Схема регулятора температуры. Регулятор температуры: принципы работы, виды и применение

Рис. 1. Контроллер температуры, обведенный пунктирными линиями

Источник тока регулятора температуры: Одной из ключевых частей регулятора температуры является регулируемый двунаправленный источник тока. Его также можно назвать выходным каскадом. Эта секция реагирует на секцию системы управления подачей тока на температурный привод (термоэлектрический или резистивный нагреватель). Направление тока имеет решающее значение для термоэлектриков. На блок-схеме термоэлектрический элемент подключен между двумя контактами на контроллере. Для резистивного нагревателя может потребоваться специальная проводка, чтобы ограничить протекание тока через резистивный нагреватель только в одном направлении.

Система управления : Ввод данных пользователем включает предельное заданное значение (с точки зрения максимального тока, допустимого для термоэлектрического или резистивного нагревателя) и рабочее заданное значение. Кроме того, если требуется удаленная уставка, обычно доступен вход удаленной уставки.

• Уставка : Это аналоговое напряжение в системе. Его можно создать с помощью комбинации встроенной подстроечной потенциометра и ввода удаленной уставки. В некоторых случаях эти входы суммируются. Некоторые действуют независимо.
• Источник тока смещения прецизионного датчика: Этот источник тока управляет датчиком температуры на известном уровне, что делает фактическое напряжение датчика стабильным и точным. Напряжение на датчике определяется законом Ома: V = I * R, где V — напряжение, I — ток, а R — сопротивление датчика. Напряжение ограничено максимумом и минимумом (указано в паспорте терморегулятора). Следует использовать минимально возможный ток, чтобы свести к минимуму эффекты самонагрева. Термистор нагревается при более высоких уровнях тока и ложно сообщает о более высокой температуре.
• Генерация ошибки : Чтобы узнать, как работает система, фактическая температура сравнивается с заданной температурой. Эти два напряжения вычитаются, и результат называется «Ошибка». Выход регулируемого источника тока будет меняться, чтобы поддерживать сигнал обратной связи по температуре одинаковым.
• Система ПИД-регулирования : Преобразует сигнал ошибки в управляющий сигнал для регулируемого источника тока. Более подробное обсуждение ПИД-регулирования можно найти в Техническом примечании TN-TC01 9.0024
• Цепь ограничения: Один из способов повредить термоэлектрический элемент — пропустить через него слишком большой ток. В каждом техническом паспорте привода указывается максимальный рабочий ток. Превышение этого тока приведет к повреждению устройства. Чтобы избежать этого, в регулятор температуры включена ограничительная цепь. Пользователь определяет максимальное значение, и выходной ток не превышает этот уровень. Большинство схем ограничения ограничивают ток на максимальном уровне и продолжают работать.
• Средства безопасности : Термоэлектрические и резистивные нагреватели чувствительны к превышению мощности, но они устойчивы к быстрым изменениям тока или напряжения. Функции безопасности могут включать индикатор состояния «теплового разгона». Пределы температуры — как высокие, так и низкие — также могут быть доступны для срабатывания индикаторов или отключения выходного тока.

Питание : Питание должно подаваться на управляющую электронику и источник тока. Это может быть источник питания постоянного тока (некоторые драйверы используют входы с одним источником питания, другие используют два источника питания) или входной разъем переменного тока и кабель. В некоторых случаях, когда для термоэлектрического или резистивного нагревателя требуется более высокое напряжение, могут быть доступны отдельные входы питания постоянного тока для питания управляющей электроники от источника с низким напряжением +5 В, а термоэлектрического элемента от источника с более высоким напряжением.

В чем разница между прибором, модулем и компонентом?

Обычно цена, набор функций и размер. Прибор обычно имеет переднюю панель с ручками и кнопками регулировки и некоторой формой дисплея для отслеживания датчика. Все это можно автоматизировать с помощью компьютерного управления через USB, RS-232, RS-485 или GPIB. Инструмент обычно питается от источника переменного, а не постоянного тока. По нашему определению, модуль не включает в себя дисплей или блок питания и имеет минимально необходимые настройки. Для контроля состояния вольтметр измеряет напряжение, а в техническом описании модуля предусмотрена передаточная функция для преобразования напряжения в фактическое сопротивление датчика. В паспорте датчика сопротивление датчика преобразуется в температуру. Некоторые устройства выделяют память для калибровки отклика сенсора. Компонент дополнительно разбирается без движущихся частей. Внешние резисторы или конденсаторы задают рабочие параметры. Функции безопасности являются общими для всех трех форм. Обычно модули могут располагаться на столе или интегрироваться в систему с помощью кабелей. Компоненты монтируются непосредственно на печатную плату (PCB) с помощью контактов для сквозного или поверхностного монтажа (SMT). Два ряда контактов называются корпусом DIP (двойной ряд), а один ряд контактов называется корпусом SIP (один ряд).

