Датчик управления температурой

Дифференциальный датчик температуры для управления вентилятором PC

В качестве датчиков температуры используются множество устройств. Это термопары, терморезисторы, полупроводниковые терморезисторы, диоды в прямом и обратном включении. Для измерения перепадов температур применяются дифференциальные схемы. Они, при контроле малых (1-10 град.С) перепадов температур, часто получаются достаточно сложными. В статье описана такая схема, простая и имеющая хорошо повторяемые характеристики и высокую стабильность.

Область применения данной схемы - управление устройствами регулирования температуры высокой чувствительности.

Ранее была описана схема управления вентилятором "Регулирование скорости вращения корпусного вентилятора для системного блока персонального компьютера." Где в качестве датчика температуры использовался диод смещенный в обратном направлении. Такое включение диода имеет удвоение обратного тока при изменении температуры на 10 град.С для кремниевых диодов и 14 град.С для германиевых. Это позволяет использовать обратное смещенные кремниевые диоды как датчики для создания на их основе простых схем управления температурой, где ее изменение превышает 10-20 град.С. Но практика показала, они требуют индивидуальной настройки и их стабильность невелика. Это не позволяет применять их в качестве датчиков при малых перепадах температуры.

Работа кремниевого диода в прямом включении имеет температурную зависимость падения напряжения на переходе от 1,2 мВ/град.С при больших токах и 2 мВ/град.С при малых прямых токах. У германиевых диодов температурная чувствительность при малых токах 3 мВ/град.С, а при больших равна аналогичному значению для кремниевых. Типичным значением для обоих типов диодов можно считать значение температурной чувствительности порядка 1,6 мВ/град.С. И их повторяемость высока даже для разных типов диодов.

Применение кремниевых диодов в качестве датчиков температуры оправдано их характеристиками и доступностью. При этом малогабаритные диоды имеют постоянную времени меньше чем терморезисторы.

Технические характеристики устройства управления с применением описанного датчика.

1. Диапазон рабочих перепадов температур (на индикаторе) - 15 град.С,
2. Выход корпусного вентилятора на полную производительность при температуре вых. воздуха 6 град.С,
3. Срабатывание сигнала запыленности фильтра - 10 град.С,
4. Длина подключения датчиков температуры до 1 м,
5. Наличие ручного управления вентилятором,
6. Ток нагрузки (вентилятора) до 1А (при напряжении питания 12В),
7. Падение напряжения на схеме управления менее 0,25 В,
8. Напряжение питания 12В,
9. Собственное потребление (при полных оборотах вентилятора вместе с узлом управления) менее 0,2 Вт,
10. Постоянная времени устройства (датчик, ДУ, устройство управления.) > 5 сек,
11. Размер платы 40х122 мм.

Учитывая все это была разработан и изготовлен датчик температуры, схема которого показана на рис.1.

Показанная схема содержит:

1. Мостовой датчик температуры, где в качестве датчиков температуры используются кремниевые диоды VD1, VD2.
2. Дифференциальный усилитель на счетверенном ОУ LM324N, где для усиления используются 3 из 4 ОУ.
3. Узел контроля перепада температур на одном ОУ, который используется для контроля запыленности фильтрующего элемента.
4. Узел контроля и управления, который служит для контроля перепада температур входного и выходного воздуха в системе вентиляции компьютера.

Мостовой датчик температуры питается от стабилизированного источника на стабилитроне VD3 с напряжением стабилизации 7,2 В. Это позволяет датчику температур работать при падении напряжения в цепи питания до 7,5 - 8 В и обеспечивает дополнительную защиту от помех поступающих по цепям питания. Дополнительные защитные конденсаторы C1, С2 позволяют использовать датчики температуры на линиях подключения длинной до 60 см (испытано), в условиях сильных помех. Реально возможно использование датчиков на расстоянии несколько метров.

Дифференциальный усилитель (ДУ) обеспечивает усиление разностного сигнала с датчиков температуры, и формирование сигнала управления для узла управления. Регулировку его коэффициента усиления можно выполнить изменяя один резистор R9.

