Σχεδίαση και κατασκευή θερμοστάτη

Σε παλιότερη ανάρτηση παρουσίασα ένα σύστημα ελέγχου θερμοκρασίας της αλκοολικής ζύμωσης. Στα πλαίσια αυτού του συστήματος είχα κατασκευάσει έναν ηλεκτρονικό θερμοστάτη για τον έλεγχο της αντλίας ανακυκοφορίας νερού. Σε αυτήν την δημοσίευση θα αναλύω λίγο περισσότερο αυτήν την κατασκευή. Να σημειώσω ότι οι γνώσεις μου στα ηλεκτρονικά κυκλώματα βρίσκονται λίγο πάνω από το βασικό επίπεδο.

Ο θερμοστάτης είναι κατασκευασμένος με βάση ένα σχέδιο που βρήκα στο διαδίκτυο, κάνοντάς του ορισμένες τροποποιήσεις για να έχει εφαρμογή στις θερμοκρασίες που έχουμε κατά την διαδικασία μιας οινοποίησης.

Το αρχικό σχέδιο στο οποίο βασίστηκα είναι αυτό που φαίνεται στο παρακάτω site.

http://www.escol.com.my/Projects/Project-03%28Thermostat-1%29/Proj-03.html

Το σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος είναι το εξής:

Η βασική του λειτουργεία είναι η εξής.

Ο αισθητήρας θερμοκρασίας (LM35) μετρά την θερμοκρασία του μούστου και παράγει στον ακροδέκτη (2) μια σταθερή τάση εξόδου. Η τάση εξόδου αυτή είναι ευθέως ανάλογη της μετρούμενης θερμοκρασίας. Ακόμη πιο συγκεκριμένα, για τον αισθητήρα LM35 ισχύει ότι η τάση του ακροδέκτη εξόδου είναι ίση με την μετρούμενη θερμοκρασία διαιρεμένη δια 100. Για παράδειγμα, εάν η μετρούμενη θερμοκρασία είναι 35oC τότε στον ακροδέκτη εξόδου 2 θα μετρήσουμε τάση 0,35V.

Το δεύτερο σημαντικό στοιχείο του κυκλώματος είναι ο ρυθμιστής τάση TL431. Το στοιχείο αυτό έχει το χαρακτηριστικό να παράγει μια σταθερή τάση στον ακροδέκτη Κ. Έχοντας βραχυκυκλωμένο τον ακροδέκτη R με τον K, όπως φαίνεται στο σχήμα, τότε η σταθερή παραγόμενη τάση εξόδου στον ακροδέκτη Κ είναι 2,495V. (στην πράξη και επειδή δεν βρήκα στην αγορά το TL431 χρησιμοποίησα έναν άλλο σταθεροποιητή τάσης του οποίου τον κωδικό δεν θυμάμαι. Η τάση εξόδου του στοιχείου αυτού ήταν 2,39V αντί για 2,495V)

Στη συνέχεια η τάση αυτή μπορεί να ρυθμιστεί περαιτέρω με μια σειρά αντιστάσεων η οποία στο παράδειγμα είναι η αντίσταση R3 και η ρυθμιζόμενη αντίσταση VR1. Η τάση που παράγεται από το TL431, και όπως αυτή ρυθμίζεται από τις εκάστοτε αντιστάσεις θα χρησιμοποιηθεί ως τάση αναφοράς για την ρύθμιση της επιθυμητής θερμοκρασίας. Στο παράδειγμα του σχήματος και για τις τιμές αντιστάσεων που αναφέρονται στο site απ’ όπου αυτό προέρχεται, έχουν χρησιμοποιηθεί τέτοιες αντιστάσεις ώστε η τιμή της τάσης που παίρνουμε μετά από την VR1 να είναι από 0V ~ 1,62V. Για εμάς αυτό αντιστοιχεί σε θερμοκρασίες από 0^oC~162^oC.

