Простой терморегулятор своими руками
Огромное количество электрических приборов, используемых в быту и промышленности, основывают свою работу на определении уровня температуры окружающей среды. Измерительный элемент в них представляет собой датчик температуры, срабатывающий при нагревании или охлаждении до установленного уровня. Их можно приобрести в большинстве магазинов, ими комплектуются духовки, контроллеры и прочие устройства, но гораздо интереснее изготовить терморегулятор своими руками.
Пример простого терморегулятора
Далее мы рассмотрим принцип действия и варианты изготовления такой самоделки.
Немного теории
Любой терморегулятор конструктивно включает в себя три основных блока:
Теоретически температурный датчик можно представить набором из четырех сопротивлений, среди которых три резистора будут представлены элементами с постоянными электрическими параметрами, а четвертый переменным. Они собираются в схему измерительного полуплеча, приведенную на рисунке 1 ниже:
Рис. 1. Датчик из полуплеча резисторов
На схеме показан принцип соединения резисторов для получения температурного датчика. Как видите, сопротивление R2 является переменным и меняет физическую величину в соответствии с изменениями температуры окружающей среды. При подаче одного и того напряжения питания в терморегуляторе, при изменении сопротивления в плече будет возрастать ток в цепи.
На основании изменений происходит анализ температурных колебаний в результате которого рабочий орган вызывает срабатывание терморегулятора и последующее отключение или включение оборудования.
Для измерения сопротивления резисторов в качестве логического элемента устанавливается микросхема, работающая в режиме компаратора. Ее задача сравнить электрические сигналы в двух плечах. Пример схемы регулятора температуры приведен на рисунке:
Рис. 2. Принципиальная схема терморегулятора
Здесь блок микросхемы U1A принимает сигналы от измерителя температуры на входы 2 и 3. При достижении температуры срабатывания, в плечах начнет протекать разный ток, и компаратор выдаст на управляющий элемент электронного терморегулятора сигнал о включении.
При остывании датчика термометра ток в плечах терморегулятора уравняется, и электронный блок выдаст управляющий сигнал на отключение. Приведенная электронная схема работает в двух устойчивых состояниях – отключенном и включенном, чередование рабочих режимов происходит в соответствии с заданной логикой.
Эта схема терморегулятора используется в работе куллера персонального компьютера, получая электроснабжение от блока питания, происходит сравнение тока в плечах. Когда блок питания перегреется, терморегулятор переведет транзистор в противоположное состояние и вентилятор запустится.
Такой принцип может применяться не только в вентиляторах, но и в ряде других устройств:
- для контроля работы электрического отопления по температурным показаниям в помещении;
- для установки уровня температуры в самодельном инкубаторе;
- при подключении теплого пола для контроля его работы;
- для установки температурного диапазона работы двигателя, с принудительным охлаждением или отключением системы при достижении граничного значения температуры;
- для паяльных станций или ручных паяльников;
- в системах охлаждения и холодильном оборудовании с логикой снижения температуры в определенных пределах;
- в духовках, печах как бытового, так и промышленного назначения.
Сфера применения терморегулятора ничем не ограничена, везде, где вы хотите получить контроль уровня температуры в автоматическом режиме с управлением питания, такое устройство станет отличным помощником.
Обзор схем
В зависимости от типа элементов, входящих в состав терморегулятора, различают механические и цифровые терморегуляторы. Работа первых основана на срабатывании реле, вторые имеют электронный блок, управляющий процессами. Примеры работы нескольких схем рассмотрим далее.
Рис. 3. Схема терморегулятора №1
На приведенной схеме измерение происходит за счет резисторов R1 и R2, при температурных колебаниях переменный резистор R2 изменит величину падения напряжения. После чего через усилитель терморегулятора, представленный парой транзисторов, начнется протекание электротока через катушку реле K1.
Когда величина тока в соленоиде создаст магнитный поток достаточной силы, сердечник притянется и переключит контакты в другое положение. Недостатком такого терморегулятора является наличие магнитопроводящих частей, которые из-за гистерезиса вносят дополнительную поправку на температуру помимо измерительного органа.
Рис. 4. Схема терморегулятора №2
Данный терморегулятор, в отличии от механического термостата, не использует подключение реле, поэтому является более точным. Его применение оправдано в тех ситуациях, когда несколько градусов могут сыграть весомую роль, к примеру, при контроле температуры нагрева двигателя или в инкубаторе.