Узел контроля перепада температуры, использует выходной сигнал дифференциального усилителя для контроля превышения заданного порога его выходного сигнала и сигнализации о превышении красным светодиодом HL1. Поскольку в данном случае повышение выходного напряжения ДУ говорит о повышении температуры воздуха на выходе корпуса ПК, конструкция системы охлаждения которого обеспечивает отвод более 500 Вт тепла при температуре выходного воздуха на 1-2 град.С превышающего входной, данному повышению ассоциирована запыленность входного воздушного фильтра.

Что и происходит.

Потенциометром R14 настраивается порог срабатывание сигнализации при температуре 10 град.С. При необходимости этот порог можно понизить до 2-3 град.С.

В этом узле имеется и измерительный прибор для визуального контроля температуры, имеющий шкалу в 15 град.С.

Подстроечный резистор R20 позволяет регулировать порог срабатывания устройства управления.

Переменный резистор R26, выведен на переднюю панель устройства управления и служит для ручного управления вентилятором системы охлаждения. Он позволяет задать более высокую производительность корпусного вентилятора, если Вам потребовалось увеличить выше чем в данный момент определено системой автоматического управления.

На рис. 2 показан внешний вид платы датчика, которая использовалась для его испытаний.

SensiRoom 2х-t

SensiRoom 2х-t – блок управления с датчиком температуры, используемый для автоматического контроля вентиляции и обогревателей в гроубоксе или оранжерее.

Сенсирум поможем вам подобрать микроклимат, необходимый именно вашим растениям. Будь то прихотливая орхидея, шафран, салаты, или просто наши любимые растения. Первый выход управляет вентилятором или обогревателем, а второй выход управляет светом для растений, или другим оборудованием в оранжерее. Максимальная мощность 2 КВт. Оба выхода настраиваются на датчик температуры, а при необходимости "на таймер".

а) Для обогрева в зимнее время: установите температуру включения 24°C, а температуру выключения настройте на 28°C; обогреватель подключенный к сенсируму, зафиксирует в оранжерее заданную температуру.

б) Для охлаждения в летнее время: Настройте температуру включения на 28°C, а температуры выключения на 26°C. Канальник будет отводить жар до тех пор, пока температура в оранжерее не упадет до 26°C.

При отключении электричества, сенсирум запишет настройки в энергонезависимую флэш-память. Доставка за наш счет!

Комплектация:

• Контроллер температуры SensiRooM 2x-t 1 шт
• Датчик температуры 1 шт
• Подвесной крепеж — 2 шт
• Инструкция — 1 шт; Скачать → Инструкция SensiRoom-2x-t

Блок управления автоматического регулятора температуры

Ахмедов Михаил Омарович

Смолянский Владимир Авраамович

Супрун Виталий Григорьевич

Блок управления автоматического регулятора температуры содержит источник пульсирующего напряжения, каскады на динисторе с термозависимым напряжением переключения и динисторе с термонезависимым напряжением переключения. Между источником пульсирующего напряжения и первым каскадом на динисторе с термозависимым напряжением переключения, а также вторым каскадом на динисторе с термонезависимым напряжением переключения введен делитель напряжением, имеющий не менее двух средних точек, к одной из средних точек делителя напряжения подключен каскад на динисторе с термозависимым напряжением переключения, к другой средней точке делителя напряжения подключен каскад на динисторе с термонезависимым напряжением переключения. Предлагаемая схема блока управления автоматического регулятора позволяет эффективно и с высокой точностью регулировать температуру электротехнических объектов или среды в диапазоне -60 +150 o C и может быть одновременно использована также в качестве теплового предохранителя. 2 з.п. ф-лы, 4ил.

Изобретение относится к конструкциям автоматических регуляторов температуры с применением динисторов с напряжением переключения, зависящим от температуры, и динисторов с напряжением включения, практически не зависящим от температуры, и используемых в качестве активных опорных элементов. Такие регуляторы, снабженные тиристорным силовым каскадом, обеспечивают двухпозиционное регулирование и предназначаются для управления нагревом или охлаждением в различных нагревательных или охладительных приборах.

