Терморегулятор для инкубатора

Приходит весна, и у тех, кто занимается разведением кур, встает вопрос о получении раннего выводка цыплят. Природным методом этот вопрос решается крайне сложно, так как посадить наседку на высиживание в удобное для хозяев время не очень-то получается. Остается одно — использовать инкубатор. Хотя промышленность и выпускает большое разнообразие моделей инкубаторов, не все типы подходят. В погоне за низкой ценой изготовители продукции часто используют терморегуляторы, выполненные по простейшим схемам, которые нередко отказывают в процессе инкубации, что ведет к гибели эмбрионов.

Когда ко мне обратились знакомые с просьбой отремонтировать отказавший терморегулятор, пришлось разработать свою схему, так как восстановить испорченный не удалось. Проанализировав различные законы регулирования, я выбрал регулятор с “изодромной» характеристикой. Такие регуляторы могут поддерживать заданный температурный режим с очень малыми температурными колебаниями.

Схема терморегулятора для инкубатора

Схема терморегулятора приведена на рис.1. Электропитание схемы осуществляется от источника постоянного тока напряжением 12 В. Дополнительно напряжение стабилизируется с помощью интегрального стабилитрона DA2. Конденсаторы С4 и С6 необходимы для фильтрации напряжения, питающего измерительную схему. Преобразователь температура — время выполнен на транзисторах VT2, VT3, терморезисторах RK1, RK2, конденсаторе С2
и резисторах R9, R11, задающих режимы транзисторов.

Полевой и биполярный транзисторы включены по схеме составного истокового повторителя со следящей обратной связью. Изменение напряжения на его выходе с большой точностью повторяет изменение напряжения на входе, т.е. на конденсаторе С2. Вследствие этого разность напряжений на выводах терморезистора RK1 сохраняется постоянной. Время заряда конденсатора находится в пропорциональной зависимости от сопротивления терморезисторов RK1 и RK2. Чем меньше их сопротивления (вследствие нагрева), тем быстрее заряжается конденсатор. Таким образом производится преобразование температура-время.

Если вместо резистора R11 установить перемычку, а вместо терморезистора RK2 — постоянный резистор, то на конденсаторе С2 получится пилообразное напряжение с высокой линейностью. При наличии этих элементов пилообразное напряжение приобретает значительную кривизну, приближаясь по форме к латинской букве S. И эта кривизна увеличивается по мере уменьшения сопротивления терморезистора RK2, что обеспечивает большую крутизну характеристики вблизи точки переключения компаратора DA1.2.

Чтобы непрерывно измерять температуру в объеме инкубатора, необходимо периодически разряжать конденсатор С2. Для этой цели предназначен ключ на транзисторе VT1, которым управляет генератор импульсов с высокой скважностью, выполненный на половине микросхемы интегрального компаратора DA1. Длительность генерируемого импульса, разряжающего С2, определяется цепочкой R3-C1 и приблизительно равна 15 мс. Пауза между импульсами определяется цепочкой R4-C1 и равна 280 мс.

Во время паузы между импульсами происходит преобразование температура — время. Возрастающее напряжение с конденсатора С2 через резистор R10 поступает на компаратор напряжения, выполненный на второй половине микросхемы DA1. На неинвертирующий вход микросхемы подается опорное напряжение, с которым производится сравнение. Это напряжение можно устанавливать с помощью резистора R13. С указанным номиналом резистора температуру можно установить в пределах 3°С. Резистором R16 вводится небольшой гистерезис переключения компаратора. Конденсатор С5 дополнительно фильтрует от помех напряжение на неинвертирующем входе, а конденсатор СЗ — на инвертирующем. Резистор R17 — нагрузочный для выходного транзистора компаратора. Так как этот транзистор не может обеспечить достаточный выходной ток для управления перезарядом емкости биполярного транзистора с изолированным затвором VT6, то применен драйвер тока на транзисторах VT4 и VT5.

Транзистор VT6 периодически открывается, и ток, протекающий через последовательно-параллельно соединенные лампы накаливания, производит нагрев воздуха внутри инкубатора. В качестве нагревателей выбраны обычные лампы накаливания 100 Вт/220 В вследствие того, что у них 19% потребляемой электроэнергии преобразуется в тепловой поток, 75% в инфракрасное излучение и только 6% в видимый свет. А при последовательном соединении, когда на каждую лампочку приходится по 110 В, на инфракрасное излучение приходится еще большая доля преобразованной электрической энергии. Немаловажным фактором в пользу выбора ламп накаливания послужило то, что они доступны и дешевы. Светодиод HL1 является индикатором наличия напряжения 12 В.

Терморегулятор работает следующим образом. При увеличении температуры сопротивление терморезисторов RK1 и RK2 уменьшается. Вследствие этого конденсатор С2 заряжается за более короткий промежуток времени, т.е нарастание напряжения на нем происходит с большей крутизной. Промежуток времени между разрядом конденсатора и напряжением включения компаратора DA1.2 уменьшается, и транзистор VT6 открывается на более короткий промежуток времени. Нагревательные элементы дают меньше тепловой энергии в замкнутом объеме камеры инкубатора. Охлаждение камеры осуществляется естественным путем, т.к. внешняя температура воздуха ниже, чем внутри инкубатора. В итоге устанавливается равновесие между количеством тепла, отданного лампами накаливания, и потерей тепла за счет теплопередачи во внешнюю среду.

Недостатком данного типа регулятора является большая инерционность, т.е. время выхода на режим по сравнению с двухпозиционным регулятором. Это обусловлено тем, что по мере приближения к установленной температуре подается все меньше и меньше энергии на нагреватели.