Здесь изменение температурного режима фиксируется резистором R5, благодаря которому терморегулятор изменяет электрические параметры работы. Для сравнения и усиления разницы поступающего с полуплеч электрического параметра применяется микросхема К140УД7.
Для контроля нагрузки в схеме устанавливается тиристор VS1, в данном примере терморегулятора ограничение составляет 150Вт, но при желании может подбираться и другой параметр. Но следует учитывать, что эксплуатация тиристора в качестве ключа приводит к его нагреванию, поэтому с увеличением мощности необходимо установить радиатор для лучшей теплоотдачи.
Создаем простой терморегулятор
При ремонте бытовой электротехники вы могли сталкиваться с ситуацией, когда со строя выходил терморегулятор. Хоть это и небольшая микросхема, устанавливаемая для контроля величины нагрева или охлаждения чего-либо.
Увы, стоимость такого элемента заводского изготовления довольно высока, поэтому куда выгоднее собрать терморегулятор самому. Схема достаточно простого самодельного терморегулятора приведена на рисунке ниже.
Рис. 5. Схема простейшего терморегулятора
Для его изготовления вам понадобится:
- понижающий трансформатор с 220 на 12 В;
- шесть диодов (в рассматриваемом примере используются IN4007);
- конденсаторы на 47 мкФ, 1 мФ и 2 мФ;
- микросхема для стабилизатора на 5В;
- транзистор (в рассматриваемом примере это КТ814А);
- стабилитрон с регулируемым параметром (TL431);
- резистивные элементы на 4,7; 160, 150 и 910 кОм;
- резистор с изменяемым сопротивлением на 150 кОм;
- термозависимый резистор 50 кОм;
- светодиод;
- электромагнитное реле 100 мА с питающим напряжением 12В (в рассматриваемом примере используется автомобильный вариант);
- кнопка и корпус.
Процесс изготовления состоит из таких этапов:
- При помощи паяльника соберите вышеперечисленные детали на печатную плату, как показано на схеме выше.
- После этого выведите измерительный орган для терморегулятора на открытое пространство, чтобы установить в нужную локацию.
Рис. 6. Выведите измерительный элемент
- Установите переменный резистор на жесткий каркас и нанесите градуировку температурных режимов для настройки прибора.
Рис. 7. Установите регулятор на каркас и нанесите градуировку
- На клеммник подключите шнур питания.
Подключите питающий шнур к клеммнику
В данном случае клеммник взят со старого прибора, располагавшегося в корпусе.
- Подключите все отдельно размещенные элементы к плате и закройте корпусом.
После сборки терморегулятора его можно установить в любое место, к примеру, для обогрева и подключить в цепь питания электрического котла. В случае, когда радиаторы отопления нагреют помещение до установленной температуры, контакты реле разорвут цепь и прекратят электроснабжение. При остывании цифрового термометра, снова произойдет включение отопления и снова пойдет нагрев. Если вас не устраивает температурный режим, его можно изменить настройкой датчика.
Видео по теме
Источник
Умный обогреватель своими руками
Зима, конечно, не удалась в этом году (по крайней мере в центральной части России), но зная наши реалии, многие, я думаю, пользовались электрическими обогревателями.
Вот перед нами следующая картина: Вы включаете обогреватель и через какое-то время становится тепло, а если ещё чуть-чуть подождать, то уже жарко. Ну что ж, время выключить обогреватель, однако если у Вас плохо утеплена квартира, то в скором времени опять станет неприятно, и придется снова вставать включать источник тепла. Выход из этого круговорота есть: можно купить так называемый умный обогреватель, который будет поддерживать комфортную температуру. Но у него есть один существенный минус: это цена. Я думаю, многие уже догадались о чем сегодня пойдет речь. Да, именно о самодельном умном обогревателе. Итак, с чего бы начать? Давайте для начала рассмотрим общую схему работы.
Рис 1. Общая схема работы
Как же это всё работает
На самом деле довольно просто. У нас есть некое Web-приложение (не будет рассматриваться в рамках этой статьи), в котором пользователь выбирает режим работы обогревателя:
- Включен постоянно. В данном режиме установленная температура не передаётся
- Выключен. Установленная температура также не передаётся
- Автоматический режим. Собственно, ради него всё и затевалось. В данном режиме пользователь устанавливает желаемую температуру
После того как режим выбран, вся информация передаётся в MQTT брокер, который дополнительно принимает текущую температуру с ZigBee датчика. Также данные о температура записываются с помощью скрипта в базу. Блок управления в свою очередь с определенным периодом подключается к MQTT и забирает оттуда данные об установленной и текущей температуре. Стоит пояснить один момент: ранее говорилось о том, что установленная температура передаётся только в одном из режимов. Всё так, но есть скрипт, который в соответствие режимам вкл/выкл устанавливает следующие температуры: для режима вкл — 100 градусов Цельсия, выкл — 0 градусов. Как итог в первом случае обогреватель будет работать на полную мощность постоянно, а во втором соответственно выключен. Также данный скрипт забирает данные о текущей температуры из базы и все это возвращает в брокер. Перед тем как продолжить стоит рассказать о конечном количестве MQTT топиков, кто сколько насчитал? И так правильный ответ три. Давайте посчитаем:
- Первый топик. В него записывается режим, который выбрал пользователь.
