|
Терморегуляторы
Для поддержания постоянной температуры в аквариуме, независимо от температуры воздуха в помещении, следует использовать нагреватель с терморегулятором. Когда вода нагревается до необходимой температуры, терморегулятор отключает нагреватель, а при снижении температуры воды примерно на 0,5 °С грелка автоматически включается.
Существуют различные мнения по поводу применения терморегуляторов. Некоторые аквариумисты считают, что применение терморегулятора, стабилизирующего температурный режим, нарушает естественное суточное колебание температуры в водоеме. Известно, что днем температура воды повышается за счет нагрева ее солнцем, а в ночное время вода остывает. В тропиках эти колебания обычно не превышают 1 - 2 °С. В аквариуме, где применяется терморегулятор, температура воды днем и ночью примерно одинакова. Но, как показывает практика, рыбы и растения чувствуют себя в аквариуме с терморегулятором не только не хуже, а даже значительно лучше, чем без него. Кроме того, исключается случайный перегрев воды.
Для аквариума с растениями применение терморегулятора очень желательно, так как большинство гидрофитов является выходцами из тропиков, где вода, как правило, постоянно имеет высокую температуру.
Размещение терморегулятора относительно нагревателя в аквариуме имеет существенное значение для равномерного нагрева воды. Терморегулятор целесообразно размещать не далее чем в 3 - 5 см от нагревателя, так как в этом случае термодатчик, быстро нагреваясь до установленной температуры, включает нагреватель на короткое время и включает его при притоке более холодной воды, тем самым удлиняя срок службы нагревателя и обеспечивая более равномерное (но и более медленное) прогревание воды н аквариуме.
В аквариуме, находящемся в теплом помещении, нагреватель можно разместить у боковой стенки или в углу. А в холодном помещении, где без обогрева температура воды опускается ниже 20° С, желательно расположить грелку у дна аквариума, или, еще лучше, в грунте. Идеальным вариантов для такого водоема считается подогрев со дна. При этом равно мерно прогревается вся толща воды и, самое главное, прогревается грунт, что очень важно для хорошего роста тропических растений. Какие обогреватели для этого использовать, существенного значения не имеет, главное - их доступность и надежность.
Терморегулятор можно сделать в домашних условиях. Ниже приведены несколько вариантов терморегуляторов.
Предлагается простой регулятор температуры прогрева воды, выполненный на интегральном компараторе К554САЗ. Как известно, выходное напряжение компаратора может находиться лишь, на стандартных уровнях логической 1 или 0 в зависимости от соотношения напряжений сигнала Uсигн опорного напряжения Uoп. Выходная мощность К554САЗ достаточна для управления исполнительным реле. Таким образом, не требуется мощного дополнительного выходного транзистора.
Рис 6. Принципиальная схема регулятора
Пределы регулирования температуры воды для аквариума можно ограничить пределом от 16 до 30° С. Точность регулирования в основном определяется градуировкой регулятора и составляет ∆t = 0,5° С. Схема регулятора представлена, на рис. 6; Резисторы R1 - R4 включены по мостовой схеме. Диагональ моста подключена к компаратору DА1. При превышении напряжением сигнала Uсигн опорного напряжения Uoп на выходе DА1 появляется логический 0. Реле К1 включается и своими контактами К1.1 и К1.2 подключает нагревательный элемент ЕК к напряжению ~220В, при этом включается контрольная лампочка НL2 “Нагрев”. При нагревании воды сопротивление терморезистора R4 уменьшается, и при достижении Uсигн < U oп компаратор переключается. Реле отключается, и нагрев воды прекращается. Для получения более высокой температуры нагрева воды надо уменьшить Uoп, т. е. уменьшить сопротивление резистора R2.
Для градуировки устанавливают рядом термосопротивление R4 и термометр в емкости с водой. Замерив температуру воды и при необходимости подогревая ее до нужной температуры (например, 20° С), устанавливают движок резистора R2 в положение, когда дальнейший его поворот включает реле К1 (контроль по светодиоду НL2). Точность градуировки ± 0,5 °С.