Детали терморегулятора

Микросхема DA1 — типа LM393, применена в корпусе DIP-8. Постоянные резисторы — металло-окисные, типа С2-23 или С2-33. Терморезистор RK1 — типа ТР2, a RK2 — фирмы Murata. Переменный резистор— многооборотный, СП5-1В1А. Конденсаторы С1, С2 — К73-9 (Uраб=100 В) можно заменить на К73-17 (Uраб=63 В). Конденсаторы СЗ,С4,С5 — керамические, малогабаритные, импортные. Электролитический конденсатор С6 — импортный, например, фирмы Hitano. Диоды VD1, VD2 заменяются на КД522, микросхема DA2 — на К142ЕН19. Вместо полевого транзистора VT2 подойдет КПЗОЗ, желательно, с большим напряжением отсечки. Светодиод может быть любым, например, АЛ307. Транзисторы типа ВСХХХ можно заменить на SS9012, SS9015 или отечественные КТ3102, КТ3107. Транзистор VT6 — IGBT, типа STGF6NC8060HD, его можно заменить на любой аналогичный с параметрами не хуже примененного.

Конструкция терморегулятора

Радиоэлементы размещены на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм и размерами 95×60 мм. Чертеж платы и расположение элементов приведены на рис.2. Транзистор VT6 установлен на алюминиевую пластину толщиной 2 мм и размерами 30×30 мм.

Терморегулятор монтируется в подходящем по размерам пластмассовом корпусе и закрепляется на дне внутри инкубатора “Квочка” (“Наседка”). По внутреннему размеру основания корпуса из металлического листа (оцинкованной стали или алюминия) вырезается пластина. В ней равномерно по площади просверливается 20 отверстий диаметром 4 мм. Снизу листа, на расстоянии приблизительно половины размера от центра до края листа (равномерно по периметру), с помощью кронштейнов горизонтально закрепляются патроны с лампами накаливания. Желательно, чтобы между колбой лампы и листом был зазор приблизительно 5… 10 мм. Затем этот лист с помощью втулок высотой 90 мм монтируется на дне инкубатора. На лист сверху устанавливается деревянная решетка для укладки яиц.

К лампам с помощью проводов МГТФ-0,8 подключается описанный электронный блок терморегулятора. Резистор установки температуры выводится наружу инкубатора через отверстие так, чтобы был доступ к шлицу регулировки. В крышке внутри инкубатора, рядом с отверстием, предназначенным для установки контрольного термометра, закрепляется терморезистор RK1. Предварительно терморезистор монтируется на плате из фольгированного стеклотекстолита размерами 30×5 мм и покрывается тонким слоем эпоксидной смолы для защиты от неблагоприятных факторов. Терморезистор RK2 закрепляется хомутиком по центру, снизу металлического листа. Терморезисторы соединяются с платой проводом МГТФ. Питание терморегулятора осуществляется от источника постоянного тока напряжением 11… 15 В. В качестве такого источника можно применить и импульсный, мощностью 1 Вт.

Налаживание терморегулятора

Подключив источник напряжения 12 В к терморегулятору, с помощью резистора R20 устанавливают напряжение питания DA2 в пределах 9,5…10 В. При наличии осциллографа необходимо убедиться в наличии импульсов на выводах 7, 2 и 1 микросхемы DA1 и на затворе VT6. Если все в норме, устанавливают блок сначала снаружи инкубатора для оперативного подбора элементов схемы. Включают источники питания (12 и 220 В) и дают прогреться инкубатору в течение 4 часов. После этого можно приступать к установке температуры.

Контролируя температуру внутри инкубатора ртутным термометром (например, ТЛ-4, ГОСТ 215-73 с ценой деления 0,1 °С), после ее стабилизации, резистором R13 устанавливают необходимую температуру инкубации для конкретного вида птицы. В авторском экземпляре температуру можно установить в диапазоне от 37,2 до 39,8°С. Точность поддержания температуры составляет ±0,1 °С.

Ввиду технологического разброса номиналов элементов, напряжения отсечки полевого транзистора и пр., пределы регулирования могут сместиться в большую или меньшую сторону. Установка необходимого диапазона производится подбором резисторов R12 и R14, изменением длительности генератора цикла (подбором С1, R4 и R3). Также можно изменить период преобразования температура — время подбором емкости С2 или сопротивления R9. Следует помнить, что все перепайки необходимо производить при выключенных источниках питания.

После налаживания терморегулятор помещают внутрь инкубатора (для исключения влияния внешней температуры на элементы схемы).

При выводе цыплят инкубатор не должен находиться на сквозняке и на него не должны падать прямые солнечные лучи. Мощность нагревателей позволяет производить инкубацию при температуре внешнего воздуха от 17°С и выше. Контроль температуры внутри инкубатора можно производить, например, с помощью электронного термометра ф.Ekits (STH0014UG) с разрешением 0,1°С и потребляемым током от источника 12 В не более 60 мА. В процессе работы инкубатора через стенки корпуса из пенопласта хорошо видно свечение ламп. При затемнении с какой-либо стороны инкубатора можно с уверенностью сказать, что перегорела какая-либо лампочка, и оперативно заменить ее. Но это — крайне маловероятно, так как напряжение на лампах не превышает 110 В и даже при повышении напряжения в сети выше установленного нормами, напряжение на лампочках всегда будет ниже 220 В.

Источник: Радиомир №4 2013
Автор: О. БЕЛОУСОВ, г.Черкассы.

C этой схемой также часто просматривают:

ЗАЖИГАЛКА ДЛЯ ГАЗА
Зарядное устройство для автомобильных и мотоциклетных батарей
Зарядное устройство для автомобильных аккумуляторов
Имитатор для проверки телефонных аппаратов
Простые датчики для охранной сигнализации
Устройство задержки выключения
Устройство разрядки аккумулятора + карманный фонарь
Сенсорный таймер
Реле времени для электромеханических игрушек