Kohde: pieni vesisäiliö (alle 1 dL) halutaaan pysyvän n. 40 °C lämpötilassa.
1) miten arvioin / lasken tarvittavan tehon?
Sähkötehoa kuumentamaan tarvitaan siis täsmälleen sama määrä kuin lämpöenergiaa poistuu säteilemällä, ilman konvektion kautta tai alustaan johtumalla.
Vaikuttavia tekijöitä on siis astian kokonaispinta-ala, sekä lämpötilaero astian ja huoneenlämpötilan välillä.
2) Jos tuohon rakentaisi elektronisen termostaatin: onko tietoa, miten esim. diodin kynnysjännite muuttuu lämpötilan funktiona ?
eli idealla: laitetaan diodin läpi kulkemaan vaikkapa 1 mA (tarvitseeko oikea vakiovirtalähde, vai onko kynnysjännitteen muutokset niin pieniä, että voisi kytkeä näin:
5V --- virranrajoitusvastus 4,7 kilo-ohmia ---- diodi ---- GND.
Tuosta menee n. 1 mA läpi, mutta tarkka virta-arvohan tuossa muuttuu hieman diodin kynnysjännitteen muuttuessa lämpötilan funktiona.
joko voi Mikrokontrollerin integroidulla A/D -muuntimella muuntaa diodin jännitteen suoraan numeroksi tai sitten voisi sen sijaan verrata diodin jännitettä vakioon vertailujännitteeseen.
Eli siis pieni astia, jossa nestettä (alle 1 dL) pitäisi saada pysymään n. 40 °C lämpötilassa vaikka huoneenlämpötila on yleensä tuota alhaisempi.
Aktiivinen termostaatti on ehkä siinä mielessä paras, ettei neste kuumene polttavan kuumaksi kesähelteelläkään.
Mutta kuumennustehon voisi silti rajoittaa niin, ettei sitä ole moninkertaisesti liikaa tarpeeseen verrattuna.
1) miten arvioin / lasken tarvittavan tehon?
Sähkötehoa kuumentamaan tarvitaan siis täsmälleen sama määrä kuin lämpöenergiaa poistuu säteilemällä, ilman konvektion kautta tai alustaan johtumalla.
Vaikuttavia tekijöitä on siis astian kokonaispinta-ala, sekä lämpötilaero astian ja huoneenlämpötilan välillä.
2) Jos tuohon rakentaisi elektronisen termostaatin: onko tietoa, miten esim. diodin kynnysjännite muuttuu lämpötilan funktiona ?
eli idealla: laitetaan diodin läpi kulkemaan vaikkapa 1 mA (tarvitseeko oikea vakiovirtalähde, vai onko kynnysjännitteen muutokset niin pieniä, että voisi kytkeä näin:
5V --- virranrajoitusvastus 4,7 kilo-ohmia ---- diodi ---- GND.
Tuosta menee n. 1 mA läpi, mutta tarkka virta-arvohan tuossa muuttuu hieman diodin kynnysjännitteen muuttuessa lämpötilan funktiona.
joko voi Mikrokontrollerin integroidulla A/D -muuntimella muuntaa diodin jännitteen suoraan numeroksi tai sitten voisi sen sijaan verrata diodin jännitettä vakioon vertailujännitteeseen.
Eli siis pieni astia, jossa nestettä (alle 1 dL) pitäisi saada pysymään n. 40 °C lämpötilassa vaikka huoneenlämpötila on yleensä tuota alhaisempi.
Aktiivinen termostaatti on ehkä siinä mielessä paras, ettei neste kuumene polttavan kuumaksi kesähelteelläkään.
Mutta kuumennustehon voisi silti rajoittaa niin, ettei sitä ole moninkertaisesti liikaa tarpeeseen verrattuna.
Vastaukset 12
Vanhimmat
Maailmasta löytyy erilaisia termostaatteja ja lämpötila-antureita pilvin pimein.
Simppelillä termostaattikytkimellä ohjaat lämmitysvastusta, se on yksinkertainen ratkaisu ja toimii kuin junan vessa, tarkkuutensa ja hystereesinsä suuruuden vaihtelurajoissa.
Jos haluat tarkempaa, laitat tarkan lämpötila-anturin ja elektroniikkaa ohjaamaan lämmitysvastusta. Eiköhän googlettamalla löydy. Minä pystyisin piirtämään sinulle todella tarkat ohjeet, mutta en taida ilmaiseksi viitsiä.
Diodin lämpötilakerroin on 2 mV/ C°.
http://www.ti.com/lit/an/sboa019/sboa019.pdf
http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1279718
Saat parhaimman ja nopeimman mittaustuloksen tehonkulutuksesta empiirisesti jonkun mekaanisen termostaatin kanssa. Sen jälkeen voit lämpötilavakavoinnin toteuttaa oikeantehoisella virtalähteellä tarkasti esim. NTC- tai PTC-anturilla, joiden signaali on moninkertainen tuohon diodiin verrattuna ja lisäksi lineaarinen säätöalueellaan vaikka ovatkin logaritmisia kompponentteja. Lämmöntarpeen laskeminen kun muuttujia on paljon tulee tosi hankalaksi. Esimerkiksi säteilevän kappaleen väri vaikuttaa niin paljon ettei sitä voi tarkasti laskea etukäteen. Suosittelen kokeilua ja mittaamista.