Известны автоматические регуляторы температуры с применением динисторных датчиков температуры [1] и выходными каскадами с применением тиристоров или триаков [2], [3].

В известном устройстве [1] в качестве датчика температуры применен пороговый ключ на основе p-n-p-n структуры динистора, управляемой последовательной цепью кремниевых диодов с p-n переходами. Такой пороговый ключ (термодатчик) имеет падающую от температуры зависимость напряжения переключения, которая может быть выражена формулой: U_вкл = U₀ - U_t (T - T₀ ), где U₀ - напряжение переключения датчика при номинальной температуре +20 o C (В). (Величина U₀ определяется числом использованных в датчике p-n переходов. Для имеющихся в наличии опытных образцов с 35 p-n переходами значение U₀ - 21В).

U_t - термочувствительность в градусах Цельсия, (В/ o C). (Ориентировочное значение U_t - 0,4 - 0,5% U₀ ).

T - температура среды, в которую помещен датчик, ( o C) T₀ - начальная температура 20 o C.

В качестве опорного элемента в известном устройстве [1] применен термонезависимый пороговый ключ (динистор), напряжение переключения которого определяется встроенными в него диодами Зенера и мало зависит от температуры. Значения напряжений переключения таких приборов (КУ120А-В) 7, 14, 21 В.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и достигаемому результату является схема управления автоматического регулятора температуры, содержащая источник пульсирующего напряжения, первый каскад на динисторе с термозависимым напряжением переключения, второй каскад на динисторе с термонезависимым напряжением переключения, причем первый и второй каскады подключены к источнику пульсирующего напряжения [1].

В известном устройстве для установления заданного порога регулирования необходима подача нормированного стабилизированного напряжения на входы управления, что требует также введения в устройство дополнительного источника постоянного напряжения и усложняет схему устройства.

Предлагаемое изобретение направлено на конструирование простой схемы управления температурой срабатывания автоматического регулятора и ему не свойствены недостатки, имеющиеся в известном устройстве.

Это достигается благодаря тому, что в предлагаемом устройстве между источником пульсирующего напряжения и первым каскадом на динисторе с термозависимым напряжением переключения, а также вторым каскадом на динисторе с термонезависмым напряжением переключения применен дополнительный делитель напряжения, имеющий не менее двух средних точек, к одной из средних точек дополнительного делителя напряжения подключен каскад на динисторе с термозависимым напряжением переключения, к другой средней точке дополнительного делителя напряжения подключен каскад на динисторе с термонезависимым напряжением переключения.

Такое включение позволяет, изменяя соотношение плеч делителя, в широких пределах регулировать температурный порог срабатывания схемы управления автоматического регулятора температуры.

При этом возможны два основных варианта построения схемы управления автоматического регулятора: первый, отличающийся тем, что напряжение переключения динистора с термозависимым напряжением переключения при максимальном значении температуры, в выбранном для автоматического регулятора диапазоне температур регулирования, более напряжения переключения динистора с термонезависимым напряжением переключения, каскад на динисторе с термозависимым напряжением переключения подключен к средней точке дополнительного делителя напряжения с более высоким потенциалом, чем каскад на динисторе с термонезависимым напряжением переключения; второй, отличающийся тем, что напряжение переключения динистора с термозависимым напряжением переключения при минимальном значении температуры, в выбранном для автоматического регулятора диапазоне температур регулирования, менее напряжения переключения динистора с термонезависимым напряжением переключения, каскад на динисторе с термонезависимым напряжением переключения подключен к средней точке дополнительного делителя напряжения с менее высоким потенциалом, чем каскад на динисторе с термонезависимым напряжением переключения.

В первом варианте динистор с термозависимым напряжением переключения, включаясь при повышении температуры, отключает динистор с термонезависимым напряжением включения. Такой вариант предпочтительнее для автоматических регуляторов с нагревательными типами нагрузки.

