Дребезг в коммутации нагревателя инкубатора

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). Сначала я ее не усек сразу при лабораторных испытаниях, она всплыла только при эксплуатации на реальном объекте. Проблема заключалась в том, что поддерживаемая температура «ползла» вверх и вниз по непонятным для начала причинам. Время от этой проблемы я ушел, применив микроконтроллеры со специально написанными программами, которые сглаживали проблему. Но очень многие заказчики хотели более 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.

Звон 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). Не испытывал терморегулятор своей разработки (она представляет упрощенный вариант схемы инкубатора А100Б, размещенного на данном сайте) и контрольный, сделанный по схеме (самый 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» глубже то оказалось, что и температура в помещении тоже влияет на поддерживаемую температуру в камере. Ориентировочная динамика диаграммы поддержки температуры приведена на рис.1.

Рис. 1. Ориентировочная динамика поддержки средней температуры в камере в течение суток.

Но на этом проблема еще не закончилась, к ней добавилась и нестабильная коммутация нагревателя, особенно для симистора с оптронные 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 катавасия.

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 оптронные 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 коэффициентом: 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 в стабилитронов. Много хлопот нанесло мне то, что не все прецизионные ОУ работают хорошо при пониженном напряжении питания, особенно однополярное. Поэтому я принял решение оставить малошумные 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. Подстроечник типа СП3-38 были отброшены сразу из-за низкой электрической и механической надежности. Приемлемый результат дали подстроечника 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 участь постигла и переменные резисторы для установки поддерживаемой температуры, заменив на ППБ-1 или ППВ-1 (из негерметичных и герметичным корпусом). Кроме того, внес поправки в саму схему компаратора канала

1. В самом компаратора ввел дополнительную цепь ПОС, которая дала гистерезис примерно +/- 0,1 градусов;

2. Ограничил пределы регулирования 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 т.п.), много 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 снова 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 посмотреть 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 уточнения. 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 возрастает (при отрицательном ТКС переменного резистора, рис. 4б). В схеме предусмотрено применение терморезистора с отрицательным ТКС. К сожалению пока не успел довести этот эксперимент до конца, потому номиналы резисторов не приводятся.

Рис. 4. Варианты термокомперсированного делителя напряжения.

Кроме этой проблемы стоит и вторая проблема и довольно коварная, это препятствия на сети электроснабжения: от электродвигателей, от сварочных аппаратов, плохое заземление и т. Д. Это выражалось самопроизвольном включении симистора, когда на оптрон управления подана команда «Исключен» ( светодиод управляющего оптрона выключен). Внешне это выглядело так: индикатор нагрева погашен, а температура в камере то растет, то падает. Когда присмотрелся внимательнее на индикатор температуры, то заметил хаотичные вспышки с очень короткой продолжительностью. После того как зашунтирован 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 ближе к эффекту лязга коммутации. Это тоже связано с препятствиями по сети. В большинстве простых терморегуляторов в качестве термодатчика применяют термисторы (полупроводниковые терморезисторы с отрицательным ТКС), в которых падение напряжения на них составляет около 30 ... 40 мВ на 1 градус, компаратора (или ЗУ в режиме компаратора) имеют погрешность срабатывания 0,5. .. 3 мВ при перепаде в 10 ... 15 градусов, кроме того следует добавить и шумы в них, особенно для ширпотребовский вариант ОУ. И при оперировании на малых различиях напряжения наложения шумов вполне реально может вызвать звон 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 (введена доработки обведена прерывистой линией) результат был мало ощутимым, устранял препятствия 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 поддержания или 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). Как порогового элемента применил сдвоенный компаратор LM393 с ПОС для первого компаратора.

Рис. 6. Фрагмент схемы задержки включения/выключения 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 очень удачным решением: и дешевая микросхема и поменьше «рассыпухи» (дискретных элементов). Большое ему спасибо.

Рис. 7. Фрагмент схемы задержки включения/выключения 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 секунды. 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 «передергивать» всего лишь 2-3 раза секунду. В качестве побочного эффекта я получил более крутой фронт коммутации для симистора, который нельзя получить на выходе обычных аналоговых компараторов.

Рис. 8. Фрагмент схемы задержки включения/выключения 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 сочетается (стыкуется) с времязадающей схеме для механизма поворота лотков. Для большей надежности можно добавить ФНЧ на входе компаратора (рис. 5).

Иными словами проблему решил, но ценой применения дополнительных радиодеталей. Как говорится: «Джентельмен всегда за что-то платит». Но тем не менее тему оставляю открытой, в надежде что кто-то из читателей продолжит ее, буду благодарен любым деловым замечаний и предложений.

И еще пару сведений для размышлений о бытовых инкубаторах и не только. При испытаниях заметил, что очень большое влияние оказывает соотношение [объем камеры]/[мощность нагревателя]. При большей мощности нагревателя динамика изменения температуры в камере более крутая и компаратор срабатывает более четко, но величина перепада температур более высокий (доходит до +/- 0,4 градуса для камер с внутренними габаритами 950х750х650 мм), при меньшей мощности нагревателя перепад температуры выходил поменьше , но время вхождения в режим теплового равновесия более дольше плюс все патологические 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 в течение 10 ... 15 секунд, затем температура держалась 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 терморегулятора и мне пришлось вернуться к аналоговым терморегуляторам, где пришлось добавить и определенный сервис. В результате чего и вышла публикация о 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 или промышленных инкубаторов и наоборот.

С. Тинкован., Г. Кишинев, Молдова