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I termostati convenzionali si basano su sensori di temperatura e dispositivi riscaldanti separati con mezzi di feedback tra di loro. Ma in alcune recenti idee di progettazione EDN (DI) abbiamo visto progetti di termostati che fondono le funzioni di sensore e riscaldatore in un unico dispositivo attivo (solitamente FET o BJT). Lo stratagemma può adattarsi meglio alle applicazioni in cui il carico termico previsto è fisicamente piccolo o presenta qualche altro capriccio geometrico che rende scomodo applicare il classico schema sensore/riscaldatore separato. Questo DI (vedere la figura) segue il concetto di fusione ma lo porta in una direzione leggermente diversa utilizzando filo di rame di diametro sottile (ad esempio, isolato in poliuretano da 40 AWG) come sensore di temperatura e riscaldatore integrati.
Ecco come funziona.
Termostato miniaturizzato che utilizza tempco e I2R riscaldamento di un filo di rame da 40 AWG come sensore/riscaldatore fuso.
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La resistenza e il coefficiente di temperatura di un filo di rame standard da 40 AWG a 25 oC sono generalmente specificati 1,07 Ω/piede E +0,393%/oC, rispettivamente. Perciò, l si può prevedere che piedi di 40 ga abbiano una resistenza approssimativa a una data temperatura T Di:
R(L,T) = 1,07 L(1 + 0,00393(T – 25)) (1)
R = 1,07 L + 0,00421 LT – 0,00421 L 25 (2)
T = (R – 1,07 L + 0,00421 L 25) / 0,00421 L (3)
T = (R – 0,965 L) / 0,00421 L (4)
L’equazione 4 è valida D/S = 0,965 Ω/piede a 0o fino a 1.6 Ω/piede a 155o (il limite di temperatura superiore consigliato per l’isolamento del filo in poliuretano saldabile).
Considerare le implicazioni per l’uso del filo di rame sottile come sensore di temperatura e riscaldatore combinato.
Se una lunghezza adeguata (tra 5 e 15 piedi) di filo viene inserita in un circuito di retroazione, guidando la corrente attraverso di esso in modo da dissipare abbastanza I2R riscaldamento per aumentare e mantenere una temperatura che crei una resistenza costante del filo preselezionata, allora detta temperatura, e la temperatura dell’eventuale carico termico ad essa legato termicamente, sarebbero parimenti costanti! Questo è esattamente ciò che fa il circuito in figura.
Lo scarico di Q1 fornisce il riscaldamento; corrente di riscaldamento I al filo del sensore/riscaldatore (ignorare per un momento il contributo minore della resistenza di avvio R2). La tensione indotta tra i terminali della resistenza del filo R è quindi:
V = È (5)
Ciò fa sì che la sorgente di corrente A1b, Q2 emetta:
I2 = V/(R4 + R7) = IR/(R4 + R7) (6)
Che induce una tensione sul pin 2 di A1b:
V2 = I2(R5 + R6) = IR(R5 + R6)/(R4 + R7) (7)
Nel frattempo, il resistore di campionamento R1 della corrente sorgente di Q1 (anch’esso uguale a I) produce:
V3 = IR1 (8)
L’amplificatore di controllo FET A1a forza la tensione di gate del FET e quindi la corrente di pilotaggio R in modo tale che:
V2 = V3 (9)
IR(R5 + R6)/(R4 + R7) = R1I(10)
R = R1(R4 + R7)/(R5 + R6) (11)
Pertanto, la corrente del riscaldatore, e quindi la resistenza e la temperatura del filo, sono forzate a valori di equilibrio stabiliti esclusivamente dai rapporti di resistenza elencati nell’Equazione 11, con la temperatura costante risultante data dall’Equazione 4.
Circa Q3. Il circuito del termostato deve essere il più flessibile possibile per quanto riguarda il calibro del filo, la lunghezza e la resistenza R del sensore/riscaldatore associata. Per consentire R < 10 Ω e la conseguente possibilità di valori di picco I potenzialmente dannosi, Q3 rimuove il comando del gate Q1 quando necessario e limita I a ~1,4 A sicuri.
Configurazione e calibrazione. Nell’ulteriore ricerca di flessibilità nel soddisfare la lunghezza del filo del sensore/riscaldatore e la R iniziale, si consiglia questa semplice procedura di calibrazione ogni volta che si sostituisce il filo.
- Prima della prima accensione, consentire al sensore/riscaldatore di equilibrarsi completamente alla temperatura ambiente.
- Impostare R4 e R5 completamente in senso antiorario.
- Premere e tenere premuto il pulsante CAL NC.
- Accendere l’alimentazione.
- Ruotare lentamente R4 in senso orario finché il LED non lampeggia per la prima volta.
- Rilascia CAL.
Fatto. R5 è ora “ragionevolmente ben” calibrato per un intervallo da 0 a 130 da CCW a CWoC sopra la temperatura ambiente
L’accoppiamento termico della lunghezza scelta del cavo del sensore/riscaldatore al carico termico desiderato (ad esempio, componente del circuito termostatato, provetta, piastra di Petri, ecc.) può essere effettuato avvolgendo un meandro di cavo attorno al carico e fissandolo con poliimmide nastro adesivo, silicone RTV o un adesivo simile resistente al calore.
E riguardo R2. Sebbene non sia significativo nel funzionamento stazionario del circuito, senza R2 il termostato potrebbe essere vulnerabile a un mancato avvio alla prima accensione e potrebbe semplicemente sembrare stupido. Indefinitamente. Non chiedermi come faccio a saperlo…
Il rapporto di Stephen Woodward con la rubrica DI dell’EDN risale a molto tempo fa. Dal suo primo contributo nel 1974 sono state accettate oltre 100 proposte.
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Il termostato post Hotwire: l’utilizzo di filo di rame sottile come sensore integrato e riscaldatore per il controllo della temperatura è apparso per la prima volta su EDN.
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