Детали. Реле К1 - типа РЭС-9, паспорт РС4.524.200. Ее контакты могут управлять тринистором, включенным в диагональ диодного моста в цепи нагревателя Rн, или симистором (см. рис. 7 а , б ). Если удастся приобрести оптрон АОУ103В, можно вообще обойтись без реле. Примеры использования этого оптрона для коммутации цепи питания электронагревателя показаны, на (рис. 7, в и г ). Терморезистор R4 - типа КМТ1, КМТ2. Применены неоновые лампы ТН-0,2-1. Трансформатор Т1 - на напряжение 220В/27В, вторичная обмотка рассчитана на силу тока 200...300 мА.
Рис. 7.
В качестве нагревательного элемента ЕК использованы четыре сопротивления типа ПЭВ-20 по 1500 Ом каждый, включенные параллельно. Это дает мощность нагревателя 100 Вт. Нагревательный элемент помещен в стеклянную трубку диаметром 20 мм и длиной 200...250 мм. Для лучшего теплообмена со средой свободное пространство в трубке засыпано кварцевым. песком. Пробка залита эпоксидной смолой. Терморезистор помещен в стеклянную трубку диаметром 7 мм. Один конец трубки оплавлен, второй залит эпоксидной смолой. Следует обратить особое внимание, на тщательность изготовления нагревателя с точки зрения электробезопасности.
Нагреватель рассчитан, на аквариум емкостью 50...100 л, При этом нагреватель помещают в зону аэрации для снижения градиента температур по объему аквариума.
Можно избежать изготовления самодельного нагревательного элемента, если использовать, например, выпускаемый промышленностью электрокипятильник мощностью не более 200 В А или какой-либо другой готовый прибор с подходящей мощностью.
Этот терморегулятор разрабатывался для поддержания необходимой температуры в аквариуме с тропическими рыбками, но благодаря своей универсальности его можно использовать в других случаях когда требуется поддерживать температуру воды или воздуха в пределах 10 - 60 °С и управлять нагревателем мощностью до 2 кВт. Терморегулятор имеет полную развязку от электросети и исключает попадание сетевого напряжение в емкость с водой, температура которой контролируется.
Точность поддержания температуры достаточно высока - отклонение допускается в пределах одного градуса. Еще одно достоинство - использование в конструкции широкодоступной элементной базы.
Принципиальная схема терморегулятора показана, на рисунке. Она содержит измерительный узел построенный на транзисторах VT1 и VT2 по схеме триггера Шмитта, исполнительное устройство на транзисторах VT3 и VT4 и на электромагнитном реле Р1, а также гальванически развязанный от сети источник питания на трансформаторе Т1.
Триггер Шмитта следит за сопротивлением терморезистора R1, а именно за напряжением, образованным делителем из резисторов R1, R3 и R2. Когда сопротивление резистора R1, уменьшаясь под действием температуры, проходит через нижний порог срабатывания триггера. Триггер своим выходным сигналом при помощи коммутирующего устройства выключает нагревательный элемент и нагрев
Рис. 8. Принципиальная схема терморегулятора
воды прекращается. Вода начинает остывать, и вместе с этим увеличивается сопротивление R1. Как только напряжение на R1, R3 превысит верхний порог срабатывания триггера, он переключится в противоположное состояние и при помощи коммутирующего устройства подаст питание на нагреватель. Затем, при нагревании воды весь процесс повторится. Таким образом, регулятор будет, периодически включая нагреватель поддерживать температуру воды, на заданном уровне. А этот уровень можно задать, изменяя сопротивление R3 включенное последовательно с терморезистором.
В эмиттерную цепь транзисторов VT1 и VT2, на которых построен триггер Шмитта, включен два диод VD2 который служит, для сужения петли гистерезиса триггера и способствуют более точному поддержанию температуры. Связь между транзисторами непосредственная, по этому открывание первого из них приводит к закрыванию второго и наоборот.
