ساخت ترموستات الکترونیکی بدون میکروکنترلر

ترموستات چیست؟

ترموستات یک كنترل كننده الكتريكي خودكار براي تنظيم دما در فضاي بسته است که معمولاً آن را به دستگاه هاي گرم يا سرد ساز متصل مي كنند تا با قطع و وصل دستگاه، آن فضا را در دماي تنظيم شده ثابت نگه دارد. هنگامي كه دما به نقطه تنظيم برسد، ترموستات مدار برقي دستگاه را قطع مي كند و وقتي دما ۳ الي ۵ درجه از نقطه تنظيم پايين تر رود، دوباره مدار را وصل مي كند و دستگاه روشن مي شود.
اگر یک ترموستات که بخشی از یک سیستم تهویه است خوب عمل نکند تمام سیستم تهویه را هرچند پیشرفته باشد، زیر سؤال می برد در واقع سیستم کنترل که ترموستات عمده ترین و اولین بخش آن است وجه کار و معرف کار و کنترل کننده و مغز فرمان دهنده ی آن است همان طور که در بدن انسان اگر سنسور ها درست عمل نکنند داده ها نا صحیح به مغز می رسند و مغز که جایگاه تحلیل داده ها است تحلیلی غلط خواهد داشت و در نهایت فرمان غیر صحیحی خواهد داد که حاصل آن عکس العمل نا مطلوب بدن است. در نتیجه عکس العمل نا مطلوب و نامطبوع یک سیستم تهویه ی خوب بستگی به سیستم کنترل آن دارد.

موارد کاربرد ترموستات
به طور كلي ترموستات براي تنظيم درجه حرارت مايعات، گازها و جامدات در دستگاههاي گرم يا سردساز در بخشهاي مختلف زير مورد استفاده قرار مي گيرد.:

صنعتي: اعم از گلخانه ها،گرم خانه،كوره،ديگ هاي بخار و اتوكلاوها و …

ساختمان: در بخش تاسيسات اعم از شوفا‍‍‍ژ خانه هاي مركزي و كنترل دما در سيستم هاي هواساز، چيلر و فن كوئل و…

لوازم خانگي: در لباسشويي، ظرفشويي، سرخ كننده ها، سماور برقي، فرهاي برقي، آبگرمكن برقي و گازي و …

انواع ترموستات

ترموستات الكترومكانيكي: اين نوع ترموستات با استفاده از فرمان حسگر حرارتي توسط يكسري رابط مكانيكي به ميكروسوئيچ، سبب قطع و وصل مدار الكتريكي مي شود محصول اين نوع تكنولوژي داراي عمري طولاني است.

ترموستات الكترومكانيكي داراي دو نوع حسگر دما مي باشد. يك نوع آن بر اساس اصل انبساط مايع عمل مي كند. اين سيستم حرارتي كه diastat  ناميده مي شود و با نام ترموستات مويين نيز شناخته شده است، شامل: سنسور يا حسگر، لوله مويين و ديافراگم مي باشد. هنگامي كه دماي سنسور بالا مي رود مايع از طريق لوله مويين به داخل ديافراگم رفته و ايجاد انبساط كاري (Working distention) مي نمايد. به وسيله اين انبساط كاري كليد فنري (Snap action) به كار مي افتد كه مي تواند مدار را باز كنند يا ببندد..

و نوع ديگر توسط انبساط فلز؛ كه ترموستات بی متال ناميده مي شود، مستقيماً با انبساط فلز، كليد فنري عمل مي كند.

ترموستات الكترونيكي: اين نوع ترموستات فرمان دريافت شده از سنسور دمايي را توسط جريان الكترونيكي به يك رله مينياتوري منتقل و سبب قطع و وصل جريان الكتريكي مي گردد.

شناخته شده ترین برندهای داخلی و خارجی ترموستات

۱_ترموستات‌ هانیول Honeywell

۲_ترموستات زیمنس Siemense

۳_ترموستات نِست Nest

۴_ترموستات ZEN

۵_ترموستات CPA

۶_ترموستات ادیسون مدل Tx-928

۷_ترموستات تکبان

۸_ترموستات مرصوص

۹_ترموستات کلایماست

منابع: سایت تکبان – سایت  controlhvac

تا الان با ترموستات و انواع اون و نحوه عملکردش آشنا شدین. حالا می خوایم با قطعات خیلی ساده و در دسترس همه یک ترموستات الکترونیکی بسازیم.

هدف از ساخت این ترموستات تجاری سازی دستگاه خاصی با قیمت کمتر یا موارد مشابه نیست بلکه هدف آشنایی شما دوستان عزیز با نحوه کار سنسور دما LM35 و همچنین ساخت یک مدار اشمیت تریگر با استفاده از اپ امپ می باشد.

دقت کنید مرجع اموزش طراحی مدار اشمیت تریگر آموزش های ویدیویی مدارات آنالوگ استاد کی نژاد می باشد.

سنسور LM35 را بیشتر بشناسیم

حتما افرادی که می خواین کار با میکرکنترلرها رو یاد بگیرن بدون تردید اسم این سنسور رو به عنوان یک سنسور ارزان با خروجی آنالوگ شنیدن. این تراشه ساخت شرکت تگزاس اینسترومنت می باشد.

