На данную публикацию меня подтолкнула давняя проблема, которая более шести лет была законсервирована для меня и связана со стабильностью работы терморегуляторов для инкубаторов (в основном бытовых и фермерских вместимостью до 700 яиц). Изначально я ее не усек сразу при лабораторных испытаниях, она всплыла только при эксплуатации на реальном объекте. Проблема выражалась в том, что поддерживаемая температура «ползла» вверх и вниз по необъяснимым для начала причинам. Временно от этой проблемы я ушел, применив микроконтроллеры со специально написанными программами, которые сглаживали проблему. Но очень много заказчиков хотели боле дешевый и простой терморегулятор, и мне пришлось вернуться к аналоговым терморегуляторам. В этом году провел целый ряд испытаний и экспериментов, результаты которых легли в основу своеобразного отчета за проделанную работу. Что из этого получилось, судите сами.
Дребезг в коммутации нагревателя инкубатора
Весь сыр-бор загорелся еще 6 лет назад по одной банальной причине. По заявке одного моего знакомого изготовил блок электроники для его самодельного инкубатора (корпус на 600 яиц, изготовленный по публикации в журнале «Моделист-Конструктор» 80-х годов). Когда испытывал терморегулятор своей разработки (она представляет упрощенный вариант схемы инкубатора А100Б, размещенного на данном сайте) и контрольный, сделанный по схеме (простейший терморегулятор на одном ОУ), похожую на том же сайте, то заметил что температура в камере «плывет» по непонятным для начала мне причинам. Когда начал «копать» поглубже то оказалась, что и температура в помещении тоже оказывает влияние на поддерживаемую температуру в камере. Примерная динамика диаграммы поддержки температуры приведена на рис.1.
Рис. 1. Примерная динамика поддержки средней температуры в камере на протяжении суток.
Но на этом проблема еще не закончилась, к ней добавилась и нестабильная коммутация нагревателя, в особенности для симистора с оптронным управлением. Если выразить в форме временной диаграммы, то на представлена на рис. 2. И вся фишка заключается в том, у себя настройка и наладка идет безукоризненно, а на объекте в реальных условиях идет сплошная чехарда.
Рис. 2. Диаграмма формы коммутации нагревателя.
Естественно, у меня появилось любопытство, азарт и упрямство (все вместе) чтобы выявить причину и как это устранить. В качестве отправной точки была выбрана схема канала сухого термометра от инкубатора А100Б с оптронным управлением симистора.
Для того, кто или что является виновником, пришлось сделать ряд экспериментов по отношению электронной схеме. Первыми под подозрение попали радиодетали с большим тепловым коэфициентом: ТКН стабилитрона, тепловой дрейф ОУ и компараторов. После их замены на более термостабильные, например стабилитрон КС162А или Д814Б на КС191Ф (или Д818Е) для блока термодатчика, эффект «ползания» уменьшился. Приемлемый результат дало и замена ОУ общего применения на прецизионные ОУ с малым тепловым дрейфом, но их вклад оказался меньше чем у стабилитронов. Много хлопот доставило мне то, что не все прецизионные ОУ работают хорошо при пониженном напряжении питания, особенно однополярное. Поэтому я принял решение оставить малошумящие ОУ общего назначения, пригодные для однополярного напряжения.
Далее них взялся за анализ характеристик переменных и подстроечных резисторов, очень часто они являются «гнилым» звеном в любой радиоаппаратуре. Подстроечники типа СП3-38 были отброшены сразу из-за низкой электрической и механической надежности. Приемлемый результат дали подстроечники типа СП4-1, которые широко применяются в измерительной аппаратуре. Отличные результаты дали многооборотные проволочные резисторы типа СП5-2, именно они вели себя стабильно при настройке канала сухого термометра. Та же судьба постигла и переменные резисторы для установки поддерживаемой температуры, заменив на ППБ-1 или ППВ-1 (с негерметичным и герметическим корпусом). Кроме того, внес поправки в саму схему компаратора канала:
1. В сам компаратор ввел дополнительную цепь ПОС, которая дала гистерезис примерно +/- 0,1 градусов;
2. Ограничил пределы регулировки температуры, в пределах 36,5…39,5 градусов, путем введения ограничивающих резисторов R1 и R3 (см. рис.3).
