Изготовление терморегулятора для инкубатора своими руками

Все процессы в яйце идут в очень узком диапазоне температур и влажности. Любое отклонение может привести к слабому потомству или даже гибели цыплят, утят или гусят. С температурой в инкубаторах всегда были сложности. Это было целым искусством, поддерживать требуемую температуру, пока не появился терморегулятор для инкубатора. В общем, это не очень сложное устройство, но с хорошими требованиями к точности, временной стабильности и надежности регулирования.

Содержание статьи

• 1 Назначение и принцип работы терморегулятора
• 2 Что лучше: купить или сделать самому
• 3 Как сделать терморегулятор самостоятельно
• 4 Самодельный электронный терморегулятор
• 5 Конструкция терморегулятора
  • 5.1 Наладка терморегулятора

Назначение и принцип работы терморегулятора

Терморегулятор, иногда называемый термостатом (что не совсем верно, термостатом можно назвать весь инкубатор целиком), служит для поддержания заданной температуры путем включения и выключения нагревателя в зависимости от заданной температуры. Температура определяется при помощи датчика.

С помощью терморегулятора фермеры поддерживают нужную температуру в инкубаторе.

Датчиком может быть:

• биметаллическое термореле;
• термопара;
• термометр сопротивления;
• термистор;
• полупроводниковый датчик.

Как пример, можно привести датчик американской фирмы Dallas Semiconductor, имеющий однопроводной цифровой интерфейс. Его можно использовать в схеме на микроконтроллере. Схема получается несложной, детали недорогими, но потребуются изрядные навыки и знания в области программирования, практически профессиональные, чтобы заставить все это работать надежно и безотказно. Ведь от этого может зависеть партия из сотен яиц.

Когда температура датчика превышает заданное значение, цепь питания нагревателя, например, ламп накаливания, отключается и инкубатор начинает понемногу остывать. Когда температура становится ниже другого заданного значения, лампочки снова включаются.

Получается выключатель-автомат с обратной связью по температуре. Даже с двумя: отрицательная обратная связь автомат отключает, а положительная – включает. Промежуток между порогами включения и отключения называется гистерезисом. Если этот гистерезис равен нулю (чего на практике не бывает), или очень близок к нему, то регулятор будет включаться и выключаться слишком часто и что-нибудь, довольно скоро, выйдет из строя.

Терморегулятор для инкубатора можно сделать самостоятельно.

Существуют регуляторы простые, в которых гистерезис не нормируется и имеет значение, достаточное для практики. Но есть и такие, где порог переключения и гистерезис выставляются раздельно и очень точно. Их используют в промышленности и научных исследованиях.

Что лучше: купить или сделать самому

Терморегуляторы, представленные в продаже, подходящие для работы в инкубаторах, на рынке есть, их цена колеблется от нескольких сотен до нескольких тысяч рублей. Если хорошо поискать, то можно найти весьма подходящий вариант. Насколько они хорошо работают, можно почитать на форумах птицеводов и фермеров.

Самостоятельное изготовление также вполне доступно, и это самый бюджетный вариант. Все необходимые детали можно приобрести в интернет-магазинах с почтовой доставкой. Для тех, кто любит все делать самостоятельно, а такие люди достойны всяческого уважения, если они серьезно относятся к делу, предназначена оставшаяся часть статьи.

Как сделать терморегулятор самостоятельно

Hand-made устройство, сделанное своими руками, может ни в чем не уступать промышленному по своей точности и стабильности, ну, разве что эргономика у него будет чуть хуже. Но тех, кто разводит птицу, это заботит не в первую очередь.

Терморегуляторы, изготовленные самостоятельно, не уступают тем, которые представлены в продаже.

Самодельное устройство делается из тех же промышленных деталей, и непонятно, почему оно должно быть хуже? К сожалению, в России такое мнение не редкость: если самодельное – значит плохо, а вот если заводское, то ради него можно даже в кредит залезть «по уши». Вы увидите, что это совсем не так.

Самодельный электронный терморегулятор

Его схема показана ниже. В ней достаточно мало деталей, они недорогие, и приобрести их нетрудно.

Детали можно купить в магазине. Немного о ценах: стабилитроны 1N4742A, 1N4736A стоят там 2 рубля за штуку. Аналогичный русский стабилитрон, особенно в металлическом корпусе может стоить под сотню. Операционный усилитель LM328N стоит около 30 рублей, выпрямительные диоды 1N4004 стоят три рубля за штуку.

Полевой транзистор IRF730PBF стоит около 30 руб. Два диода 1N5406 стоят вместе 10 рублей. Если вместо них использовать советский диод в металлическом корпусе на 10А, то он может обойтись в сотни рублей из-за драгоценных металлов внутри. В общем, надо разбираться в элементной базе, чтобы не переплачивать во много раз.

На фото представлена схема самодельного терморегулятора для инкубатора.

Как работает эта схема. Резистор R8 и конденсатор С2 ограничивают ток, питающий выпрямитель на диодах VD2 и VD3. Напряжение стабилизируется стабилитроном VD1 и фильтруется конденсатором C1. Это 12 вольт для питания схемы компаратора, собранного на операционном усилителе DA1. Микросхема LM358 содержит два ОУ из которых используется один.