Eipä kannata paljon rakennella, kun valmiita saa 2 eurolla:
http://www.ebay.com/itm/50-110-C-W1209-Digital-thermostat-Temperature-Control-Switch-12V-sensor-/252062159071
Muistetaan, että lämpötilaero määrittää virtaavan lämmön määrän. Tähän vaikuttaa lisäksi säiliön pinta-ala, joka on kosketuksissa jäähdyttävän ilman/pöydän/metallin/... kanssa
Hauskahan tuollainen on rakennella. Ota vaikkapa ntc-vastus ja mittaa sen arvo 40C:ssä. Tämän jälkeen järjestät transistorin kantajännitteen(mielellään darlington) vastusjaolla siten että lämpötilan ylittyessä transistori katkaisee virran. Nyt on helppo sitten kytkeä transistorilla vaikkapa relettä, joka vetää sopivan kokoista vastusta lämpiämään - ei siihen muuta tarvita.
Tuo mainitsemasi diodin käyttö on hiukan hankalampi juttu - vaan ei paljoa. Diodin vuotovirran lämpötilakerroin taisi olla 2mV/C. Se tarvitsee vakiovirtalähteen jos haluaa tarkkaan mitata eli nyt pärjää sarjavastuksella. Kytketään muuten estosuuntaan. Taas määritetään kytkentäpisteen jännite 40C:ssä. Ehkä on parasta käyttää operaatiovahvistinta, koska tarvitaan vahvistusta aika lailla. Oparin ulostulolla ohjataan edellä mainittua transistori/rele kytkentää ja päästään samaan lopputulokseen.
Entäpä hystereesi? Yllättävää kyllä tuo 1dl vesimäärä toimii sijoittamalla anturin sopivasti ihan riittävänä hystereesinä: Ei saa antaa tapahtua kerrostumista, pitää olla konvektiovirtausta. Tokihan senkin saa tietysti toteuttaa sähköisesti - ainakin oparilla vieläpä varsin helppoa.
Ainakin kaksi virhettä:
1. "Vuotovirran lämpötilakerroin", pitää olla kynnysjännitteen lämpötilakerroin
2." Kytketään muuten estosuuntaan", pitää olla päästösuuntaan
Voi mitata vuotovirrallakin. Puolijohteen lämpötila kun vaikuttaa sen elektroni-aukkoparien spontaaniin rekombinaatioon ja lisää täten vuotovirtaa. Tällöin on hyvä käyttää estosuuntaista diodia - päästösuuntaisessa kun kulkee muutakin virtaa. Näin minä sitä joskus olen kokeillut.
Mitä kokeilit estosuuntaisella diodi-virralla? Onnistuiko se? Milainen kytkentä?
Ensinnäkin piidiodin vuotovirta on olematon ja siksi vaatisi isoja jännitteitä. Enkä ole edes nähnyt piidiodin vuotovirtaa lämpötilan funktiona, onko se edes lineaarinen. Saattaa olla avalance-ilmiö suuremmilla lämpötiloilla? Eli kaikki sovellukset, missä käytetään piidiodia anturina perustuu kynnysjännitteen lämpötilakertoimeen. Monesti diodina käytetään transistoria diodiksi kytkettynä, eli kollektori on yhdistetty kantaan. http://aijaa.com/lyOyEx
Hmm. Miksi tarvitaan relettä? Mosfet riittää ihan hyvin. Itse asiassa tuon tehovastuksenkin voi jättää pois kun liittää mosfetin suoraan astiaan. Mosfet kestää helposti kymmenien wattien lämmöntuoton ja maksaa murto-osan samantehoiseen vastukseen verrattuna. Lisäksi mosfetin voi juottaa suoraan astian kylkeen, yritäpä samaa keraamisella vastuksella! Vakiovirtakytkennällä voi rajoittaa mosfetin tehoa. LM317 regulaattoria voi myös käyttää vakiovirtakytkettynä lämmittimenä, tarvitaan lisäksi vain shunttivastus. Tein epoksivalun kovettamiseen 60W lämmittimen neljällä RFP6P10- mosfetilla. Osille tuli hintaa peräti 10 centtiä. Juotin mosfetit suoraan muotin kylkeen.
Tuota....
tässä mahdollinen muoviastian sulaminen ja/tai palamaan syttyminen on erittäin ei-toivottu ilmiö.
Ja kun vesimäärä on pieni (tuo 1 dL oli vain arvio, saattaa olla pienempikin kuin 1dL), niin 40 °C lämpötilassa vesi haihtuu nopeammin kuin 20 °C lämpötilassa.
Ja kun kaikki vesi on haihtunut, saattaa syntyä ylikuumenemisvaara, jolloin muoviastia saattaa sulaa/palaa.
Lämmitysteho pitäisi mitoittaa esim. niin, että TYHJÄ muoviastia ei nouse yli 60 °C lämpötilaan. Lämpöähän säteilee, johtuu ja ilman konvektion seurauksena poistuu sitä suuremmalla teholla, mitä suurempi on ero ympäristön lämpötilaan.
Pitäisi vaan keksiä, miten saa laskettua, millä teholla esim. 60 °C lämpötilassa olevasta tyhjästä astiasta poistuu lämpöenergiaa (lämpösäteilyn, johtumisen ja ilman konvektion yhteisvaikutus). Tuon mukaan sitten kuumennusteho, jolloin sitä voi jollain ohjauksella katkoa, että pysyisi 40 °C:ssa, mutta vaikka säätöpiiri vioittuisi niin päin, että lämmitys on koko ajan maksimilla, jos teho on riittävän pieni, niin tarkoitus olisi, ettei nouse yli 60 °C lämpötilaan tuossakaan tilanteessa.
Välttäisi riskin, että muoviastia sulaa/palaa.
Olisiko ollut JFET kytkettynä heti alkuun vahvistamaan sitä estosuuntaista diodivirtaa. Perässä oli oparikytkentä jossa IGBT-tuloaste. Itse asiassa tuo virta oli se, mitä oli tarkoitus mitata - se lämpötilaherkkyys oli ennemminkin havainto: Piti pitää diodia samassa lämpötilassa, että ylipäätään sai jonkin tuloksen.