Термостат своими руками: Как сделать простой терморегулятор своими руками и подключить его? Инструкцию смотрите здесь!

alexxlab

Терморегулятор своими руками: инструкция по изготовлению

Среди разнообразных полезных штуковин, способных добавить комфорта в нашу жизнь, много таких, которые легко можно сделать самостоятельно.

В эту категорию входит и термостат, также называемый терморегулятором, — прибор, включающий и отключающий нагревательное или холодильное оборудование в соответствии с температурой среды, в которой он установлен.

Такое устройство может, к примеру, во время сильных холодов включать обогреватель в подвале, где хранятся овощи. Из нашей статьи вы узнаете о том, как можно сделать терморегулятор своими руками (для котла отопления, холодильника и других систем) и какие детали подходят для этого лучше всего.

Содержание

  • 1 Простой терморегулятор своими руками — схема
  • 2 Детали устройства регулятора температуры своими руками
  • 3 Электропитание терморегулятора
  • 4 Включение нагрузки
  • 5 Как сделать терморегулятор своими руками: пошаговая инструкция
  • 6 Каким должен быть нагреватель?
  • 7 Монтаж
  • 8 Настройка терморегулятора
  • 9 Видео на тему

Простой терморегулятор своими руками — схема

Устройство термостата особой сложностью не отличается, поэтому многие начинающие радиолюбители оттачивают на изготовлении этого прибора свое мастерство. Схемы предлагаются самые разные, но наибольшее распространение получил вариант с применением особой микросхемы, называемой компаратором.

У этого элемента есть два входа и один выход. На один вход подается некое эталонное напряжение, которое соответствует требуемой температуре, а на второй – напряжение от термодатчика.

Схема терморегулятора для теплых полов

Компаратор сравнивает поступающие данные и при определенном их соотношении генерирует на выходе сигнал, открывающий транзистор или включающий реле. При этом подается ток на нагреватель или холодильный агрегат.

Детали устройства регулятора температуры своими руками

В роли датчика температуры обычно выступает терморезистор – элемент, электрическое сопротивление которого меняется в зависимости от температуры. Используют и полупроводниковые элементы – транзисторы и диоды, на характеристики которых температура также оказывает влияние: при нагреве увеличивается ток коллектора (у транзисторов), при этом наблюдается смещение рабочей точки и транзистор перестает работать, не реагируя на входной сигнал.

Но у таких сенсоров есть существенный недостаток: их довольно сложно откалибровать, то есть «привязать» к определенным значениям температуры, из-за чего точность самодельного терморегулятора оставляет желать лучшего.

Между тем промышленность давно освоила выпуск недорогих термодатчиков, калибровка которых осуществляется в процессе изготовления.

К таковым относится прибор марки LM335 от компании National Semiconductor, которым мы и рекомендуем воспользоваться. Стоимость этого аналогового термодатчика составляет всего 1 доллар.

«Тройка» на первой позиции цифрового ряда в маркировке означает, что прибор ориентирован на применение в бытовой технике. Модификации LM235 и LM135 предназначены для использования, соответственно, в промышленности и в военной сфере.

Имея в своем составе 16 транзисторов, этот датчик работает как стабилитрон. При этом его напряжение стабилизации зависит от температуры.

Зависимость следующая: на каждый градус по абсолютной шкале (по Кельвину) приходится 0,01 В напряжения, то есть при нуле по Цельсию (273 по Кельвину) напряжение стабилизации на выходе составит 2,73 В. Производитель калибрует датчик по температуре в 25С (298К). Рабочий диапазон лежит в пределах от -40 до +100 градусов Цельсия.

Таким образом, собирая терморегулятор на базе LM335, пользователь избавляется от необходимости подбирать методом проб и ошибок эталонное напряжение, при котором прибор обеспечит требуемую температуру.

Его можно рассчитать, используя несложную формулу:

V = (273 + T) x 0.01,

Где Т – интересующая пользователя температура по шкале Цельсия.

Помимо термодатчика нам понадобится компаратор (подойдет марки LM311 от того же производителя), потенциометр для формирования эталонного напряжения (настройка требуемой температуры), выходное устройство для подключения нагрузки (реле), индикаторы и блок питания.

Электропитание терморегулятора

Температурный датчик LM335 подключается последовательно с резистором R1. Так вот, сопротивление этого резистора и напряжение питания должны быть подобраны таким образом, чтобы величина протекающего через термодатчик тока находилась в пределах от 0,45 до 5 мА.

Превышать максимальное значение этого диапазона не следует, так как характеристики сенсора будут искажаться из-за перегрева.