Различные готовые контроллеры доступны как в приборных, так и в комплектациях OEM. Некоторые производители стирают границы, например, предлагая USB-управление компонентами в виде мини-приборов.

Упаковка компонентов и модулей включает в себя надлежащий теплоотвод элементов схемы (или руководство по теплоотводу устройства) и обычно включает в себя соответствующие кабели для термоэлектрического элемента, датчика и источника питания. Инструменты снабжены шнуром питания, и доступ пользователя внутрь корпуса не требуется.

Типичная терминология:

Термоэлектрический: Это устройство, характеризующееся двумя керамическими пластинами, соединяющими металлические соединения из двух разнородных металлов. Если ток протекает через соединение разнородных металлов, тепло выделяется на одной стороне и поглощается на другой стороне. При пропускании тока через термоэлектрический элемент тепло передается от одной керамической пластины к другой. Направление тока определяет, какая пластина становится «горячей», а какая «холодной» по отношению друг к другу. Реверсирование тока немедленно меняет эффект. Контроллер температуры работает, оптимально контролируя величину и направление тока через соединение, чтобы поддерживать фиксированную температуру устройства, подключенного к «холодной» стороне. Термоэлектрики можно накладывать друг на друга для создания более широких перепадов температур. Они называются многокаскадными или каскадными термоэлектриками. Термоэлектрик также может преобразовывать разницу температур в электричество. Это называется эффектом Зеебека. Термоэлектрический также известен как термоэлектрический охладитель, устройство Пельтье или твердотельный тепловой насос.

Q MAX: Спецификация термоэлектрического. Это максимальная мощность, которую он может поглотить в холодную пластину.

Delta T MAX: Спецификация термоэлектрического. Это максимальный перепад температур, который может создать термоэлектрик между своими пластинами. Указывается при IMAX и VMAX и для конкретной температуры «горячей» пластины.

I MAX и V MAX: Максимальные характеристики тока и напряжения термоэлектрического элемента соответственно. Не превышайте эти рабочие условия.

Резистивный нагреватель:  Обычно эти нагреватели представляют собой гибкие элементы с резистивным элементом, зажатым между двумя изоляторами. Материалы резистивного элемента и изоляторов сильно различаются в зависимости от применения. Некоторым требуется питание переменного тока, а не постоянного тока, который вырабатывает типичный контроллер температуры. В резистивном нагревателе ток, протекающий в любом направлении, генерирует тепло; следовательно, нет активной функции охлаждения. Охлаждение достигается за счет снижения тока до нуля и рассеивания тепла в окружающую среду. Стабильность обычно не так хороша, как у термоэлектрических, если только рабочая температура не значительно выше температуры окружающей среды.

Температура окружающей среды:  Обычно это температура воздуха/окружающих условий вокруг нагрузки.

Отключить:  Когда выходной ток отключен, все механизмы безопасности обычно устанавливаются в исходное состояние при включении питания, и на термоэлектрический элемент подается только остаточный ток утечки.

DVM: Цифровой вольтметр, измеритель напряжения.

Амперметр:  Измеритель тока.

ESD:  Электростатический разряд. Наиболее распространенным примером электростатического разряда является «удар», который ощущается при переходе по ковру и прикосновении к металлической дверной ручке. Лазерные диоды чувствительны к электростатическому разряду. Незаметного для человека «удара» по-прежнему достаточно, чтобы повредить лазерный диод. При работе с лазерным диодом или другим электронным оборудованием, чувствительным к электростатическому разряду, следует соблюдать соответствующие меры предосторожности в отношении электростатического разряда.

Внутреннее рассеивание мощности:  При линейном источнике тока часть мощности, подаваемой источником питания, идет на термоэлектрический или резистивный нагреватель, а часть используется в контроллере температуры. Максимальное внутреннее рассеивание мощности контроллера — это предел, выше которого возможно тепловое повреждение внутренних электронных компонентов. Проектирование системы контроля температуры включает в себя выбор напряжения питания. Если для питания термоэлектрического элемента с напряжением 6 В выбран источник питания 28 В, то 22 В будут падать на выходной каскад регулятора температуры (или источник тока). Если драйвер работает на 1 А, внутренняя рассеиваемая мощность будет V * I или 22 * ​​1 = 22 Вт. Если внутренняя спецификация рассеиваемой мощности равна 9Вт, компоненты источника тока перегреются и получат необратимое повреждение. Wavelength предоставляет онлайн-калькуляторы безопасной рабочей зоны для всех компонентов и модулей, чтобы упростить выбор конструкции.