Рис. 3. Фрагмент схемы коммутирующей части терморегулятора.
Постоянные резисторы тоже не остались без внимания, заменил на ОМЛТ (более древние) и С2-33 (то же самое, но военный вариант).
После замены подозреваемых радиоэлементов на «вояковские» прецизионные аналоги (микросхемы, диоды, резисторы и пр.), многое встало на свои места. Для комнаты, где температура меняется +/- 1…2 градуса этот эффект «ползания» температуры в камере заметно ослаб. Но для ситуации, когда инкубатор ставил в неотапливаемый сарай, то температура опять начинала «ползти» в зависимости от времени суток (это было весной, когда перепады температуры доходили до 10…12 градусов, днем до +10, ночью -1…+1 градус), на примерную динамику поддержки можно взглянуть еще раз на рис.1. Как видно из выше упомянутого, для колебаний окружающей температуры принятые меры частично решают вопрос, чего не скажешь для более больших перепадов температуры. В связи с этим я на форуме сайта выставил вопрос как можно решить получше эту проблему. В качестве оригинального решения пользователь под именем Diawest предложил встроить всю электронику управления в стенку инкубатора, где есть тепловой контакт с внутренней камерой. В итоге вся электроника находится в режиме постоянной температуры и вопрос можно снять с повестки дня, но есть и уточнение. Надо предусмотреть некоторый запас радиоэлементов по надежности для работы при более высокой температуре, чем комнатная, то есть предусмотреть менее нагруженный режим для силовых элементов.
В качестве альтернативы я могу предложить применение термо-компенсированный делитель напряжения, где пороговое напряжение сравнения уменьшается при росте температуры (при положительном ТКС переменного резистора, рис. 4а) или растет (при отрицательном ТКС переменного резистора, рис. 4б). В схеме предусмотрено применение терморезистора с отрицательным ТКС. К величайшему сожалению пока не успел довести этот эксперимент до конца, поэтому номиналы резисторов не приводятся.
Рис. 4. Варианты термокомперсированного делителя напряжения.
Помимо этой проблемы стоит и вторая проблема и довольно коварная, это помехи по сети электроснабжения: от электродвигателей, от сварочных аппаратов, плохое заземление и т. д. Это выражалось самопроизвольном включении симистора, когда на оптрон управления подана команда «Выключен» (светодиод управляющего оптрона выключен). Внешне это выглядело так: индикатор нагрева погашен, а температура в камере то растет, то падает. Когда всмотрелся более внимательно на индикатор нагрева, то заметил хаотичные вспышки с очень короткой длительностью. После того как зашунтировал резистором в 3…3,3 кОм цепь коллектора, то проблема исчезла полностью (см. рис.5). В случае применения силового реле для управления нагревателем то данное явление не заметно, всплывает только при очень больших помехах по сети.
Рис. 5. Фрагмент схемы коммутирующей части терморегулятора с доработкой.
Ну и сейчас поближе к эффекту дребезга коммутации. Это тоже связанно с помехами по сети. В большинстве простых терморегуляторов в качестве термодатчика применяют термисторы (полупроводниковые терморезисторы с отрицательным ТКС), у которых падение напряжения на них составляет порядка 30…40 мВ на 1 градус, компараторы (или ОУ в режиме компаратора) имеют погрешность срабатывания 0,5…3 мВ при перепаде в 10…15 градусов, кроме того стоит добавить и шумы в них, особенно для ширпотребовский вариант ОУ. И при оперировании на малых разностях напряжения наложение шумов вполне реально может вызвать дребезг коммутации, особенно для компараторов без гистерезиса. Для борьбы с ними я применил следующие приемы:
1. Ставил ФНЧ между измерительным мостом и входом компаратора (рис. 5).
2. Увеличивал ширину петли гистерезиса компаратора.
3. Применил задержку включения симистора (или силового реле) от 0,05 до 0,4 секунды при получении команды включения/включения нагревателя аналоговым способом (рис. 6 и рис. 7)
4. То же самое цифровым способом (рис. 8)
Рис. 5. Введение ФНЧ между измерительным мостом и компаратором.
