Схема простого терморегулятора для сборки в домашних условиях

Принцип работы терморегулятора

Терморегулятор — это устройство, способное реагировать на изменения температурного режима. По типу действия различают терморегуляторы триггерного типа, отключающие или включающие нагрев при достижении заданного предела, или устройства плавного действия с возможностью тонкой и точной настройки, способные контролировать изменения температуры в диапазоне долей градуса.

Существуют две разновидности терморегуляторов:

1. Механический. Представляет собой устройство, использующее принцип расширения газов при изменении температуры, или биметаллические пластины, изменяющие свою форму от нагревания или охлаждения.
2. Электронный. Состоит из основного блока и датчика температуры, подающего сигналы об увеличении или понижении заданной температуры в системе. Используется в системах, требующих высокой чувствительности и тонкой регулировки.

Механические устройства не позволяют обеспечить высокой точности настройки. Они являются одновременно и датчиком температуры, и исполнительным органом, объединёнными в единый узел. Биметаллическая пластина, используемая в нагревательных устройствах, представляет собой термопару из двух металлов с разным коэффициентом теплового расширения.

Главное предназначение терморегулятора — автоматическое поддержание необходимой температуры

Нагреваясь, один из них становится больше другого, отчего пластина изгибается. Контакты, установленные на ней, размыкаются и прекращают нагрев. При охлаждении пластина возвращается в изначальную форму, контакты вновь замыкаются и нагрев возобновляется.

Камера с газовой смесью — чувствительный элемент термостата холодильника или отопительного терморегулятора. При изменениях температуры меняется объём газа, что вызывает перемещение поверхности мембраны, соединённой с рычагом контактной группы.

В терморегуляторе для отопления используется камера с газовой смесью, работающая по закону Гей-Люссака — при изменении температуры меняется объём газа

Механические термостаты надёжны и обеспечивают устойчивую работу, но настройка режима работы происходит с большой погрешностью, практически «на глазок». При необходимости тонкой настройки, обеспечивающей регулировку в пределах нескольких градусов (или ещё тоньше), используются электронные схемы. Датчиком температуры для них служит терморезистор, способный различить мельчайшие изменения режима нагрева в системе. Для электронных схем ситуация обратная — чувствительность датчика слишком высока и её искусственно загрубляют, доводя до пределов разумного. Принцип действия состоит в изменении сопротивления датчика, вызванном колебаниями температуры контролируемой среды. Схема реагирует на смену параметров сигнала и повышает/понижает нагрев в системе до получения другого сигнала. Возможности электронных блоков контроля намного выше и позволяют получить настройку температуры любой точности. Чувствительность таких термостатов даже избыточна, поскольку нагрев и охлаждение — процессы, обладающие высокой инерционностью, которые замедляют время реакции на смену команд.

Область применения самодельного устройства

Изготовление механического терморегулятора в домашних условиях достаточно сложно и нерационально, поскольку результат будет работать в слишком широком диапазоне и не сможет обеспечить требуемой точности настройки. Чаще всего собирают самодельные электронные терморегуляторы, которые позволяют поддерживать оптимальный режим температуры тёплого пола, инкубатора, обеспечивать желаемую температуру воды в бассейне, нагрев парилки в сауне и т.д. Вариантов применения самодельного терморегулятора может быть столько, сколько систем, подлежащих настройке и регулировке температурного режима, имеется в доме. Для грубой настройки с помощью механических устройств проще приобрести готовые элементы, они недороги и вполне доступны.

Схема датчика температуры

Все приборы, в которых используются проводники, требуют соблюдения определенного температурного режима. Очень часто, при повышении тока и напряжения, такие устройства перестают работать. Для того, чтобы избежать неприятных ситуаций, существует схема датчика температуры, применяемая в составе многих электронных приборов и устройств.

Использование термодатчика

Основной функцией датчика является своевременное обнаружение отклонений от температурного режима. При наступлении критического перегрева, термодатчик подает световой сигнал. Действие прибора основано на сравнении нормального напряжения с повышенным напряжением, возникающим при увеличении температуры.