Ένα τρίτο στοιχείο του κυκλώματος είναι ο τελεστικός ενισχυτής LM358 που χρησιμοποιείται στη θέση του κυκλώματος Q3 του παραδείγματος. Η δουλεία του είναι να συγκρίνει συνεχώς την τάση που παράγεται από τον αισθητήρα θερμότητας και την τάση αναφοράς που εμείς έχουμε ρυθμίσει με τη βοήθεια της μεταβλητής αντίστασης VR1. Ο τελεστικός ενισχυτής συγκρίνει τάσεις. Για εμάς όμως είναι σαν να συγκρίνει θερμοκρασίες. Έτσι λοιπόν η τάση στον ακροδέκτη 2 που είναι η τάση του αισθητήριου της θερμότητας συγκρίνεται συνεχώς με την τάση στον ακροδέκτη 3 που είναι η τάση από την ρυθμιστική διάταξη που περιέγραψα πιο πάνω.

Αν η τάση στο 2 είναι μεγαλύτερη από την τάση στο 3 τότε ο ακροδέκτης 1 του LM358 δίνει ένα σήμα. Αν η τάση στο 2 είναι μικρότερή από την τάση στο 3 τότε ο ακροδέκτης 1 του LM358 δεν δίνει σήμα.

Το σήμα αυτό «οδηγεί» το τρανζίστορ Q1 που με τη σειρά του ανοίγει η κλείνει τις επαφές ενός ρελέ. Το ρελέ με τη σειρά του εκκινά ή σταματά την αντλία για την ανακυκλοφορία του νερού.

Τώρα, σε αυτό το κύκλωμα έκανα ορισμένες τροποποιήσεις για να φέρω την ρυθμιζόμενη τάση σε επίπεδα που να ανταποκρίνονται στις ανάγκες μια οινοποίησης. Δηλαδή ήθελα να περιορίσω το εύρος της ρύθμιση από τους 0-100oC που είναι τώρα στους 18oC-30oC. Έτσι θα έχω και μια καλύτερη απόκριση της ρυθμιζόμενης αντίστασης.

Για να το πετύχω αυτό χρησιμοποίησα μια αντίσταση ανάμεσα στην VR1 και το σημείο αναφοράς των 0V που φαίνεται στο σχήμα. Έτσι ακόμη και αν η VR1 πάρει την μικρότερη τιμή της, η τάση που θα στέλνουμε στον τελεστικό δεν θα είναι 0V ( = 0oC). Επίσης για να αλλάξω το άνω όριο της ρύθμισης που τώρα είναι 1,62V (=162oC) αύξησα την τιμή της R3 τόσο όσο η τάση στην έξοδο της να είναι 0,30V ( = 30oC).

Οι τιμές των αντιστάσεων που έχω χρησιμοποιήσει είναι

R3 = 35kΩ (προσοχή: τιμή διαφορετική από του παραδείγματος)

VR1 = 2kΩ (προσοχή: τιμή διαφορετική από του παραδείγματος)

Rmin = 3kΩ (η αντίσταση που έβαλα μεταξύ VR1 και 0V, δεν φαίνεται στο διάγραμμα)

Η αντίσταση R2 δημιουργεί μια υστέρηση έτσι ώστε όταν οι τάσεις (=θερμοκρασίες) που έχει να συγκρίνει ο τελεστικός LM358 είναι κοντά ή μια στην άλλη να μην ανοιγοκλείνει το ρελε (άρα η αντλία μας) χωρίς λόγο. Όσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση R2 τόσο μικρότερη είναι η υστέρηση. Για την εφαρμογή μου έχω χρησιμοποιήσει R2=3MΩ. Η τιμή αυτή μου έδωσε μια υστέρηση ίση με 2oC. Η λειτουργεία της αντίστασης R2 φαίνεται στο πιο κάτω σχήμα.

Τον τρόπο υπολογισμού της R2 μπορούμε να τον βρούμε από το εγχειρίδιο του LM358.

Παράδειγμα.

Έχω 100kg μούστο θερμοκρασίας 20oC. Θέλω η οινοποίηση μου να γίνει τους 28oC. Ρυθμίζω την τάση από το ρυθμιστικό VR1 στα 0,28V (=28oC). Ξεκινώντας η ζύμωση, η θερμοκρασία του μούστου θα αρχίσει να ανεβαίνει. Όταν αυτή ξεπεράσει τους 28oC θα ξεκινήσει η αντλία να δουλεύει. Ο μούστος θα αρχίσει να ψύχεται. Μόλις η θερμοκρασία του μούστου πέσει στους 26oC (28oC-2oC υστέρηση) η αντλία θα σταματήσει. Και ούτω καθ’ εξής.