Для первого варианта (введенная доработка обведена прерывистой линией) результат был мало ощутим, устранял помехи только от маломощных потребителей (электрофен, электробритва). При более мощных потребителей, например пылесос или «болгарка» данное решение меня не спасало. Применение второго способа (уменьшение номинала сопротивления R5 на рис. 5) давало компромиссное решение: либо точность поддерживания, либо более большой перепад температуры при тепловом равновесии в камере (до +/- 0,2 градуса).
Далее, третий способ перенят от цифровой техники, где задержку формируют пропуская сигнал через несколько пороговых элементов (рис. 6). В качестве порогового элемента применил сдвоенный компаратор LM393 с ПОС для первого компаратора.
Рис. 6. Фрагмент схемы задержки включение/выключение нагревателя аналоговым способом на компараторе.
По этому вопросу на форуме пользователь под именем Diawest предложил свой вариант решения (рис. 7), где в качестве пороговых элементов применены обычные логические элементы 2И-НЕ типа К561ЛА7. Это является очень удачным решением: и дешевая микросхема и поменьше «рассыпухи» (дискретных элементов). Большое ему спасибо.
Рис. 7. Фрагмент схемы задержки включение/выключение нагревателя аналоговым способом на микросхеме К561ЛА7.
И наконец в последнем, четвертом способе применил тактику обслуживания клавиатуры ввода для микропроцессорных систем, где данные считываются с задержкой. В моем решении все сводится к записи в D-триггер состояния выхода компаратора с периодом 0,05 …0,4 секунд. В данном решении я воспользовался свойством триггера, где маловероятно что фронт записи совпадет с фронтом импульса помехи, где даже в случае очень конкретной помехи нагреватель будет «передергиваться» всего лишь 2-3 раза секунду. В качестве побочного эффекта я заполучил более крутой фронт коммутации для симистора, который нельзя получить на выходе обычных аналоговых компараторов.
Рис. 8. Фрагмент схемы задержки включение/выключение нагревателя на D-триггере.
В процессе обкатки третий и четвертый способы (рис.6, 7 и 8) дали более стабильные результаты при более высоком уровне помех в сети. Из всех испытанных схем меня устроил четвертый вариант, где количество дополнительных радиодеталей чуть меньше по сравнению с третьим вариантом (рис.6 и 7), более того, он хорошо совмещается (стыкуется) с времязадающей схемой для механизма поворота лотков. Для пущей надежности можно добавить ФНЧ на входе компаратора (рис. 5).
Иными словами проблему решил, но ценой применения дополнительных радиодеталей. Как говориться: «Джентельмен всегда за что-то платит». Но тем не менее тему оставляю открытой, в надежде что кто-то из читателей продолжит ее, буду признателен любым дельным замечаниям и предложениям.
И еще пару сведений для размышления об бытовых инкубаторах и не только. При испытаниях заметил, что очень большое влияние имеет соотношение [объем камеры]/[мощность нагревателя]. При большей мощности нагревателя динамика изменения температуры в камере более крутая и компаратор срабатывает более отчетливо, но величина перепада температур более высокий (доходит до +/- 0,4 градуса для камер с внутренними габаритами 950х750х650 мм), при меньшей мощности нагревателя перепад температуры получался поменьше, но время вхождения в режим теплового равновесия более длинее плюс все анормальные поведения упомянутые выше. Еще стоит учитывать инерционность контрольного ртутного термометра по сравнению с электронным на принятие решений. У меня был такой случай при испытании камеры инкубатора «Универсал-55» (это промышленный инкубатор на 15000 яиц). Электронный термометр фиксировал кратковременные всплески температуры +/- 0,5 градуса на протяжении 10…15 секунд, потом температура удерживалась на среднем уровне +/- 0,15…0,2 градуса. При этом ртутный термометр показывал перепад всего +/-0,1 градус.
В конечном итоге вся предыстория закончилась тем, что следующий терморегулятор был выполнен на микроконтроллере, где многие проблемы я решил программно-аппаратным способом. Но многие клиенты настояли на более дешевом терморегуляторе и мне пришлось вернуться к аналоговым терморегуляторам, где пришлось добавить и определенный сервис. В результате чего и вышла публикация про инкубатор-автомат А100Б. Сейчас продолжаю разработки на микроконтроллерах с учетом особенностей как и бытовых инкубаторов, так и промышленных (каждый уникален по своему). Это связано с тем, что одни и те же приемы реализации алгоритма управления пригодны для бытовых, но мало пригодны для фермерских либо промышленных инкубаторов и наоборот.