В то время когда открыт VT1 на его коллекторе небольшое напряжение и VT2 закрывается, а в результате по цепи R6 R9 напряжение поступает на базу транзистора VT3, который открывается и открывает транзистор VT4, на реле Р1 поступает ток и его контакты замыкаются подавая сетевое напряжение на нагреватель. При закрывании VT1 через цепь R4 R5 открывается транзистор VT2 и шунтирует базовую цепь VT3 на столько, что этот транзистор закрывается, а вслед за ним и VT4. Ток через обмотку реле прекращается, и оно размыкает свои контакты, выключая нагреватель.
Питается устройство от источника нестабилизированного напряжения 10 - 12В на трансформаторе Т1. В качестве трансформатора используется кадровый трансформатор ТВК110Л от старого черно-белого лампового телевизора (УЛППТ-61). При помощи омметра находят высокоомную обмотку, которая будет сетевой, а низкоомную используют как вторичную. Реле Р1 - автомобильное реле 3747.10 от переднеприводных “Жигулей”. Вместо него можно использовать любое другое реле, с обмоткой на 10 - 12В и с контактами, соответствующими мощности нагрузки. Автомобильное реле без подгорания контактов коммутирует нагрузку до 2 кВт.
Контакты Р1 могут управлять тринистором, включенным в диагональ диодного моста в цепи нагревателя Rн, или симистором (см. рис. 9 а, б ). Если удастся приобрести оптрон АОУ103В, можно вообще обойтись без реле. Примеры использования этого оптрона для коммутации цепи питания электронагревателя показаны, на (рис. 9, в и г ).
Рис. 9.
В процессе настройки нужно подобрать номинал R9 так чтобы реле надежно срабатывало и отпускало. В редких случаях требуется подбор и R4.
Температурный диапазон устанавливается резистором R2, а температура, которую нужно поддерживать - резистором R3.
В авторском варианте роль нагревательного элемента играет паяльник, на 100 Вт, погруженный в бутылку с широким горлышком (молочную на поллитра), заполненную речным песком. Горлышко бутылки должно возвышаться, на поверхностью воды, так чтобы вода в нее не попадала. К резистору R1 подпаяны провода, и затем он залит эпоксидной смолой (включая и места пайки) так чтобы он не имел электрического контакта с водой.
Технические данные терморегулятора:
напряжение питания - 220 вольт, 50 герц;
коммутируемая мощность активной нагрузки - 100 ватт;
дифференциал (время между включением и отключением нагрузки) - не более 0,5 секунды.
Рис. 10. Принципиальная электрическая схема терморегулятора.
Терморегуляторы далеко не всегда бывают в продаже, да и стоят они довольно дорого. Предлагаю сделать прибор самому. Схема его очень проста и надежна в работе. Все мои терморегуляторы собраны по такой схеме и работают уже в течение долгих лет.
Главным элементом схемы является микросхема DA1 - операционный усилитель, включенный в режим компаратора (рис. 10). Регулировка заданной температуры производится переменным резистором R2. Термодатчик R5 подключен к схеме через фильтр С1, R7 - для уменьшения наводок (он вынесен из схемы на 1 - 1,5 метра). Конденсатор С2 создает отрицательную обратную связь по переменному току. Сопротивление R9 выравнивает потенциалы катода и управляющего вывода при выключенном тиристоре.
Питание схемы осуществляется через параметрический стабилизатор на стабилитроне Д1. Конденсатор СЗ - фильтр по питанию. В связи с тем, что на балансном резисторе R10, выделяется некоторая мощность, желательно собрать его из двух-трех включенных параллельно резисторов соответствующих номиналов. Общее сопротивление R10 может быть от 20 до 30 кОм.
Большое достоинство данной схемы - отсутствие сетевого трансформатора, самого ненадежного элемента. Ведь терморегулятор подключен к сети круглосуточно, и перегрев или возгорание трансформатора чреваты большими неприятностями. Нагрузку включают в гнезда RH. Неоновая лампочка служит сигнализатором включения.