Устройство оборудовано инвертирующим входом, соединенным через анод с кремниевым диодом, непосредственно выполняющим функцию термодатчика. Кроме того, здесь имеется неинвертирующий вход, подключенный к переменному резистору. Он предназначен для установки температурного порога, когда происходит срабатывание сигнализатора.

В случае изменения температуры в сторону увеличения, происходит падение напряжения на диоде. В этом случае, значение температурного коэффициента сопротивления будет отрицательным. Физические свойства датчика позволяют обнаруживать даже незначительные колебания температуры.

Дополнительные компоненты и схема датчика

Кроме основных диодных устройств, схема датчика температуры включает в себя ряд дополнительных элементов. Прежде всего, это конденсатор, позволяющий защитить прибор от посторонних влияний. Дело в том, что операционный усилитель обладает повышенной чувствительностью на воздействие переменных электромагнитных полей. Конденсатор снимает эту зависимость с помощью наведения отрицательной обратной связи.

При участии транзистора и стабилитрона образуется опорное стабилизированное напряжение. Здесь используются резисторы с повышенным классом точности при низком значении температурного коэффициента сопротивления. Тем самым, вся схема приобретает дополнительную стабильность. В случае возможных значительных изменений температурного режима, прецизионные резисторы можно не применять. Они используются только для контроля небольших перегревов.

При расположении датчика на дальнем расстоянии от сигнализатора, они должны соединяться между собой двухжильным экранированным проводом. При этом, выводы датчика не должны касаться металлических частей устройства, находящегося под контролем.

Схема датчика температуры и его компоненты
Кроме основных диодных устройств, схема датчика температуры включает в себя ряд дополнительных элементов. Использование термодатчика

Самодельный регулятор температуры

Схем для того, чтобы сделать терморегулятор самому, в действительности очень много. Всё зависит от сферы, в которой будет применяться такое изделие. Конечно, создать нечто слишком сложное и многофункциональное крайне трудно. А вот термостат, который сможет использоваться для обогревания аквариума или сушки овощей на зиму, вполне можно создать, имея минимум знаний.

Простейшая схема

Самая простая схема термореле своими руками имеет безтрансформаторный блок питания, который состоит из диодного моста с параллельно подключённым стабилитроном, стабилизирующим напряжение в пределах 14 вольт, и гасящего конденсатора. Сюда же можно при желании добавить и стабилизатор на 12 вольт.

Создание терморегулятора не требует особых усилий и денежных вложений

В основе всей схемы будет использован стабилитрон TL431, который управляется делителем, состоящим из резистора на 47 кОм, сопротивления на 10 кОм и терморезистора, выполняющего роль датчика температуры, на 10 кОм. Его сопротивление понижается с повышением температуры. Резистор и сопротивление лучше подбирать, чтобы добиться наилучшей точности срабатывания.

Сам же процесс выглядит следующим образом: когда на контакте управления микросхемой образуется напряжение больше 2,5 вольт, то она произведёт открытие, что включит реле, подавая нагрузку на исполнительный механизм.

Как изготовить терморегулятор для инкубатора своими руками, вы можете увидеть на представленном видео:

И напротив, когда напряжение станет ниже, то микросхема закроется и реле отключится.

Чтобы избежать дребезжания контактов реле, необходимо его выбирать с минимальным током удержания. И параллельно вводам нужно припаять конденсатор 470×25 В.

При использовании терморезистора NTC и микросхемы, уже бывавших в деле, предварительно стоит проверить их работоспособность и точность.

Таким образом, получается простейший прибор, регулирующий температуру. Но при правильно подобранных составляющих он превосходно работает в широком спектре применения.

Прибор для помещения

Такие терморегуляторы с датчиком температуры воздуха своими руками оптимально подходят для поддержания заданных параметров микроклимата в помещениях и ёмкостях. Он полностью способен автоматизировать процесс и управлять любым излучателем тепла начиная с горячей воды и заканчивая тэнами. При этом термовыключатель имеет отличные эксплуатационные данные. А датчик может быть как встроенным, так и выносным.