С. Тинкован, г. Кишинев, Молдова
вот самоя простая коммутация
Дребезг в коммутации нагревателя инкубатора
Весь сыр-бор загорелся еще 6 лет назад по одной банальной причине. По заявке одного моего знакомого изготовил блок электроники для его самодельного инкубатора (корпус на 600 яиц, изготовленный по публикации в журнале «Моделист-Конструктор» 80-х годов). Когда испытывал терморегулятор своей разработки (она представляет упрощенный вариант схемы инкубатора А100Б, размещенного на данном сайте) и контрольный, сделанный по схеме (простейший терморегулятор на одном ОУ), похожую на том же сайте, то заметил что температура в камере «плывет» по непонятным для начала мне причинам. Когда начал «копать» поглубже то оказалась, что и температура в помещении тоже оказывает влияние на поддерживаемую температуру в камере. Примерная динамика диаграммы поддержки температуры приведена на рис.1.
Рис. 1. Примерная динамика поддержки средней температуры в камере на протяжении суток.
Но на этом проблема еще не закончилась, к ней добавилась и нестабильная коммутация нагревателя, в особенности для симистора с оптронным управлением. Если выразить в форме временной диаграммы, то на представлена на рис. 2. И вся фишка заключается в том, у себя настройка и наладка идет безукоризненно, а на объекте в реальных условиях идет сплошная чехарда.
Рис. 2. Диаграмма формы коммутации нагревателя.
Естественно, у меня появилось любопытство, азарт и упрямство (все вместе) чтобы выявить причину и как это устранить. В качестве отправной точки была выбрана схема канала сухого термометра от инкубатора А100Б с оптронным управлением симистора.
Для того, кто или что является виновником, пришлось сделать ряд экспериментов по отношению электронной схеме. Первыми под подозрение попали радиодетали с большим тепловым коэфициентом: ТКН стабилитрона, тепловой дрейф ОУ и компараторов. После их замены на более термостабильные, например стабилитрон КС162А или Д814Б на КС191Ф (или Д818Е) для блока термодатчика, эффект «ползания» уменьшился. Приемлемый результат дало и замена ОУ общего применения на прецизионные ОУ с малым тепловым дрейфом, но их вклад оказался меньше чем у стабилитронов. Много хлопот доставило мне то, что не все прецизионные ОУ работают хорошо при пониженном напряжении питания, особенно однополярное. Поэтому я принял решение оставить малошумящие ОУ общего назначения, пригодные для однополярного напряжения.
Далее них взялся за анализ характеристик переменных и подстроечных резисторов, очень часто они являются «гнилым» звеном в любой радиоаппаратуре. Подстроечники типа СП3-38 были отброшены сразу из-за низкой электрической и механической надежности. Приемлемый результат дали подстроечники типа СП4-1, которые широко применяются в измерительной аппаратуре. Отличные результаты дали многооборотные проволочные резисторы типа СП5-2, именно они вели себя стабильно при настройке канала сухого термометра. Та же судьба постигла и переменные резисторы для установки поддерживаемой температуры, заменив на ППБ-1 или ППВ-1 (с негерметичным и герметическим корпусом). Кроме того, внес поправки в саму схему компаратора канала:
1. В сам компаратор ввел дополнительную цепь ПОС, которая дала гистерезис примерно +/- 0,1 градусов;
2. Ограничил пределы регулировки температуры, в пределах 36,5…39,5 градусов, путем введения ограничивающих резисторов R1 и R3 (см. рис.3).
Рис. 3. Фрагмент схемы коммутирующей части терморегулятора.
Постоянные резисторы тоже не остались без внимания, заменил на ОМЛТ (более древние) и С2-33 (то же самое, но военный вариант).