Работа схемы. Когда температура воды, а следовательно, и термодатчика, находящегося в ней, меньше заданного уровня (выставляется R2), напряжение на выводе 6 микросхемы DA1 близко к напряжению питания, тиристор Д2 открыт и обогреватель подключен к сети через диодный мостик ДЗ - Д6. Лампа Л1 горит. В процессе нагрева температура воды увеличивается, и как только она достигнет заданного уровня, микросхема переключится, и напряжение на ее выходе будет близко к нулю. Тиристор Д2 закрывается и отключает обогреватель от сети.
Конечно, желательно обогреватель помещать близко от распылителя. Термодатчик подключают к схеме экранированным проводом, помещенным в хлорвиниловую трубку (рис. 9). Экран подключают к общему проводу схемы. Если нет экранированного провода, то монтаж ведут двумя тонкими проводами, свитыми в жгут и помещенными в хлорвиниловую трубку Длина провода может быть 1 - 1,5 метра. На сам терморезистор, натягивают более толстую трубку и герметизируют с обоих концов герметиком (КЛТ - 30, ВГО - 1, КЛ - 4, “Спрут”, “Стык”, “Бизон”) Можно применять и эпоксидный клей.
При повторении схемы, возможно, придется подобрать резистор R8 для надежного открытия и закрытия тиристора Д2, так как все тиристоры имеют большой разброс по току включения.
Детали и их замена. В качестве микросхемы DA1 подойдет К140КД7, К140УД8, К153УД2.
Электролитические конденсаторы - любого типа Их номинал не критичен и может отличаться от указанного на схеме на 40 - 50 процентов Главное, чтобы напряжение их было выше напряжения питания (которое при использовании стабилитрона Д1 - Д814Д составляет около 12 вольт) в 1,5 - 2 раза.
Терморезистор R5 - типа ММТ-4 (допустима замена на любой другой с отрицательным ТКС), номинал его также не критичен и может быть от 10 до 50 кОм Главное, чтобы выполнялось условие R4 = R5, резисторы R6 и R7 могут быть от 4,7 до 47 кОм.
Стабилитрон Д814 с любым буквенным индексом. Тиристор Д2 можно заменить на КУ201Л, КУ202Л. Диоды ДЗ - Д6 - подойдут Д226Б, Д226В или диодный блок типа КЦ402, КЦ404, КЦ405 с буквенным индексом А, Б, В, Г, Ж, И.
Неоновая лампочка - любого типа Постоянные резисторы - тоже любого типа Мощность рассеивания R10 - 2 ватта.
Если предполагается использовать обогреватель мощностью более 100 ватт, необходимо применить более мощные диоды ДЗ - Д6. При этом тиристор и диоды придется установить на небольшие радиаторы.
Рис 11. Конструкция термодатчика
1 — экранированный провод, помещенный в хлорвиниловую трубку,
2—терморезистор в хлорвиниловой трубке,
3 — герметик или эпоксидный клей
Терморегулятор предназначен для поддержания заданной температуры жидкости (например, фотораствора, воды в аквариуме, воды в системе электрического водяного отопления), воздуха в теплице, в жилом помещении и пр.
Основой терморегулятора является триггер Шмитта, выполненный на логических элементах D1.1, D1.2 и резисторах R4, R5 (с его работой вы знакомы). На вход триггера, поступает напряжение с делителя R1, R2, RЗ. Датчиком температуры служит терморезистор RЗ. При увеличении температуры его сопротивление уменьшается и поданное на вход триггера, напряжение также уменьшается, что приводит к переключению триггера. При этом на его выходе (вывод 4 микросхемы) устанавливается напряжение низкого уровня, транзистор V2 и тринистор VЗ закрываются, нагреватель, подключенный к разъему Х1, обесточивается. Температура воздуха или жидкости начинает уменьшаться, и при некотором ее значении триггер вновь переключается, включается нагреватель. В процессе работы такие включения и выключения периодически повторяются.