- Второй топик. В него передаёт информацию о текущей температуре выше указанный ZigBee датчик. Вся информация из данного топика складывается в базу данных.
- Третий топик. Он же конечный для этой системы, в него пишет специальный скрипт, который забирает данные из первого топика и складывает их с данными о текущей температуре, которые лежат в базе. В конечном итоге к данному топику подключается блок управления обогревателем и отрабатывает согласно своему алгоритму, о котором Вы можете прочитать далее, если конечно всё ещё не потеряли интерес 🙂
Блок управления
В качестве сердца блока управления выступает, я думаю, многим известная esp32. Да-да, я знаю, что кто-то скажет: «Можно же взять ардуино с Wi-Fi модулем или ещё проще Sanoff, у которого уже есть Wi-Fi и встроенное реле, так же подключить датчик температуры». Да это так, но мне было интересно реализовать всё самому. Плюс электромагнитное реле мне не подходит, но об этом позже. ESP32 была выбрана из-за возможности работать с MicroPython (на этом моменте где-то заплакал программист C++). Я знаю, что с точки зрения ресурсов контроллера это, наверное, не самый лучший вариант для реализации, но мне нравится Python и точка :).
С сердцем определились. Что же будет включать и выключать наш обогреватель? Тут я рассматривал два варианта:
- Обычное электромагнитное реле
- Твердотельное реле
Первый вариант отпал довольно быстро, так как планировалось управлять обогревателем посредством ШИМ (Широтно-импульсная модуляция) и слушать постоянно щелкающее реле особенно ночью, то ещё удовольствие, поэтому было принято решение остановиться на втором варианте. Сказано — сделано. Поскольку у меня в наличии киловаттный обогреватель, было куплено твердотельное реле на 10А. После тестового включения стало ясно, что без дополнительного охлаждения оно перегреется и умрет. Поискав возможные варианты, остановился на небольшом радиаторе с вентилятором. С ним реле остается холодным, даже когда обогреватель кочегарит на полную.
Выше упоминался какой-то там ШИМ. Зачем он мне вообще? На самом деле вопрос вполне закономерный, можно же просто включать и выключать. Конечно, можно, но что если попробовать регулировать температуру нагрева обогревателя? Это позволит более гибко управлять климатом в Вашем доме. Разве не круто? Теперь давайте рассмотрим более подробно всё это с блекджеком кодом и схемой
Рис 2. Функциональная схема
На самом деле практически вся функциональная схема была описана выше, за исключением N-канального полевого транзистора, который нужен для управления вентилятором охлаждения. В данном случае он работает в обычном ключевом режиме. Как только на его затворе появляется логическая единица, он открывается и подаёт +5 вольт на вентилятор.
Логика работы
Теперь давайте перейдем к алгоритму, он представлен на рис.3. Что тут происходит? Поскольку всю информацию мы берем из MQTT, то для начала необходимо подключиться к нему. Как только мы убеждаемся в том, что подключение случилось, переходим в бесконечный цикл, в котором происходит чтение из определенного топика текущей и установленной температуры. После необходимо вычислить дельту. На основании рассчитанной дельты вычисляется ширина импульса по следующей формуле :
1000 — 1000 / (math.exp(delta_temp)
Если полученное значение ширины больше нуля, то помимо формирования сигнала для управления обогревателем также необходимо включить вентилятор охлаждения. По сути с алгоритмом тоже всё.
Заключение
На этом пожалуй всё, единственное, что я бы хотел оставить пару фото получившегося у меня устройства ну и конечно код.
Корпус находится все ещё на стадии доработки, я уверен, что у Вас получится лучше 😉
А вот так выглядит код, который заставляет работать всё это железо
boot.py
main.py
config.json
Оставлю так же полезные ссылки:
- Радиатор с вентилятором
- Блок питания на 5 вольт
Источник