Запитать терморегулятор можно от стандартного блока питания на 12 В либо от изготовленного собственными силами трансформатора.

Включение нагрузки

В качестве исполнительного устройства, подающего питание на нагреватель, можно применить автомобильное реле. Оно рассчитано на напряжение в 12 В, при этом через катушку должен протекать ток в 100 мА.

Напомним, что ток в цепи термодатчика не превышает 5 мА, поэтому для подключения реле нужно применить транзистор с большей мощностью, например, КТ814.

Можно применить реле с меньшим током включения, такое как SRA-12VDC-L или SRD-12VDC-SL-C – тогда транзистор не понадобится.

Как сделать терморегулятор своими руками: пошаговая инструкция

Рассмотрим, как изготавливаются терморегуляторы (термореле) с датчиком температуры воздуха своими руками на 12 В. Сборка прибора осуществляется в такой последовательности:

  1. Прежде всего, нужно подготовить корпус. Подойдет отслуживший свое счетчик, например, «Гранит-1».
  2. Схему можно собрать на плате от того же счетчика. К прямому входу компаратора (помечен знаком «+») подключается потенциометр, позволяющий задавать температуру. К инверсному входу (знак «-») – термодатчик LM335. Если напряжение на прямом входе окажется более высоким, чем на инверсном, на выходе компаратора установится высокий уровень (единица) и транзистор подаст питание на реле, а оно — на нагреватель. Как только напряжение на инверсном входе окажется большим, чем на прямом, уровень на выходе компаратора станет низким (ноль) и реле отключится.
  3. Чтобы обеспечить перепад температур, то есть срабатывание терморегулятора, к примеру, при 23-х градусах, а отключение – при 25-ти, необходимо при помощи резистора создать отрицательную обратную связь между выходом и прямым входом компаратора.
  4. Трансформатор для питания терморегулятора можно изготовить из катушки от старого электросчетчика индукционного типа. На ней имеется место для вторичной обмотки. Чтобы получить напряжение в 12 В, необходимо намотать 540 витков. Их удастся уместить, если использовать провод диаметром 0,4 мм.

Простой самодельный термостат

Для включения нагревателя удобно использовать клеммник счетчика.

Каким должен быть нагреватель?

Мощность нагревателя зависит от того, какой ток могут выдержать контакты используемого реле. Если это значение составляет, к примеру, 30 А (на такой ток рассчитано автомобильное реле), то обогреватель может иметь мощность до 30 х 220 = 6,6 кВт. Только необходимо сначала убедиться, что проводка и автомат в щитке способны выдержать такую нагрузку.

Монтаж

Рассмотрим, как правильно должен быть установлен прибор.

Терморегулятор следует устанавливать в нижней части помещения, где скапливается холодный воздух.

При этом важно предотвратить воздействие тепловых помех, которые могут сбить прибор с толку.

Так, например, не стоит размещать терморегулятор на сквозняке или вблизи электрооборудования, излучающего тепло.

Настройка терморегулятора

Как уже говорилось, терморегулятор на базе датчика LM335 в настройке не нуждается. Достаточно знать напряжение, подаваемое потенциометром на прямой вход компаратора.

Измерить его можно при помощи вольтметра. Необходимое значение напряжения определяется по приведенной выше формуле.

Если нужно, к примеру, чтобы прибор срабатывал при температуре в 20 градусов, оно должно составлять 2,93 В.

Если в качестве термодатчика применяется какой-либо иной элемент, эталонное напряжение придется проверять опытным путем. Для этого необходимо воспользоваться цифровым термометром, например, ТМ-902С. Для точности настройки датчики термометра и терморегулятора можно соединить посредством изоленты, после чего их помещают в среду с различной температурой.

Терморегулятор из подручных материалов

Ручку потенциометра нужно плавно вращать, пока терморегулятор не сработает. В этот момент следует посмотреть на шкалу цифрового термометра и отображаемую на ней температуру нанести на шкалу терморегулятора. Можно определить крайние точки, например, для температуры в 8 и 40 градусов, а промежуточные значения отметить, разделив диапазон на равные части.

Если цифрового термометра под рукой не оказалось, крайние точки можно определять по воде с плавающим в ней льдом (0 градусов) или по кипящей воде (100 градусов).

Видео на тему

  • Предыдущая записьМасляные радиаторы отопления электрические: обзор видов и советы по выбору
  • Следующая записьТерморегулятор для инкубатора своими руками: описание схемы простейшей конструкции

Adblock
detector

Электронный аналоговый термостат своими руками

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.