Здесь в качестве термодатчика выступает терморезистор, обозначенный на схеме R1. В делитель напряжения входят R1, R2, R3 и R6, сигнал с которого поступает на четвёртый контакт микросхемы операционного усилителя. На пятый контакт DA1 подаётся сигнал с делителя R3, R4, R7 и R8.

Сопротивления резисторов необходимо подбирать таким образом, чтобы при минимально низкой температуре замеряемой среды, когда сопротивление терморезистора максимальное, компаратор положительно насыщался.

Напряжение на выходе компаратора составляет 11,5 вольт. В это время транзистор VT1 находится в открытом положении, а реле K1 включает исполнительный или промежуточный механизм, в результате чего начинается нагрев. Температура окружающей среды в результате этого повышается, что понижает сопротивление датчика. На входе 4 микросхемы начинает повышаться напряжение и в результате превосходит напряжение на контакте 5. Вследствие этого компаратор входит в фазу отрицательного насыщения. На десятом выходе микросхемы напряжение становится приблизительно 0,7 Вольт, что является логическим нулём. В результате транзистор VT1 закрывается, а реле отключается и выключает исполнительный механизм.

На микросхеме LM 311

Такой термоконтроллер своими руками предназначен для работы с тэнами и способен поддерживать заданные параметры температуры в пределах 20-100 градусов. Это наиболее безопасный и надёжный вариант, так как в его работе применяется гальваническая развязка термодатчика и регулирующих цепей, а это полностью исключает возможность поражения электротоком.

Как и большинство подобных схем, в её основу берется мост постоянного тока, в одно плечо которого подключают компаратор, а в другое – термодатчик. Компаратор следит за рассогласованием цепи и реагирует на состояние моста, когда тот переходит точку баланса. Одновременно он же старается уравновесить мост с помощью терморезистора, изменяя его температуру. А термостабилизация может возникнуть лишь при определённом значении.

Резистором R6 задают точку, при которой должен образоваться баланс. И в зависимости от температуры среды терморезистор R8 может в этот баланс входить, что и позволяет регулировать температуру.

На видео вы можете увидеть разбор простой схемы терморегулятора:

По мере того как температура будет повышаться, сопротивление R8 станет снижаться. Мост будет стремиться к точке баланса. На компараторе потенциал инверсного входа плавно снижается, а на прямом – повышается. В какой-то момент ситуация меняется, и процесс происходит в обратную сторону. Таким образом, термоконтроллер своими руками будет включать или выключать исполнительный механизм в зависимости от сопротивления R8.

Если в наличии нет LM311, то её можно заменить отечественной микросхемой КР554СА301. Получается простой терморегулятор своими руками с минимальными затратами, высокой точностью и надёжностью работы.

Необходимые материалы и инструменты

Сама по себе сборка любой схемы электрорегулятора температуры не занимает много времени и сил. Но чтобы сделать термостат, необходимы минимальные знания в электронике, набор деталей согласно схеме и инструмент:

1. Импульсный паяльник. Можно использовать и обычный, но с тонким жалом.
2. Припой и флюс.
3. Печатная плата.
4. Кислота, чтобы вытравить дорожки.

Достоинства и недостатки

Плюсы и минусы отдельных схем оценивают с учетом реальных условий эксплуатации. Иногда выгодно затратить время и деньги на стадии реализации идеи с целью продления срока службы готового изделия. Нет смысла создавать самоделку, если фабричный аналог с официальными гарантиями стоит дешевле.

Как грамотно установить

Чтобы продлить срок службы терморегулятора, пользуются следующими рекомендациями:

• не устанавливают электронику без дополнительной защиты на открытом воздухе, в помещениях с повышенным уровнем влажности;
• при необходимости в неблагоприятную среду выносят контрольный датчик;
• исключают расположение регулятора напротив тепловых пушек, других «генераторов» холода или тепла;
• для повышения точности выбирают место без активных конвекционных потоков.

Как отремонтировать

Самодельный термодатчик своими руками восстановить нетрудно, так как известна технология проверки (настройки). Инструкции по ремонту фабричных изделий можно найти на официальном сайте производителя.