متاسفانه اکثرا فکر می کنن LM35 صرفا یه سنسور دانشجویی یا دانش آموزی هستش و جایگاهی در صنعت نداره. خب این بحث از جایی میاد که فروشگاههای قطعات الکترونیکی اکثرا جنس درجه ۳ و ۴ خریداری کرده و تحویل مشتری میدن. (زمانی به عنوان مسئول فنی شرکتی کار می کردم که سه بار LM35 های خریداری شده رو مرجوع کردم و بار اخر هم از ۱۰ تا فقط ۲ تاش کار می کرد! حالا خدا به مصرف کننده رحم کنه)

مشخصات سنسور LM35
_ خروجی خطی ۱۰٫۰mV/C (به ازای هر درجه ۱۰ میلی ولت ولتاژ تولید می کند)
_ بازه اندازه گیری دما -۵۵ تا ۱۵۰ درجه سانتی گراد
_ ولتاژ کاری ۴ تا ۳۰ ولت
_ مصرف جریان کمتر از ۶۰ میکروآمپر
_ دقت اندازه گیری ۰٫۵ درجه سانتی گراد
_ دارای امپدانس خروجی کم(۰٫۱ اهم برای بار ۱ میلی آمپر)

این سنسور در پکیج های زیر موجود و در دسترس می باشد.

همچنین LM35 با پسوندهای خاصی توسط شرکت سازنده تولید میشه که در جدول زیر مشخصات هر پسوند رو مشاهده می کنید.

در صورتی که بخواین صرفا بازه مثبت دما رو اندازه بگیرید کافیه منفی تغذیه رو به GND سنسور و مثبت رو به +V سنسور وصل کنید و در بازه ولتاژ ۰ تا ۱٫۵ ولت برای ۰ تا ۱۵۰ درجه خروجی داشته باشید(البته در اصل ۲ تا ۱۵۰ درجه در این مد سنجیده میشه). در این حالت شماتیک به صورت زیر خواهد بود.

در صورتی که بخواین بازه دمایی منفی رو هم اندازه گیری کنید باید از دو مدار زیر استفاده کنید.

توضیح عملکرد مدار سمت چپ:
در مدار سمت چپ شما نیاز به دو ولتاژ مثبت و منفی دارید و همچنین مقدار R1 در این حالت باید با استفاده از فرمول قرار داده شده محاسبه بشه. نکته مهم این شماتیک وجود بازه منفی ولتاژ و عدم توانایی اندازه گیری مقدار منفی ولتاژ توسط مبدل های انالوگ به دیجیتال میکروکنترلرهای رایج بازار است.

توضیح عملکرد مدار سمت راست:
این مدار همانند مدار سمت چپ توانایی اندازه گیری دما در هردو زنج مثبت و منفی را دارد. مزیت این مدار عدم نیاز به منبع تغذیه دوبل و همچنین مثبت بودن مقدار سیگنال خروجی و توانایی اندازه گیری آن با مبدل آنالوگ به دیجیتال میکروکنترلرهای رایج بازار است. اما ایراد مدار نیاز به دو پین می باشد.

نمونه هایی از خروجی ولتاژ سنسور در مدارات مختلف

۱- خروجی مدار ساده جهت اندازه گیری بازه مثبتهمونطور که ملاحظه می کنید خروجی بر اساس میلی ولت می باشد و در حال حاضر دمای نشان داده شده برابر است با ۲۴٫۶ درجه سانتی گراد.

۲- خروجی مدار دوم سمت راست و اندازه دما در هر دو بازه مثبت و منفی
در تصویر نمایش داده شده مولتی متر FLUKE مقدار خروجی سنسور رو نشون میده و مولتی متر VICTOR مقدار ولتاژ پین GND که با دو عدد دیود ۱N4148 به زمین تغذیه متصل شده اند. برای محاسبه دما در این حالت باید مقدار ولتاژ نمایش داده شده توسط مولتی متر VICTOR را از مقدار ولتاژ نمایش داده شده توسط مولتی متر FLUKE کم کنید. در نتیجه داریم:

Vf = 1.202-0.951=0.251mV

و دمای خروجی برابر ۲۵٫۱ درجه سانتی گراد می باشد.

خب تا اینجا با نحوه راه اندازی و انواع خروجی و محاسبه ان جهت استفاده از سنسور LM35 اشنا شدید. حالا ما باید مداری رو طراحی کنیم که بتونه در دما تعیین شده خروجی رو برای ما فعال کنه و نکته مهمتر اینکه باید این خروجی به صورت اشمیت تریگر باشه یعنی دارای یک مقدار هیسترزیس باشه و مدام بین دو مقدار نوسان نکنه.

مدار اشمیت تریگر چیست؟
اشمیت تریگر (به انگلیسی: Schmitt trigger) یک مدار مقایسه کننده است که در آن از فیدبک مثبت استفاده شده است. در وضعیت غیر معکوس، هنگامی که ورودی بیشتر از یک مقدار مشخص که به عنوان آستانه انتخاب شده است، خروجی High یا یک می‌شود و هنگامی که ورودی کمتر از مقدار مشخص شده دیگر که به عنوان آستانه انتخاب شده باشد خروجی low یا صفر می شود. هنگامی که ورودی بین این دو مقدار باشد خروجی حالت خود را حفظ می کند. از اشمیت تریگر در ورودی آی سی ها برای تبدیل موج سینوسی به مربعی یا اصلاح صفر و یک‌های خراب شده به علت نویز و اعوجاج استفاده می شود.

به منحنی عملکرد اشمیت تریگر به ازای ورودی‌های مختلف، منحنی هیسترزیس می گویند.

منبع: ویکی پدیا

مدار مورد نظر برای انجام عملکرد مورد نظر به صورت زیر می باشد.

نکته ای که باید بهش دقت کنید دلیل قرار دادن تقویت کننده ناوارونگر هستش. چون خروجی سنسور LM35 در حد میلی ولت می باشد این تقویت قرار داده شده تا بازه تغییرات به حد ولت رسیده و کار رو برای ما راحت تر می کنه.

و در نهایت ویدیو عملکرد مدار رو می تونید مشاهده کنید.