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.

Самодельный термостат с Raspberry Pi

Я сделал термостат с помощью Raspberry Pi. Он стоит около 100 долларов, отлично работает и выглядит ужасно. Я многому научился и беспокоил многих людей тем, что слишком много говорил об этом.

Но почему?

Моя квартира хороша, но есть кое-что, что мне в ней не нравится: кондиционер и отопление слишком громкие (открытые воздуховоды плохо справляются с шумом). Кроме того, термостат часто включается и выключается с циклами, которые обычно составляют около 10 минут. Это означает, что просмотр фильма летом вызывает разочарование и требует регулировки громкости примерно каждые 5 минут.

Я искал способ изменить температурный допуск термостата, потому что мне не нужно, чтобы температура всегда была в пределах +/-0,5°F от установленной температуры, но это не было регулируемым. Я думал о покупке умного термостата, но они дорогие.

Таким образом, я вошел в поток мыслей, который начался с «а что, если я просто сделаю это сам?» и закончилось тем, что я сделал это сам.

Этап исследования

Я начал с предположения, что могу использовать Raspberry Pi в качестве основного контроллера для моего термостата. Они дешевы (менее 50 долларов, включая аксессуары), в более новых моделях есть встроенный Wi-Fi и очень удобные контакты GPIO, которые идеально подходят для взаимодействия с другой электроникой. Итак, план состоял в том, чтобы Raspberry Pi с веб-интерфейсом для управления делал… что-то, что позволяло бы вести себя как термостат.

Первый вопрос: как Pi узнает температуру? У меня было несколько датчиков DHT11, но они имеют точность 2 ° C (3,6 ° F), что недостаточно точно для использования в термостате. DHT22, с другой стороны, имеет точность 0,5 ° C (0,9 ° F), что, вероятно, хорошо. Я также рассматривал SCD30, который измеряет температуру, влажность и уровни CO 2 (круто, правда?), но он намного дороже. В итоге остановился на DHT22.

Следующий вопрос: как мы можем управлять термостатом с Pi? Оказывается, это довольно просто. Здесь есть хорошее подробное объяснение, но вот краткое изложение: есть куча управляющих проводов, которые идут от блока HVAC к вашему настенному термостату. Простейшее устройство — обогреватель — имеет два провода, R и W. Если вы соедините провод R с проводом W, включится обогрев. Если в устройстве есть и переменный ток, и тепло, у него также будет провод Y, и соединение провода R с проводом Y включает переменный ток. По сути, это просто «подключить этот провод к тому проводу», а какие провода подключать, зависит от вашего блока HVAC. Это означает, что реле — это способ управления (причина, по которой вы можете услышать, как ваш термостат «щелкает»).

Чтобы выяснить, как взаимодействовать с управляющими проводами, я проверил мультиметром термостат, который у меня уже был. Оказывается, моя конкретная система немного странная; у него нет соединения с нагревательным проводом (W), но вместо этого единственными проводными соединениями были AUX (дополнительный нагрев), Y (компрессор), G (вентилятор), O (реверсивный клапан теплового насоса), R (24 В переменного тока), и С (мощность). Мне не нужен дополнительный нагрев, а C для постоянного питания (24 В переменного тока), которое мне тоже не нужно, потому что проще было просто подключить Pi к стене, чтобы запитать его. В конце концов, я нашел то, что мне нужно было знать: включение переменного тока означает соединение проводов R, Y, G и O вместе. Включение нагрева означает подключение проводов R, Y и G (но не O). Включение только вентилятора осуществляется подключением R и G. Короче говоря, включите компрессор и вентилятор для получения тепла. Также включите реверсивный клапан теплового насоса, если вместо этого вы хотите использовать переменный ток.

Вооружившись знаниями о том, какое переключение мне потребуется, я поискал реле и остановился на 4-канальном релейном модуле SainSmart (10 долларов США). Этим можно управлять непосредственно с контактов Pi GPIO. Это активный низкий уровень, поэтому подключение выходного контакта от Pi к релейному модулю будет включать реле, если выходной контакт был низким, и выключать его, если он был высоким. Немного запутанно, но это нормально.