Во втором варианте динистор с термозависимым напряжением переключения, повышая свое напряжение переключения при охлаждении, вызывает включение динистора с термонезависимым напряжением переключения. Такой вариант предпочтительнее для устройств типа холодильник.

При выполнении дополнительного делителя напряжения более чем с двумя средними точками к ним могут быть подключены дополнительные каскады с динисторами с термозависимым напряжением переключения, которые могут быть использованы для расширения функций схемы управления (защита от перегрева или переохлаждения частей объекта регулирования, выдача сигналов о нарушении заданной разности температур в различных точках регулируемого объекта и т.п.).

На фиг. 1 приведена принципиальная схема управления автоматического регулятора температуры, по преимуществу предназначенного для нагревательных устройств.

На фиг. 2 приведена принципиальная схема управления автоматического регулятора температуры, по преимуществу предназначенного для холодильников.

На фиг. 3 показано включение дополнительного динистора с термозависимым напряжением переключения для защиты объекта регулирования от перегрева, например защиты компрессора в холодильнике.

На фиг. 4 приведен вариант схемы автоматического регулятора температуры с выходным силовым каскадом и нагрузкой, иллюстрирующий работу устройства в целом. Показанные на фиг. 4 дополнительные части устройства: электронное реле и элементы его питания - могут быть выполнены и по другим схемам [3].

Приняты следующие условные обозначения: 1 - динистор с термонезависимым напряжением переключения (или кремниевый однонаправленный ключ - КОК) - U_вкл 1, 2 - динистор с термозависимым напряжением переключения - U_вкл 2 (Т С), 3, 4 - низкоомные выходные резисторы (1-2 кОм),

5 - подстроечный резистор (R5 = 10 - 200 кОм) в зависимости от выбранного входного напряжения,

6 - переменный регулирующий резистор (R6, единицы - десятки кОм в зависимости от необходимого диапазона регулирования температуры), предназначенный для регулирования температуры в установленных пределах,

7 - подстроечный резистор (R7-5-10 кОм), используемый для установки предела регулирования,

8 - резистор (R8 - 5-15 кОм),

9, 10 - клеммы источника пульсирующего напряжения - U_вх (предполагается, что U_вх >> U_вкл 1),

11, 12 - выходы схемы управления автоматического регулятора температуры,

13 - второй динистор с термозависимым напряжением переключения, используемый в качестве датчика перегрева для аварийного выключения,

14 - симметричный тиристор,

15 - диодный мост,

16 - нагрузка,

17, 18 - диоды,

19 - однонаправленный маломощный тиристор,

20 - N-P-N - транзистор,

21 - конденсатор,

22 - 27 - резисторы.

Схема управления автоматического регулятора температуры (фиг. 1), в которой напряжения переключения динисторов 1 и 2 связаны условием: U_вкл 1 < U_вкл 2 (при максимальном значении температуры в выбранном диапазоне), работает следующим образом.

При подаче на клеммы 9, 10 пульсирующего напряжения с амплитудой U_вх оно делится между резисторами 5 - 8.

Возможны следующие случаи:

первым включается динистор 2 (температура выше заданной); при этом ввиду малого значения сопротивления резистора 4 напряжение на аноде динистора 1 снижается и он не включается; сигнал с клеммы 12 поступает на вход выключения силового ключа, выключающего нагрузку; начинается охлаждение регулируемого объекта;

первым включается динистор 1 (температура ниже заданной); сигнал с клеммы 11 поступает на вход включения силового ключа, включающего нагрузку; при этом вследствие снижения напряжения на резисторе 8 снижается и напряжение на движке резистора 6. При определенных соотношениях между значениями резисторов 5, 6, 7 и амплитуды входного напряжения (U_вх ) это приводит к невозможности последующего включения динистора 2. Считая для простоты, что напряжение на аноде динистора 1 не более 1,5 В, отношение между напряжениями U_вх. U_вкл 2, при котором после включения динистора 1 динистор 2 не включится, связано условием:

U_вх < U_вкл 2 [1 + R5. (R6 + R7)] - 1,5,

которое можно выполнить, изменяя сопротивление резистора 5.