Προσοχή . Το τροφοδοτικό που θα χρησιμοποιηθεί για την παροχή των 12V για να λειτουργήσει το κύκλωμα θα πρέπει να είναι καλής ποιότητας. Να μην είναι διακοπτικό αλλά με μετασχηματιστή (το καταλαβαίνουμε από το βάρος).

Παρατήρηση. Για δική μου ευκολία τοποθέτησα ένα βολτόμετρο ακριβείας σε συνδυασμό με ένα επιλογικό διακόπτη για να μετράω συνεχώς την τάση του αισθητήριου και την τάση ρύθμισης. Το βολτόμετρο που χρησιμοποίησα ήταν ένα φτηνό ψηφιακό βολτόμετρο με ακρίβεια τριών δεκαδικών ψηφίων. Έτσι όταν έβλεπα ότι έχω ρυθμίσει την τάση στα 0,185V τότε ήξερα ότι η θερμοκρασία στην οποία θα αρχίσει η ψύξη είναι 18,5oC. Κάποια μικρά προβλήματα και ασυνέχειες στις μετρήσεις ίσως οφείλονται στην χρήση του βολτομέτρου.

Υπολογισμός αντιστάσεων

Για να υπολογίσουμε τι αντιστάσεις θα χρειαστούμε, χρησιμοποιούμε τους παρακάτω τύπους.

Vref max = 2.495V * [VR1+Rmin / ( R3+VR1+Rmin)]

Vref min = 2.495V * [Rmin / ( R3+VR1+Rmin)]

2,495V να θυμίσω ότι είναι η σταθερή τάση που λαμβάνω από TL431.

Προσοχή χρειάζεται γιατί η αλλαγή της τιμής κάθε αντίστασής επηρεάζει και το άνω και το κάτω όριο των λαμβανόμενων τάσεων. Δηλαδή, μπορεί να έχω προσθέσει την αντίσταση Rmin στο κύκλωμα για να μην έχω ρύθμιση από τους 0oC, αλλά ταυτόχρονα η προσθήκη της αντίστασης αυτής επηρεάζει και την μέγιστη τιμή της λαμβανόμενης τάσης.

Ως κατασκευασθεί.

Για την κατασκευή του θερμοστάτη ξεκίνησα από το μηδέν. Σχεδίασα το σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος σε πρόγραμμα για ηλεκτρονικά κυκλώματα. Στο σχέδιο συμπεριέλαβα και υποδοχές κλεμες για τους ακροδέκτες του αισθητηριού, του βλτομέτρου, του ρελε και της τροφοδοσίας. Μετά σχεδίασα την πλάκέτα του κυκλώματος. Κατ’ όπιν με τη διαδικασία του ανεξίτηλου μαρκαδόρου πέρασα το σχέδιο της πλακέτας στην πλακέτα. Έκανα αποχάλκωση, άνοιξα τις οπές για την υποδοχή των ακροδεκτών και κόλλησα ένα ένα όλα τα στοιχεία του κυκλώματος. Την πλακέτα μαζί με όλα τα παρελκόμενα (βολτόμετρο, επιλογικός, ακροδέκτες ακροδέκτες τροφοδοσίας κλπ) σε ένα πλαστικό κουτί και έτοιμο. Επιδή στο εμπόριο δεν είχα βρεί το TL431 χρησιμοποίησα έναν άλλο σταθεροποιητή τάσης τον κωδικό του οποίου δεν τον θυμάμαι. Αυτή η αλλαγή είχε ως αποτέλεσμα η σταθερή παραγόμενη τάση να μην είναι 2,495V αλλά 2,39V.

Όλη την διαδικασία την έκανα για δημιουργική απασχόληση και μόνο. Για όποιον ενδιαφέρεται μπορεί να βρει στο διαδίκτυο έτοιμες λύσεις θερμοστατών με αισθητήρια θερμότητας, τροφοδοτικά κλπ που θα κοστίσουν λιγότερο και είμαι σίγουρος πως θα δουλεύουν καλυτέρα.