В этой статье вы узнаете как собрать простой и надежный электронный термостат с выносным (если надо) датчиком из биполярного транзистора. Его можно использовать для управления внешними устройствами, такими как электрические нагреватели, паяльники и так далее. В принципе, термостат – это регулятор для автоматического поддержания температуры путем включения или выключения подачи тепла. С помощью электронного термостата можно точно контролировать температуру электронагревателя.
Схема электронного термостата на LM393
Как видите по схеме, датчик температуры не является ни стандартным термистором, ни специализированным сенсорным чипом – это обычный биполярный транзистор BC107 (T1) в металлическом корпусе. Можно заменить его на популярный транзистор BD139, который стоит на многих платах. Почему транзистор? Любой кремниевый диод и вообще любой кремниевый переход имеет почти линейный температурный коэффициент около -2 мВ / ° C, когда прямое напряжение (V F ) подается через переход. Значит всё что нужно сделать, это использовать его включение для контроля температуры, как показано на схеме. Обратите внимание, что транзистор с биполярным переходом работает медленнее, чем кремниевый диод, из-за его металлического корпуса.
В данной сборке использовалась пара транзисторов BC107B, но BD139 имеет монтажное отверстие на корпусе TO-126, что значительно упрощает его установку, так что лучше их.
Другая часть схемы также имеет обычные радиокомпоненты. LM393 (IC1) – довольно дешевая микросхема с двумя компараторами. На выходе компаратора LM393 один транзистор BD140 (T2) подключен как переключатель для управления небольшой нагревательной катушкой или для управления электромагнитным реле, для переключения уже более мощных нагревателей. Датчик температуры T1 подключен к инвертирующему входу (контакт 2) IC1, в то время как фиксированное опорное напряжение, близкое к 1,4 В, подается на его неинвертирующий вход (контакт 3).
Многооборотный подстроечный регулятор заданной температуры (RP1) определяет напряжение на инвертирующем входе компаратора. Если ползунок подстроечного резистора находится на половине, то инвертирующий вход компаратора может видеть напряжение, довольно близкое к 1 В.
Нужно сначала отрегулировать подстроечный резистор, чтобы поднять это напряжение до 1,5 В или около того. А затем установить горячий паяльник в непосредственной близости от T1, подержать его там некоторое время и протестировать схему.
Обратите внимание, что зеленый индикатор (LED1), подключенный к выходу (контакт 1) компаратора, продолжает гореть в нормальном состоянии. В то же время T2 проводит и передает 5 В постоянного тока на подключенную нагрузку (нагреватель или реле) через переход эмиттер-коллектор. Если уровень температуры превышает заданное значение, IC1 отключает T2 и, следовательно, катушку реле.
Будучи низковольтным транзистором средней мощности с максимальным током коллектора 1,5 А, транзистор BD140 может использоваться для управления нагрузками, потребляющими менее 1,5 А. Здесь тестовой нагрузкой был USB-вентилятор, и тест проводился без установки транзистора BD140 на радиатор.
Конструкция электронного термостата довольно некритична, для этой цели достаточно небольшой макетной платы. Но транзистор датчика температуры (BC107 / BD139) должен быть припаян к выводам кабелем и надлежащим образом изолирован в местах пайки с помощью термоусадочных трубок. Важно, чтоб транзистор хорошо воспринимал изменения температуры при установке на нужное место.
Микросхема LM393 состоит из двух прецизионных компараторов напряжения, и выход каждого представляет собой открытый коллектор выходного NPN-транзистора с заземленным эмиттером, который обычно может потреблять до 16 мА. Базовая схема компаратора используется для преобразования аналоговых сигналов в цифровой выход. Выходной сигнал высокого уровня, когда напряжение на неинвертирующем (+ IN) входе больше, чем на инвертирующем (-IN). Выход будет низким, когда напряжение на неинвертирующем (+ IN) входе меньше, чем на инвертирующем (-IN).
Представленная здесь схема термостата предназначена для работы с подключенной нагрузкой, если уровень температуры, измеренный датчиком температуры, значительно ниже установленного значения. Но если уровень температуры поднимается выше заданного значения, нагрузка немедленно отключается.
Поскольку выход компаратора IC1 подключен к базе транзистора T2 через резистор, база транзистора в нормальном состоянии удерживается на низком уровне. В этом состоянии T2 проводит ток. Это связано с тем, что небольшой ток проходит через T2 по резистору R7 и через внутренний NPN-транзистор IC1 на землю. Этот небольшой ток переключает больший ток, который может протекать через нагрузку.
Базовый резистор R7 ограничивает общий ток через T2 и транзистор внутри IC1 до относительно безопасного значения. Можно снизить значение R7 до некоторой степени, чтобы получить более высокие токи нагрузки.
Далее перейдем к гистерезису. Компараторы используются для различения двух разных уровней сигнала. В этом проекте компаратор различает условия перегрева и нормальной температуры. Естественно, шум на пороге сравнения вызовет множественные переходы. Гистерезис устанавливает верхний и нижний порог для устранения множественных переходов, вызванных шумом.
В этой схеме резистор R4 как раз и устанавливает уровень гистерезиса. Обратите внимание, что гистерезис создает два порога. Это означает, что когда на выходе высокий логический уровень, R4 работает параллельно с R2. Это увеличивает ток в R3, повышая пороговое напряжение. С другой стороны, когда на выходе низкий логический уровень, R4 работает параллельно с R3. Это снижает ток R3, уменьшая пороговое напряжение.
Стоит отметить, что выходной каскад с открытым коллектором требует подтягивающего резистора (R5). Поскольку подтягивающий резистор формирует делитель напряжения на выходе компаратора, который вносит ошибку, требуется гистерезисный резистор сравнительно высокого номинала, чтобы минимизировать эту погрешность.
Более совершенную схему термостата, с двумя датчиками, можно собрать на микроконтроллере Attiny2313.