Схема управления автоматического регулятора температуры (фиг. 2), в которой напряжения переключения динисторов 1 и 2 связаны условием: U_вкл 1 > U_вкл 2 (при минимальном значении температуры в выбранном диапазоне), работает аналогичным образом. При перегреве динистора 2 он включается и препятствует включению динистора 1; сигнал с клеммы 11 включает силовой ключ, который подключает нагрузку (холодильник); при охлаждении напряжение переключения динистора 2 возрастает, что приводит к включению динистора 1, включение последнего блокирует возможность включения динистора 2; сигнал с клеммы 12 выключает силовой ключ и нагрузку и т.д.

В схеме, показанной на фиг. 3 (аналогичной схеме фиг. 1), при перегреве динистора 13 на клемме 12 появляется сигнал, выключающий силовой ключ и нагрузку. При этом может решаться задача защиты от перегрева в регулируемом объекте, например перегрев зоны нагревателя, если динистор 13 будет помещен в соответствующую опасную точку регулируемого объекта.

Установка температуры защиты может производиться соответствующим выбором отношения плеч делителя напряжения 5 - 8, изменяющем потенциал анода динистора 13.

В автоматическом регуляторе температуры (фиг. 4) со схемой управления, показанной на фиг. 1, импульсы с выходов 11 и 12 управляют электронным реле на тиристоре 14. Импульс с выхода 11 запускает вспомогательный тиристор 19, который удерживается во включенном состоянии разрядом конденсатора 21 через резистор 22. Включение тиристора 19 приводит к включению тиристора 14 и подключению нагрузки 16 в цепь сети переменного напряжения. При включении динистора 2 включается транзистор 20, который выключает тиристор 19 (т.к. большую часть полупериода тиристор 19 питается малым током от конденсатора 21). После выключения тиристора 19 выключается и тиристор 14 и размыкается цепь питания нагрузки 16. При перегреве динистора 13 блокируется питание динистора 1 и ток через динистор 13 поступает на базу транзистора 20, вызывая выключение тиристоров 19 и 14.

Предлагаемая схема управления автоматического регулятора позволяет эффективно и с высокой точностью регулировать температуру электротехнических объектов или среды в диапазоне -60 +150 o C и может быть использован также в качестве теплового предохранителя. При этом упрощается схема автоматического регулятора, отсутствует необходимость в источнике постоянного напряжения, а также в усилителях постоянного тока. В устройстве может использоваться параллельное включение группы термодатчиков для защиты различных узлов объекта от нарушения температурного режима.

Формула изобретения

1. Блок управления автоматического регулятора температуры, содержащий источник пульсирующего напряжения, первый каскад на динисторе с термозависимым напряжением переключения, второй каскад на динисторе с термонезависимым напряжением переключения, отличающийся тем, что между источником пульсирующего напряжения и первым каскадом на динисторе с термозависимым напряжением переключения, а также вторым каскадом на динисторе с термонезависимым напряжением переключения введен делитель напряжения, имеющий не менее двух средних точек, к одной из средних точек делителя напряжения подключен каскад на динисторе с термозависимым напряжением переключения, к другой средней точке делителя напряжения подключен каскад на динисторе с термонезависимым напряжением переключения.

2. Блок по п.1, отличающийся тем, что напряжение переключения динистора с термозависимым напряжением переключения при максимальном значении температуры более напряжения переключения динистора с термонезависимым напряжением переключения, а первый каскад на динисторе с термозависимым напряжением переключения подключен к средней точке делителя напряжения с более высоким потенциалом, чем второй каскад на динисторе с термонезависимым напряжением переключения.

3. Блок по п.1, отличающийся тем, что напряжение переключения при минимальном значении температуры менее напряжения переключения динистора с термонезависимым напряжением переключения, а первый каскад на динисторе с термозависимым напряжением переключения подключен к средней точке дополнительного делителя напряжения с менее высоким потенциалом, чем второй каскад на динисторе с термонезависимым напряжением переключения.