Силовая часть схемы образована предохранителем F1, параллельно включенными лампами L1… Ln, диодом VD4 и каналом полевого транзистора VT1. Поскольку эта цепь пропускает ток только в одном направлении, то лампы будут работать вполнакала. Впрочем, это только увеличит надежность и срок их службы. Мы еще вернемся к вопросу о лампах, а пока о работе регулятора.

На входе ОУ стоит мост на резисторах R1-R5. Сигнал образуется на резисторах R1 и R2 (R2 это термистор). Он сравнивается с напряжением на движке переменного резистора R4. Гистерезис компаратору обеспечивает резистор R6 (вместе с резистором R2). Операционный усилитель усиливает разность сигналов между входом “минус” (инвертирующий вход) и “плюс” (прямой вход).

Термистор R2 при увеличении температуры снижает свое сопротивление. Сначала на выходе ОУ напряжение близко к 12В. Полевой транзистор VT1 открыт и лампы включены.

На фото представлены термисторы ММТ-1 и ММТ-4.

Как только разница между опорным напряжением и входным сигналом становится отрицательной, на выходе усилителя напряжение скачком падает почти до 0В. Транзистор закрывается и лампы гаснут. Резистор R6 ограничивает выходной ток ОУ через стабилитрон, а стабилитрон ограничивает напряжение на затворе транзистора до безопасного значения (6.8 В).

Теперь о деталях без номиналов. Займемся немного разработкой электронных схем. Какие будут номиналы, зависит от того, какой мы выберем термистор.

Посмотрим на обобщенную вольтамперную характеристику термистора MMТ-1 (ММТ-4 имеет аналогичную).

Вам может попасться термистор с любым номиналом, поэтому важно уметь рассчитывать входную часть схемы. Например, термистор ММТ-1 1,5к 20% стоит 14 руб (есть термисторы и за полтысячи рублей). 20% — это погрешность номинала. На точности измерений откалиброванного прибора это никак не скажется, термисторы очень стабильны.

Пусть мы хотим регулировать температуру в диапазоне 34-39 градусов. По графику видно, какое относительное сопротивление должно быть у термистора для этих температур. Рассчитаем рабочее сопротивление термистора: R2 = 1500*0.7 = 1050 Ом. Таким же приблизительно должно быть и сопротивление R1, чтобы в точке их соединения была половина питания 6В или около. ОУ лучше работать в этой области.

На фото представлен график относительного сопротивления термистора для разных температур.

Заодно рассчитаем и напряжение сигнала, исходя из того, что R1 = 1k. При 30°C сопротивление термистора составит 1500*0,8 = 1200 Ом, а при 40°C – 1500*0,65 = 975 Ом. В первом случае ток в половине моста с R1 и R2 составит 12/(1000 + 1200) = 5,4545 мА, во втором случае: 12/(1000 + 975) = 6.0759 мА. Эти токи нам нужны только для того, чтобы оценить напряжение сигнала.

В первом случае U = I*R = 5,4545*1200 = 6.5455 В, во втором аналогичный расчет показывает 5.9241 В. Разница составит 0,6214 В. Чтобы устанавливать терморегулятор в этом диапазоне, понадобится иметь такое же опорное напряжение на другом входе ОУ.

А гистерезис будет зависеть от усиления. Если мы хотим, чтобы регулятор поддерживал температуру с точностью до 0,1°C, то необходимо сначала узнать, какое напряжение будет соответствовать такому изменению температуры. Это нетрудно узнать: приблизительно 0,0062 В. Мы делим температурный диапазон на шаг в одну десятую градуса и умножаем на напряжение размаха сигнала.

С другой стороны, на выходе сигнал меняется от 0 до 10-11 В. Значит, нам необходимо получить усиление: 11/0,0062 = 1774. Тогда резистор R6, установленный в цепи обратной связи должен быть меньше сопротивления термистора в соответствующее число раз: R6 = 1780/1090 = 1,63 Ом. То есть, величину усиления мы делим на среднее значение сопротивления термистора в рабочем диапазоне.

Изготовление терморегулятора своими руками требует некоторых знаний.

Теперь остается только рассчитать R3, R4, и R5. Потенциометр R4 следует выбирать из проволочных переменных резисторов. Они имеют линейную характеристику и будет меньше сюрпризов с градуировкой. На выбранном участке характеристика термистора тоже более-менее близка к прямой линии.

К сожалению, проволочные переменные резисторы довольно дороги. Но они наиболее стабильны и точны. На eBay или aliexpress можно найти такой за 150 руб с доставкой. В российских магазинах они стоят гораздо дороже. Иногда можно найти такой потенциометр совершенно бесплатно в старых приборах, оставшихся еще со времен СССР. Лучше всего подойдет маленький потенциометр на мощность 0,25-0,5 Вт с номиналом 220-470 Ом. В крайнем случае, можно взять 2,2 кОм.