Сборка

Я купил необходимые детали:

  • Модель Raspberry Pi 3 B+ (35 долларов США)
  • 5 В 2,5 А Настенная бородавка MicroUSB (7,50 долл. США)
  • Любая приличная SD-карта ($10)
  • DHT22/AM2302 (10 долларов США за 2 упаковки)
  • 4-канальный релейный модуль (10 долларов США)
  • Макетная плата, перемычки, мультиметр, разное. барахло от Sparkfun ($20-30)
  • Брелок Pro 5 В, 16 МГц (10 долларов США)
  • Итого: примерно 100 долларов США

Сначала я попытался считать значения с датчика температуры напрямую с Pi. К сожалению, мне с этим не повезло. Чтение с этих датчиков требует синхронизации с микросекундной точностью, а поскольку Linux не является ОС реального времени, это было слишком подвержено ошибкам, чтобы быть надежным. Вместо этого я купил Pro Trinket за 10 долларов, крошечную и дешевую плату Arduino. Это излишне для того, что он на самом деле делает, но он работает. Trinket подключен к DHT22, постоянно считывает значения температуры/влажности и записывает их по последовательному интерфейсу (UART) в Pi.

Таким образом, Pi требовалось всего несколько подключений:

  • 5V и GND подключения к Trinket и релейному модулю
  • Соединения TX/RX UART с Trinket
  • Соединения GPIO с входами релейной платы (контакты 4, 17 и 27 GPIO)

Я также использовал сплошной медный провод 18AWG для подключения реле к настенному жгуту проводов. Я выбрал 18AWG, потому что контакты существующего термостата имели диаметр около 1 мм, поэтому 18AWG лучше всего подходит для настенной розетки. Я соединил все общие клеммы реле вместе с гнездом провода R. Затем я подключил разъемы Y, G и O к нормально разомкнутым (НО) клеммам реле 1, 2 и 3 соответственно.

После некоторого макетирования (и большого количества проб и ошибок) аппаратная часть готова (если не особенно хороша)!

Программное обеспечение

Вы можете увидеть весь проект здесь (простите за отсутствие полировки).

Термостату нужен какой-то интерфейс управления, и я выбрал веб-интерфейс. Это проще и дешевле, чем разводка кнопок и экрана, плюс иногда не хочется вставать, чтобы поменять температуру. Для этого я использовал простой веб-сервер Go. У этого проекта есть одна зависимость: Chart.js, которую я использую для отображения графика температуры и влажности за последние 24 часа или около того. Все остальное — стандартная библиотека Go и обычный старый HTML/CSS/JS. Помимо красивого графика, есть несколько основных параметров управления: минимальная и максимальная температура, возможность всегда включать вентилятор, опция включения/выключения и настройка минимального времени между состояниями переключения (полезно для тестирования).

На самом деле программное обеспечение термостата состоит из трех серверов. Одним из них является контроллер коммутатора, который предоставляет REST API для настройки состояния HVAC (например, POST/cool для включения кондиционера). Другой — сервер датчиков, который возвращает последние данные датчиков в формате JSON. Последним и самым большим является сервер управления, который обслуживает веб-интерфейс, управляет настройками и решает, когда включать и выключать кондиционер/обогрев/вентилятор.

Этот микросервисный подход может показаться излишним, но он был чрезвычайно полезен при тестировании — я мог работать с интерфейсом управления со своего рабочего стола, сохраняя при этом возможность считывать фактические данные датчиков и управлять фактическими переключателями. Кроме того, он оставляет возможность для отдельных компонентов. Было бы довольно легко установить несколько датчиков температуры в разных комнатах или запустить сервер управления на устройстве, которое не прикреплено к стене.

Программное обеспечение также позволяет компенсировать низкое разрешение датчика температуры (0,1°C/0,18°F). Например, если фактическая температура находится в диапазоне от 22,1 до 22,2°C, датчик будет попеременно показывать значения 22,1 и 22,2. Выполнение некоторого базового усреднения по времени позволяет нам получить более точную меру. Вы также можете использовать влажность для настройки целевой температуры или получать данные о погоде из Интернета и делать… что-то… на их основе. Возможности безграничны.

Следующие шаги

Этот термостат запущен и работает хорошо! Графика симпатичная, управление простое и удобное. Но, очевидно, есть место для улучшения, особенно с точки зрения внешнего вида. Если бы я действительно хотел ускорить процесс, я бы вместо этого переключился на Raspberry Pi Zero, распечатал специальную печатную плату и упаковал все это в корпус, напечатанный на 3D-принтере. Наверное, это будет здорово смотреться! Но это также будет много работы.

Это был забавный проект, и мне нравится мой термостат намного больше, чем обычный умный термостат. К тому же это было дешевле — сравнимо с обычным тупым термостатом, если не считать потраченного времени. Однако до сих пор не принято решение о том, будет ли это хорошим началом разговора.

Выберите и установите термостат

Главная страница