Пирометры или тепловизоры

Иначе их можно назвать бесконтактными. Рабочая схема датчика температуры такого типа состоит в том, что они считывают тепло от нагретых тел, на которые наводятся. Положительным моментом для этой разновидности является отсутствие необходимости в непосредственном контакте и приближении к среде измерения. Таким образом специалисты с легкостью устанавливают температурные показатели сильно горячих объектов вне радиуса опасной близости с ними.

Пирометры, в свою очередь, подразделяются на несколько разновидностей, среди которых можно отметить интерферометрические и флуоресцентные, а также датчики, работающие по принципу смены цвета раствора в зависимости от того, какая температура была замерена.

Пьезоэлектрические датчики

В данном случае заложенная в основу схема работы всего лишь одна. Такие устройства функционируют за счет кварцевого пьезорезонатора. Принцип же действия и схема датчика температуры заключаются в следующем. Пьезоэффект, включающий в себя изменение размеров используемого пьезоэлемента, подвергается определенному воздействию электрического тока.

Суть работы достаточна проста. Благодаря попеременной подаче электрического тока с разными фазами, но одинаковой частотой, происходят колебания пьезогенератора, частота которых зависит при этом от конкретной измеренной температуры тела или среды. В результате полученная информация интерпретируется в конкретные значения в градусах Цельсия или Фаренгейта. Подобный тип отличается одной из самых высоких точностей измерения. Кроме того, применяется пьезоэлектрический вариант в тех ситуациях, где требуется долговечность устройства, к примеру, в датчиках температуры воды.

Термоэлектрические или термопары

Достаточно распространенный способ измерения. Основной принцип работы заключается в возникновении в замкнутых контурах проводников или полупроводников электрического тока. При этом места спайки должны обязательно различаться по температурным показателям. Один конец помещается в ту среду, где нужно произвести замер, а второй служит для снятия показаний. Именно поэтому данный вариант считается выносным датчиком температуры.

Конечно же, не обошлось и без определенных недостатков. Самым значительным из них можно назвать весьма большую погрешность при измерениях. По этой причине такой способ редко применяется на многих технологических производствах, где такой разброс значений попросту недопустим. В качестве примера можно привести датчик для измерения температуры твердых тел «ТСП Метран-246». Его активно используют металлургические компании на производстве для контроля за данным параметром у подшипников. Устройство оборудовано аналоговым выходным сигналом для считывания, а диапазон допустимых измерений находится в пределах от -50 до +120 градусов по Цельсию.

Терморезистивные датчики

О принципе действия можно судить уже по названию данного типа. Функционирование такого датчика температуры по схеме поддается следующему описанию: измерению подвергается сопротивление проводника. Надежность конструкции сочетается с очень высокой точностью получаемых сведений. Также данные устройства отличаются довольно высокой чувствительностью, что позволяет уменьшить шаг измерений значений, а простота считывающих элементов делает их легкими в эксплуатации.

Для примера можно упомянуть датчик 700-101BAA-B00, имеющий начальное сопротивление в 100 Ом. Его измерительный диапазон находится в пределах от -70 до 500 градусов по Цельсию. Конструкция собрана из никелевых контактов и платиновых пластин. Наиболее широкое применение такой тип получил в промышленных устройствах и самой разнообразной электронике.

Акустические датчики

Крайне простые приборы, занимающиеся измерением скорости звука в различных средах. Известно, что этот параметр во многом зависит от температуры. При этом следует учитывать и другие параметры измеряемой среды. В качестве одного из сценариев использования можно назвать измерение температуры воды. Датчик выдает данные, на основе которых можно сделать расчет, для которого также понадобится знать изначальные сведения об измеряемой среде.

Преимуществами такого метода считается возможность использования его в закрытых емкостях. Обычно используется там, где нет прямого доступа к измеряемой среде. Основные сферы-потребители данного способа по вполне закономерным причинам — это медицина и промышленность.

Полупроводниковые датчики

Принцип функционирования таких устройств заключается в изменении p-n характеристик и их перехода под воздействием температуры. Точность измерения весьма высока. Это обеспечивается постоянством зависимости напряжения на транзисторе от текущей температуры. Кроме того, прибор достаточно дешевый и простой в производстве.