Допустим, мы нашли проволочный потенциометр на 1 кОм (довольно часто встречаются). Какими должны быть резисторы R3 и R5? На 1к приходится примерно 0,63 В напряжения, а всего на цепочке резисторов падает 12В. Ток, проходящий через цепочку, можно вычислить по закону Ома: I = U/R = 0,63/1000 = 0,63 мА. Чтобы компаратор работал в диапазоне сигнала и шкала потенциометра не оказалась ни слишком растянутой, ни слишком сжатой, опорное напряжение должно меняться в тех же пределах, что и сам сигнал.

По вычисленному току найдем сумму всех сопротивлений R3, R4, R5: R = U/I = 12/0,00063 = 19,048 кОм. Теперь вспомним про нижнюю границу диапазона сигнала с датчика R2. Она составляет 5,9241 В. При найденном токе мы вычислим сопротивление нижнего резистора R5 = U/I = 5,9241/0,00063 = 9400 Ом.

Теперь несложно найти и верхний резистор: R3 = 19,048 – 1 – 9,4 = 8,65. Такими должны быть сопротивления R3 и R5 чтобы шкала R4 попала в нужное “окно”. Это не догма, но резисторы лучше подобрать поближе к этим значениям. Если шкала при настройке окажется немного шире, то ничего страшного в этом нет, главное, чтобы она не оказалась уже. Можно использовать составные резисторы, соединяя их последовательно или параллельно, и проверяя общее сопротивление мультиметром.

Для изготовления терморегулятора для инкубатора необходимы различные составляющие.

Аналогично делается расчет и для других термисторах. О входных токах ОУ особенно заботиться не нужно, они очень малы и не влияют на работу моста.

Конструкция терморегулятора

Здесь о том, как сделать прибор. Набрав подходящие детали нужно заранее подготовить и настроить те элементы, которые были рассчитаны (R3 и R5), так чтобы они были аккуратно спаяны и их можно было монтировать дальше.

Резистор R6 можно взять либо 1,6 Ом, но такие нечасто попадаются, либо составить из нескольких параллельных (из-за его маленького номинала), либо взять кусок нихромовой проволоки сопротивлением 16,3 Ом (измеряется мультиметром) и отрезать от нее ровно одну десятую часть. Затем она наматывается на резистор большого номинала, скажем, 10 или 100 кОм, чтобы не было его влияния на общее сопротивление и пропаивается на его выводах.

Детали монтируются, как обычно, на печатной плате подходящего размера. Схема несложная, нарисовать дорожки можно либо вручную, либо в подходящей программе для разработки печатных плат, например, Sprint Layout. Это простая бесплатная программа для радиолюбителей. К сожалению, размер статьи не позволяет описать подробностей изготовления печатных плат, но найти информацию в интернете нетрудно.

На фото представлен процесс изготовления терморегулятора.

На ось потенциометра нужно надеть круглую шкалу с наклееной бумагой и жестко ее зафиксировать. На ней будет нанесена градуировка. Шкала может быть сделана подвижной или нет, главное – ее достаточный размер для будущей разметки и “несбиваемость”. Наконец, все собранное помещается в подходящий корпус. Здесь большой простор для домашней конструкторской мысли.

Теперь, как и обещалось, о лампах. Выбранный транзистор имеет максимальный ток 5,5 А, но лучше ограничиться током поменьше. Если взять лампы накаливания по 100 Вт, то при питании через диод их мощность снизится вдвое.

Возьмем ток, например, 4 А и определим число 100-ваттных ламп для этого. Средний ток через лампу составит около 0,23 А с учетом того, что лампа работает один полупериод. 4/0,23 = 17 ламп по 100 Вт. Практически ламп будет меньше, так как инкубаторы обычно теплоизолируют. К тому же слишком мощный нагрев будет приводить к выбросам повышенной температуры.

После сборки необходимо проверить, как работает самостоятельно собранный терморегулятор.

Наладка терморегулятора

Наладка состоит в проверке работоспособности после монтажа и нанесению делений на шкалу в следующем порядке:

Градусных делений.

Делений с шагом в полградуса.

Делений с шагом в 0,1 градус.

В нагрузку включают одну лампочку, просто как индикатор работы. Датчик помещают в сухую песочную баню рядом с образцовым термометром. Баню осторожно и медленно, чтобы не перегреть, нагревают на электроплитке включенной через ЛАТР или другой подходящий регулятор мощности.

Рассмотрим калибровку в одной точке, например 35°C. Сначала необходимо уравновесить температуру датчика и образцового термометра в бане. Затем, вращая потенциометр, отмечают карандашом точки на окружности шкалы, где лампа загорается и где она гаснет. Середину можно отмечать делением 35 градусов.

Аналогично делаются деления и для остальных значений. Не помешает сделать градуировку и для десятых долей градуса, учитывая, что как-никак, шкала не будет линейной. После выполнения градуировки можно будет оценить гистерезис. Он должен быть в пределах 0,1…0,15 гр. Цельсия.

Прибор только тогда будет надежным, если все соединения пропаяны тщательно, а клеммные зажимные соединения выполнены чисто и хорошо затянуты.

На видео специалист рассказывает о том, как изготовить терморегулятор своими руками.