Соответствие напряжения: Источник тока имеет соответствующее падение напряжения на нем. Напряжение соответствия — это напряжение источника питания за вычетом этого внутреннего падения напряжения. Это максимальное напряжение, которое может быть подано на термоэлектрический или резистивный нагреватель. Обычно указывается при полном токе.

Ограничение по току:  В техническом описании термоэлектрического или резистивного нагревателя максимальный ток будет указан при температуре окружающей среды. При превышении этого тока устройство может быть повреждено. При более высоких температурах это максимальное значение будет уменьшаться. Ограничение по току — это максимальный ток, который может обеспечить источник тока. Ограничение по току может быть установлено ниже максимального термоэлектрического тока и использоваться как инструмент для минимизации внутреннего рассеивания мощности контроллера температуры. При более высоком пределе тока термоэлектрический элемент будет передавать больше тепла быстрее, поэтому время достижения температуры может быть уменьшено (если система управления оптимизирована во избежание перерегулирования и звона).

Нагрузка:  Для контроллера температуры нагрузка состоит из исполнительного механизма температуры (термоэлектрического или резистивного нагревателя) и датчика температуры.

АКТУАЛЬНАЯ ТЕМП МЕС:  Это аналоговое напряжение, пропорциональное сопротивлению датчика температуры. Передаточные функции сопротивления приведены в технических описаниях отдельных контроллеров. Преобразование сопротивления в температуру использует передаточные функции из спецификации датчика. Его также можно назвать монитором ACT T или температурным монитором.

VSET:  Это общий термин, используемый для обозначения входного сигнала дистанционной уставки. V указывает на сигнал напряжения, а SET указывает на его назначение: уставка системы управления. Его также можно назвать MOD, MOD IN или ANALOG IN.

В настоящее время каждый производитель проводит собственное тестирование, стандарт для измерения отсутствует. Как только вы определили решение для своего приложения, очень важно протестировать продукт в вашем приложении, чтобы проверить его работу. Вот некоторые из определений, которые использует длина волны, и как интерпретировать спецификации в вашем проекте.

Входное сопротивление:  Указано для аналоговых входов напряжения, таких как VSET или MOD IN. Он используется для расчета тока, который должен подавать внешний генератор сигналов. Например, если VSET управляется цифро-аналоговым преобразователем с максимальным напряжением 5 В и входным сопротивлением 20 кОм, цифро-аналоговый преобразователь должен обеспечивать не менее 5 В/20000 Ом или 0,25 мА.

Стабильность:  Для контроллера температуры критической характеристикой обычно является стабильность системы. Испытания длины волны с использованием термисторов, поскольку они обеспечивают самое высокое изменение сопротивления на градус Цельсия. Испытательная нагрузка также хорошо спроектирована: датчик расположен близко к контролируемому устройству, термоэлектрический элемент, радиатор надлежащего размера и компоненты, соединенные с высококачественной термопастой для свести к минимуму тепловое сопротивление между ними. Стабильность дается в Кельвинах или Цельсиях. Типичная стабильность может составлять всего 0,001°C. Более подробное техническое примечание TN-TC02 с описанием тестирования доступно в Интернете.

Диапазон рабочих температур:  Электроника предназначена для правильной работы в указанном диапазоне температур. За пределами минимальной и максимальной температуры может произойти повреждение или измениться поведение. Рабочий диапазон, указанный для длины волны, связан со спецификацией максимального внутреннего рассеивания мощности. При температуре окружающей среды выше определенной (обычно 35°C или 50°C) максимальное внутреннее рассеивание мощности снижается до нуля при максимальной рабочей температуре.