После замены подозреваемых радиоэлементов на «вояковские» прецизионные аналоги (микросхемы, диоды, резисторы и пр.), многое встало на свои места. Для комнаты, где температура меняется +/- 1…2 градуса этот эффект «ползания» температуры в камере заметно ослаб. Но для ситуации, когда инкубатор ставил в неотапливаемый сарай, то температура опять начинала «ползти» в зависимости от времени суток (это было весной, когда перепады температуры доходили до 10…12 градусов, днем до +10, ночью -1…+1 градус), на примерную динамику поддержки можно взглянуть еще раз на рис.1. Как видно из выше упомянутого, для колебаний окружающей температуры принятые меры частично решают вопрос, чего не скажешь для более больших перепадов температуры. В связи с этим я на форуме сайта выставил вопрос как можно решить получше эту проблему. В качестве оригинального решения пользователь под именем Diawest предложил встроить всю электронику управления в стенку инкубатора, где есть тепловой контакт с внутренней камерой. В итоге вся электроника находится в режиме постоянной температуры и вопрос можно снять с повестки дня, но есть и уточнение. Надо предусмотреть некоторый запас радиоэлементов по надежности для работы при более высокой температуре, чем комнатная, то есть предусмотреть менее нагруженный режим для силовых элементов.
В качестве альтернативы я могу предложить применение термо-компенсированный делитель напряжения, где пороговое напряжение сравнения уменьшается при росте температуры (при положительном ТКС переменного резистора, рис. 4а) или растет (при отрицательном ТКС переменного резистора, рис. 4б). В схеме предусмотрено применение терморезистора с отрицательным ТКС. К величайшему сожалению пока не успел довести этот эксперимент до конца, поэтому номиналы резисторов не приводятся.
Рис. 4. Варианты термокомперсированного делителя напряжения.
Помимо этой проблемы стоит и вторая проблема и довольно коварная, это помехи по сети электроснабжения: от электродвигателей, от сварочных аппаратов, плохое заземление и т. д. Это выражалось самопроизвольном включении симистора, когда на оптрон управления подана команда «Выключен» (светодиод управляющего оптрона выключен). Внешне это выглядело так: индикатор нагрева погашен, а температура в камере то растет, то падает. Когда всмотрелся более внимательно на индикатор нагрева, то заметил хаотичные вспышки с очень короткой длительностью. После того как зашунтировал резистором в 3…3,3 кОм цепь коллектора, то проблема исчезла полностью (см. рис.5). В случае применения силового реле для управления нагревателем то данное явление не заметно, всплывает только при очень больших помехах по сети.
Рис. 5. Фрагмент схемы коммутирующей части терморегулятора с доработкой.
Ну и сейчас поближе к эффекту дребезга коммутации. Это тоже связанно с помехами по сети. В большинстве простых терморегуляторов в качестве термодатчика применяют термисторы (полупроводниковые терморезисторы с отрицательным ТКС), у которых падение напряжения на них составляет порядка 30…40 мВ на 1 градус, компараторы (или ОУ в режиме компаратора) имеют погрешность срабатывания 0,5…3 мВ при перепаде в 10…15 градусов, кроме того стоит добавить и шумы в них, особенно для ширпотребовский вариант ОУ. И при оперировании на малых разностях напряжения наложение шумов вполне реально может вызвать дребезг коммутации, особенно для компараторов без гистерезиса. Для борьбы с ними я применил следующие приемы:
1. Ставил ФНЧ между измерительным мостом и входом компаратора (рис. 5).
2. Увеличивал ширину петли гистерезиса компаратора.
3. Применил задержку включения симистора (или силового реле) от 0,05 до 0,4 секунды при получении команды включения/включения нагревателя аналоговым способом (рис. 6 и рис. 7)
4. То же самое цифровым способом (рис. 8)
Рис. 5. Введение ФНЧ между измерительным мостом и компаратором.
Для первого варианта (введенная доработка обведена прерывистой линией) результат был мало ощутим, устранял помехи только от маломощных потребителей (электрофен, электробритва). При более мощных потребителей, например пылесос или «болгарка» данное решение меня не спасало. Применение второго способа (уменьшение номинала сопротивления R5 на рис. 5) давало компромиссное решение: либо точность поддерживания, либо более большой перепад температуры при тепловом равновесии в камере (до +/- 0,2 градуса).
