопрос от читателя Джона Луиса Уогамана. Джон говорит, что ему нужен способ контроля температуры партий поднимающегося теста для выпечки хлеба. Я рад, что он рассматривает возможность применения моей схемы TBH для решения своей проблемы, но в данном контексте она на самом деле несколько избыточна. Поэтому я начал размышлять, сможет ли более простая топология решить проблему инкубации теста так же хорошо, как схема TBH, сэкономив при этом немного средств и усилий. Кроме того, есть предыстория.
Долгое время я увлекался особенно элегантным, точным и (очень!) недорогим методом ∆VBE) для измерения и контроля температуры с использованием обычных некалиброванных биполярных транзисторов. Впервые я увидел его объяснение в указаниях по применению [2] известного гуру аналоговой техники Джима Уильямса (теорию ∆VBE смотрите на стр. 7). (Подробное описание метода можно найти в [3] – ред.)
Я всегда ищу удобный случай использовать ∆VBE, и эта возможность обеспечить дешевый, точный и не требующий калибровки контроль температуры в кулинарном контексте была слишком хороша, чтобы упустить ее. На Рисунке 1 показана новая схема, которую я приготовил (в общих чертах) на основе рецепта Джима.
 |
|
| Рисунок 1. | Датчик ∆VBE на основе транзистора Q1 через резистор R1 программируется на требуемую температуру, которая в градусах Кельвина равна R1/100 = 312 K = 39 °C для R1 = 31.2 кОм. Резисторы, отмеченные звездочкой, должны быть точными (1% или лучше). |
Цепь R2, R3, D5, D6 управляет датчиком Q1 в магическом цикле измерения ∆VBE с соотношением токов 10:1, описанном Уильямсом. Обратите внимание, что абсолютные значения токов, подаваемых в транзистор Q1, не более точны, чем создающее их нестабилизированное сетевое напряжение 60 Гц, но на точность ∆VBE это не влияет. Важно лишь их соотношение 10:1, которое устанавливается независимо от колебаний сетевого напряжения исключительно за счет точности равенства (R2/R3 + 1) = 10.
В результате Q1 создает сигнал переменного тока, пропорциональный абсолютной температуре (proportional to absolute temperature, PTAT), с пиковым значением, равным K/5050, который соответствует логарифму абсолютной величины 120-герцовой синусоиды, показанной на Рисунке 2.
 |
|
| Рисунок 2. | Форма сигнала PTAT с пиковым значением, равным K/5050, который соответствует логарифму абсолютной величины синусоиды. (Ось Y – вольты, ось X – радианы, красная линия – среднее значение напряжения переменного тока). |
Сигнал PTAT усиливается усилителем A1 с коэффициентом усиления, равным –2,742,160/R1, а затем с помощью A2 сравнивается с прецизионным напряжением (2.0 В ±0.4%) его внутреннего шунтового опорного источника (еще раз спасибо Константину Киму, нашедшему универсальную микросхему AP4310A).
Пока температура датчика Q1 и сигнал PTAT находятся ниже заданного значения, уровень напряжения на выходе усилителя A2 остается нулевым, удерживая транзистор Q2 в закрытом состоянии. Это позволяет 120-герцовым импульсам через конденсатор C3 достигать управляющего электрода симистора Q3, включать его и подавать питание на нагреватель. Когда нагреватель нагревает датчик Q1 (и, предположительно, тесто) до запрограммированной температуры, уровень сигнала PTAT поднимается выше опорного напряжения A2. В результате усилитель A2 начинает включать транзистор Q2, который перенаправляет импульсы управляющего электрода симистора в землю. Это выключает симистор и нагреватель, позволяя Q1 остыть, и т. д. и т. п. Получившийся цикл замыкает контур обратной связи термостата, заставляя тесто подходить.
Пара слов о Q3. Несмотря на то, что драйвер нагревателя однополярный, для Q3 я выбрал симистор вместо тиристора. Это было сделано не для того, чтобы обеспечить возможность работы в двуполярном режиме, а скорее потому, что симистор имеет более высокий максимальный ток управляющего электрода. Это позволяет Q3 выдерживать броски тока в 2 А, возможные при включении питания, которые способны испарить управляющий электрод тиристора.
Диод D7 обеспечивает путь возврата тока конденсатора C3 к земле, предотвращая ложные срабатывания симистора Q3.
В качестве нагревателя Джон предложил использовать лампу накаливания. Я согласен, что лучистый обогрев должен работать хорошо. Поскольку максимальный коэффициент заполнения импульсов симистора Q3 составляет 50%, 100-ваттная лампа накаливания идеально подойдет для максимальной мощности нагрева порядка 60 Вт. Кроме того, дополнительным бонусом к снижению напряжения будет более низкая температура нити накала. Это позволит обычной лампочке с вольфрамовой нитью прослужить много тысяч часов.
Возможно, это как раз то, что замешивает Джон.
Ссылки
- Stephen Woodward. Реализация алгоритма сходимости «Убрать половину» в регуляторе температуры
- Jim Williams. Measurement and Control Circuit Collection. Application Note 45.
- Stephen Woodward. Термостат на основе транзистора с самоподогревом не нуждается в калибровке