Диапазон рабочего напряжения:  В некоторых регуляторах температуры могут использоваться два напряжения питания: одно для питания управляющей электроники (VDD), а другое для обеспечения более высокого напряжения согласования с термоэлектрическим или резистивным нагревателем (VS). Обычно управляющая электроника работает при более низких напряжениях: от 3,3 до 5,5 В. Превышение этого напряжения может привести к повреждению элементов в секциях управления или питания. Источник тока (или выходной каскад) рассчитан на более высокие напряжения (например, 30 В для семейства терморегуляторов PTC). Эту спецификацию необходимо рассматривать в сочетании с током привода и мощностью, подаваемой на нагрузку, чтобы убедиться, что конструкция не превышает спецификацию максимального внутреннего рассеивания мощности. Например, PTC5K-CH рассчитан на работу с током до 5 А и может принимать входное напряжение 30 В. Его максимальная внутренняя рассеиваемая мощность составляет 60 Вт. Если 28 В используется для питания термоэлектрического элемента, на котором падает 4 В, на PTC5K-CH будет падать 24 В. При напряжении 24 В максимальный ток в пределах безопасного рабочего диапазона составляет менее 60/24 или 2,5 Ампер. Подача большего тока приведет к перегреву компонентов выходного каскада и необратимому повреждению контроллера. Характеристики максимального тока и напряжения связаны и не могут быть достигнуты независимо друг от друга.

Контрольная и фактическая погрешность:  Сигнал ACT T MON представляет собой аналоговое напряжение, пропорциональное сопротивлению датчика. Точность фактического сопротивления относительно измеренных значений указана в технических описаниях отдельных драйверов. Wavelength использует откалиброванное, прослеживаемое NIST оборудование для обеспечения этой точности.

Отдельные заземления монитора и питания:  Одно заземление высокой мощности предназначено для подключения к источнику питания на любом контроллере температуры. Несколько слаботочных заземлений расположены среди сигналов монитора, чтобы свести к минимуму смещения и неточности. Несмотря на то, что сильноточные и слаботочные заземления соединены внутри, для достижения наилучших результатов используйте слаботочные заземления с любым монитором.

Линейные или импульсные источники питания для компонентов и модулей:  Линейные источники питания относительно неэффективны и имеют большие размеры по сравнению с импульсными источниками питания. При этом они малошумные. Если шум критичен для вашей системы, вы можете попробовать импульсный источник питания, чтобы увидеть, влияет ли частота переключения на производительность где-либо в системе.

Тепловой разгон:  Если термоэлектрический элемент отводит тепло от устройства (охлаждая его до температуры ниже температуры окружающей среды), это тепло должно быть отведено из системы. Дополнительное тепло от неэффективности термоэлектрического элемента также должно рассеиваться. Если конструкция радиатора соответствует требованиям, отводится достаточно тепла, чтобы поддерживать температуру устройства ниже температуры окружающей среды. Однако, если конструкция является предельной, тепло остается в нагрузке, и температура датчика повышается, а не остается на желаемом уровне. Система управления реагирует, пропуская больший ток охлаждения через термоэлектрический элемент. Это приводит к большему выделению тепла в нагрузке и постоянному повышению температуры датчика. Это называется «тепловой разгон». Температура системы не контролируется, а определяется недостаточным отводом тепла в окружающую среду.

Компания Wavelength разрабатывает регуляторы температуры и производит их на предприятии в Бозмане, штат Монтана, США. Чтобы просмотреть список текущих вариантов контроллера температуры, нажмите здесь.

Полезные сайты:

Что такое термоэлектрик?

Что такое термистор?

Внешние ссылки приведены для справочных целей. Wavelength Electronics не несет ответственности за содержание внешних сайтов.

Цифровой регулятор температуры | Полная принципиальная схема с объяснением

— Реклама —

Цифровой регулятор температуры является важным инструментом в области электроники, контрольно-измерительных приборов и автоматики для измерения и регулирования температуры. Его можно использовать как дома, так и в промышленных целях. На рынке легко доступны различные типы аналоговых и цифровых регуляторов температуры, но они, как правило, не только дороги, но и их температурный диапазон обычно не очень велик. Здесь представлен недорогой контроллер температуры на базе микроконтроллера, который может считывать и контролировать температуру в диапазоне от нуля до 1000ºC. Температура в реальном времени отображается на его ЖК-экране, и вы можете использовать его для контроля температуры в пределах заданного минимального и максимального диапазона.

Схема цифрового регулятора температуры и работа
На рис. 2 показана принципиальная схема цифрового регулятора температуры. Схема построена на микроконтроллере PIC16F877A (IC1), прецизионном усилителе термопары AD8495 (IC2), термопаре K-типа (подключена к CON3), ЖК-дисплее 16×2 (LCD1), реле с одним переключением (RL1) и нескольких общих компонентах.