Далее, третий способ перенят от цифровой техники, где задержку формируют пропуская сигнал через несколько пороговых элементов (рис. 6). В качестве порогового элемента применил сдвоенный компаратор LM393 с ПОС для первого компаратора.
Рис. 6. Фрагмент схемы задержки включение/выключение нагревателя аналоговым способом на компараторе.
По этому вопросу на форуме пользователь под именем Diawest предложил свой вариант решения (рис. 7), где в качестве пороговых элементов применены обычные логические элементы 2И-НЕ типа К561ЛА7. Это является очень удачным решением: и дешевая микросхема и поменьше «рассыпухи» (дискретных элементов). Большое ему спасибо.
Рис. 7. Фрагмент схемы задержки включение/выключение нагревателя аналоговым способом на микросхеме К561ЛА7.
И наконец в последнем, четвертом способе применил тактику обслуживания клавиатуры ввода для микропроцессорных систем, где данные считываются с задержкой. В моем решении все сводится к записи в D-триггер состояния выхода компаратора с периодом 0,05 …0,4 секунд. В данном решении я воспользовался свойством триггера, где маловероятно что фронт записи совпадет с фронтом импульса помехи, где даже в случае очень конкретной помехи нагреватель будет «передергиваться» всего лишь 2-3 раза секунду. В качестве побочного эффекта я заполучил более крутой фронт коммутации для симистора, который нельзя получить на выходе обычных аналоговых компараторов.
Рис. 8. Фрагмент схемы задержки включение/выключение нагревателя на D-триггере.
В процессе обкатки третий и четвертый способы (рис.6, 7 и 8) дали более стабильные результаты при более высоком уровне помех в сети. Из всех испытанных схем меня устроил четвертый вариант, где количество дополнительных радиодеталей чуть меньше по сравнению с третьим вариантом (рис.6 и 7), более того, он хорошо совмещается (стыкуется) с времязадающей схемой для механизма поворота лотков. Для пущей надежности можно добавить ФНЧ на входе компаратора (рис. 5).
Иными словами проблему решил, но ценой применения дополнительных радиодеталей. Как говориться: «Джентельмен всегда за что-то платит». Но тем не менее тему оставляю открытой, в надежде что кто-то из читателей продолжит ее, буду признателен любым дельным замечаниям и предложениям.
И еще пару сведений для размышления об бытовых инкубаторах и не только. При испытаниях заметил, что очень большое влияние имеет соотношение [объем камеры]/[мощность нагревателя]. При большей мощности нагревателя динамика изменения температуры в камере более крутая и компаратор срабатывает более отчетливо, но величина перепада температур более высокий (доходит до +/- 0,4 градуса для камер с внутренними габаритами 950х750х650 мм), при меньшей мощности нагревателя перепад температуры получался поменьше, но время вхождения в режим теплового равновесия более длинее плюс все анормальные поведения упомянутые выше. Еще стоит учитывать инерционность контрольного ртутного термометра по сравнению с электронным на принятие решений. У меня был такой случай при испытании камеры инкубатора «Универсал-55» (это промышленный инкубатор на 15000 яиц). Электронный термометр фиксировал кратковременные всплески температуры +/- 0,5 градуса на протяжении 10…15 секунд, потом температура удерживалась на среднем уровне +/- 0,15…0,2 градуса. При этом ртутный термометр показывал перепад всего +/-0,1 градус.
В конечном итоге вся предыстория закончилась тем, что следующий терморегулятор был выполнен на микроконтроллере, где многие проблемы я решил программно-аппаратным способом. Но многие клиенты настояли на более дешевом терморегуляторе и мне пришлось вернуться к аналоговым терморегуляторам, где пришлось добавить и определенный сервис. В результате чего и вышла публикация про инкубатор-автомат А100Б. Сейчас продолжаю разработки на микроконтроллерах с учетом особенностей как и бытовых инкубаторов, так и промышленных (каждый уникален по своему). Это связано с тем, что одни и те же приемы реализации алгоритма управления пригодны для бытовых, но мало пригодны для фермерских либо промышленных инкубаторов и наоборот.
С. Тинкован, г. Кишинев, Молдова[/quote]
Файлы:
triac-moc3041.gif