Для примера подобного датчика температуры устройство LM75A может послужить как нельзя лучше. Диапазон измерений составляет от -55 до +150 градусов по Цельсию, а погрешность — не более двух градусов. Обладает также достаточно небольшим шагом порядка 0,125 градуса по Цельсию. Напряжение питания варьируется в пределах от 2,5 до 5,5 В, при этом время преобразования сигнала не превышает одной десятой доли секунды.

Варианты подключения

1. К системе тёплого пола;
2. К ТЭНу;
3. К обогревателю.

Подключение термостата к системе тёплого пола

Стандартный терморегулятор тёплого пола идёт в комплекте поставки с подробной инструкцией подключения прибора к системе тёплых полов. Можно подключать ТР самостоятельно, пользуясь обозначениями под клеммниками.

Нагревательный мат тёплого пола

На тыльной стороне регулятора расположены три пары клеммных гнёзд для проводов. Первая пара предназначена для подсоединения двужильного сетевого кабеля. Гнездо «L» – фаза, «N» – ноль.

Вторая пара гнёзд предназначена для соединения с выводами тёплого пола – L1 и N1. Пятую и шестую клемму используют для того, чтобы подключаться к датчику температуры.

Регуляторы температуры полов могут быть вставленными в подрозетник или закреплёнными на стене. Термодатчик бывает, как встроенным в корпус прибора, так и установленным на конце выносного кабеля.

В первом случае происходит замер температуры воздуха внутри помещения. Во втором варианте датчик измеряет степень нагрева финишного покрытия пола.

Подключение термостата к ТЭНу

Подключение термостата к электрическому нагревателю приходится осуществлять через магнитный пускатель. Это связано с тем, что мощность регулятора далеко несопоставима с мощностью ТЭНов.

Магнитный пускатель (МП) нужен при управлении термостатом сразу несколькими приборами обогрева. МП врезают в фазовый провод параллельно с терморегулятором. Регулировка режимами работы тенов осуществляется термостатом, ток питания проходит через МП. Это даёт возможность использовать трёхфазную электросеть, что позволяет эксплуатировать нагревательные элементы большой мощности.

Многие ТР оснащены электронными микропроцессорами, которые выдают дополнительно показатели уровня влажности, давления и времени, необходимого для достижения величин заданных параметров.

Подсоединение терморегулятора к обогревателю

Термостаты бывают механического и электронного действия. Последнее время вторые модели активно вытесняют своих механических аналогов. Применение современной электроники позволяет более эффективно управлять температурным режимом в заданной среде.

ТР для обогревателей помещений встраивают в корпуса калориферов или выносят на удаление от приборов отопления. Регулятор, прежде всего, подключается к электрической сети, затем через схему управления соединяется непосредственно с термодатчиком.

Дополнительная информация. Инфракрасные обогреватели соединяются с термостатом в большинстве вариантов через магнитный пускатель. Чтобы выполнить правильное подключение прибора, нужно строго следовать пунктам прилагаемой инструкции.

Особенности, как подсоединяют устройства регуляции температурного режима, зависят от вида отопительных приборов. Это может быть одножильное или двужильное подключение ТР тёплых полов. Подключение двухфазного термостата к нагревательным элементам трёхфазного тока осуществляется только через магнитный пускатель. Для водяного отопления терморегулятор врезают прямо в радиатор. В каждом конкретном случае существует своя схема подключения терморегулятора.

Заключение

Несколько советов:

1. Перед покупкой ТР надо убедиться в совместимости характеристик регулятора и нагревательных элементов.
2. Выбирать установку прибора нужно в наиболее доступном месте.
3. Решая вопрос о приобретении прибора, следует оценить экономическую целесообразность применения конкретной модели терморегулятора.
4. Если не хватает опыта в установке таких устройств, то лучше обратиться за помощью к специалистам.

Человек порой не догадывается о количестве окружающих его терморегулирующих устройств. Они плотно вошли в быт. Их работа приносит существенную экономию затрат на электроэнергию.

Видео