Выбор датчика. В основном существует два типа систем измерения температуры — системы прямого измерения температуры до 1000ºC и системы косвенного измерения температуры для более высоких температур, где датчики температуры могут быть физически повреждены из-за высоких температур. Выбор датчика температуры зависит от диапазона температуры, которую вы хотите проверить. Существуют различные типы датчиков прямого измерения для различных температурных диапазонов (см. Таблицу I).

— Реклама —

Термопара. Здесь мы использовали термопару типа K для прямого измерения температуры до 1000ºC. В термопаре К-типа для формирования соединения используются два материала: хромель (Ni-Cr) и алюмель (Ni-Al). K-тип — недорогая и одна из самых популярных термопар общего назначения. Его рабочий диапазон составляет от -250 до +1350ºC с чувствительностью примерно 42 мкВ/ºC.

Микроконтроллер . Сердцем системы является микроконтроллер PIC16F877A, представляющий собой маломощный, высокопроизводительный 8-разрядный микроконтроллер CMOS. Он включает в себя флэш-память 8 КБ, EEPROM 256 байт, RAM 368 байт, 33 контакта ввода/вывода (I/O), 10-битный 8-канальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), три таймера, сторожевой таймер с его собственный встроенный кварцевый генератор для надежной работы и синхронный интерфейс I2C.

Контакты порта RD0–RD7 IC1 подключены к контактам D0–D7 ЖК-дисплея. Контакты порта с RB0 по RB2 подключены к регистру выбора RS, чтения/записи R/W и включения EN ЖК-дисплея. На канал АЦП RA0 микроконтроллера поступает аналоговый сигнал от термопарного усилителя IC2. Переключатели с S2 по S4 подключены к контактам порта с RC0 по RC2 IC1. Переключатели S2 и S3 используются для установки минимального и максимального пределов температуры соответственно. Переключатель S4 закрывается, чтобы запустить функцию АЦП и отобразить фактическую температуру. Штырек порта RC3 управляет нагревательным элементом. Когда на контакте RC3 порта появляется «высокий уровень», транзистор T1 переходит в режим насыщения, а реле RL1 срабатывает, чтобы включить нагревательный элемент.

Кристалл 4 МГц подключен между контактами 13 и 14 микроконтроллера IC1 для обеспечения базовой тактовой частоты. Сброс при включении питания обеспечивается комбинацией резистора R2 и конденсатора С1. Переключатель S1 используется для ручного сброса. IC2 представляет собой прецизионный инструментальный усилитель со схемой компенсации холодного спая термопары. Входной сигнал для IC2 (приблизительно 42 мкВ/°C) генерируется тепловым эффектом термопары. IC2 выдает выходной сигнал (5 мВ/°C) непосредственно из сигнала термопары. При напряжении питания 5 В выходной сигнал 5 мВ/°C позволяет устройству покрывать почти 1000 градусов температурного диапазона термопары. Выход IC2 подключен к входному контакту АЦП RA0 микроконтроллера IC1.

Схема блока питания показана на рис. 9В, 500мА от трансформатора X1. Это пониженное переменное напряжение выпрямляется мостовым выпрямителем BR1 и фильтруется конденсатором C10 перед подачей на IC3. Регулятор IC3 обеспечивает регулируемое питание 5 В постоянного тока. Свечение LED1 указывает на наличие питания в цепи.

Программное обеспечение
Программа написана на языке C и скомпилирована с помощью компилятора Hi-Tech вместе с MPLAB для генерации шестнадцатеричного кода. Сгенерированный шестнадцатеричный код записывается в микроконтроллер с помощью подходящего программатора с настройкой битов конфигурации, как показано на рис. 4. Программа хорошо прокомментирована и проста для понимания.

Конструкция и испытания
Односторонняя печатная плата цифрового регулятора температуры в реальном размере показана на рис. 5, а расположение ее компонентов на рис. 6. Соберите схему на печатной плате, чтобы сэкономить время и свести к минимуму ошибки сборки. . Тщательно соберите компоненты и перепроверьте на наличие любой пропущенной ошибки. Используйте подходящую базу IC для IC1. IC2 представляет собой микросхему SMD, поэтому ее необходимо припаять к стороне пайки на печатной плате. После правильной сборки и подключения схемы подключите питание 230 В, 50 Гц к первичной обмотке трансформатора, а вторичную обмотку трансформатора подключите к плате X1.

Установите любую минимальную и максимальную температуру с помощью ЖК-дисплея, нажав переключатели S2 и S3.