Температуру, при которой происходит переключение триггера, устанавливают переменным резистором R1. Точность поддержания заданной температуры определяется в основном сопротивлением резистора R4. Дело в том, что с увеличением его сопротивления увеличивается разница между порогами переключения триггера, следовательно, уменьшается точность поддержания температуры. Однако использовать резистор меньше 10 кОм не следует.
Мощность нагревателя недолжна, превышать 200 Вт. Если мощность необходимо увеличить, следует подобрать тринистор VЗ и соответственно мощность выпрямителя V4. Так; для мощности нагревателя 2000 Вт потребуются тринистор КУ202М и диоды Д246 (4 шт.), которые включают по схеме выпрямительного моста. Тринистор и диоды придется установить на радиаторах с поверхностью охлаждения-300 см 2 (для тринистора) и 70 см 2 (для каждого диода).
Терморезистор RЗ может быть любого типа, например КМТ-1, КМТ-4, КМТ-12, МТ-6 и др.
Печатная плата терморегулятора показана, на рис. 84.
Он разработан группой ребят под руководством Сергея Овсенева и позволяет поддерживать заданную температуру в небольшом аквариуме с точностью до 2 °С
Чувствительным элементом термерегулятора (рис, 3} - датчиком температуры является терморезнстор R2. Он включен в делитель напряжения R1 - RЗ. Снимаемое с терморезистора постоянное напряжение поступает на усилитель постоянного тока, выполненный на транзисторах VI, V 2. Нагрузка усилителя - электромагннтиое реле К1, контакты которого включены в цепь электрического нагревателя (на схеме для простоты не показан).
Пока температура не достигла заданной, через обмотку реле протекает ток и нагреватель включен. При повышении температуры воды до определенного значений сопротивление датчика R2 уменьшается настолько, что реле отпускает и своими контактами отключает нагрепатель. Температуру срабатывания автомата устаиавлнвают подстроечным резистором RЗ.
Термореэистор может быть ММТ-1, ММТ-9, ММТ-13, КМТ-12 сопротивлением 1..10 кОм. Его покрывают тонким слоем эпоксидной смолы. Реле РЭС-15, паспорт РС4.591.003, пойдёт и РЭС-10, паспорт РС4.524.302 (в этом случае придется заменить стабилитрон Д814В на Д814Д и подобрать резистор R5 для обеспечения нужного тока срабатывания реле. Контакты применяемого реле рассчитаны на сравнительно небольшой ток коммутации, поэтому при использовании терморегулятора для аквариума с мощным иагревателем следует установить промежуточное реле и подключить его обмотку к источнику питания через контакты реле К1.
Большинство аквариумных термометров - это либо обычные спиртовые термометры, закрепляющиеся внутри аквариума, либо пластины с жидкокристаллическим дисплеем, крепящиеся к стеклу аквариума снаружи. Термометры первого типа имеют тенденцию открепляться - либо сами собой, либо при содействии чрезмерно любознательных рыб. Зато их можно переносить из одного аквариума в другой. Жидкокристаллические термометры отлепить от стекла аквариума не повредив очень сложно. Пластмассовые спиртовые термометры предпочтительнее, чем стеклянные, которые легко бьются и могут загрязнить аквариум спиртом.
Электронные термометры - это относительно недавнее нововведение. Некоторые из них дают сигнал тревоги, когда температура падает или поднимается за пределы заданных границ. Большинство таких термометров дороже обычных, но некоторые из них продаются по вполне разумной цене.
Степень точности аквариумных термометров, как известно, может быть разной. Лучше всего использовать два термометра и снимать согласованные показатели. Идеальный вариант - проверить точность термометра, сравнив его показания с лабораторным или каким-нибудь другим точным термометром, а впоследствии, снимая показания с аквариумного термометра, делать соответствующие поправки.
Выбор за вами, важно чтобы он был верным.