由于平时很少上网,偶尔上网也只是走马观花地挑一些贴子浏览。近日,在网上翻查一些资料时看到《电子控温一起做》一贴,引起本人兴趣,仔细阅览后发觉此贴介绍的电子控温电路虽然简单易做,但电路设计仍有不够完善之处,离实用尚有一段差距。不过,作为电子入门制作也还是不错的,另外贴子中一些关于此电路的一些言论也值得商榷,下面谈谈自己的一些看法和提供一些相对完善的方案,供感兴趣的朋友参考。如有差错请行家指正。
根据原贴图片描绘的电子控温器原理图如图1所示,电路主要由温度传感器RT1、测温桥路、比较器、加热指示及驱动电路等部分组成。从图片及电路分析可知温度传感器RT1是一只密封在环氧树脂中的负温度系数热敏电阻（NTC）,这类温度传感器品种及封装形式有很多种,如图2所示。负温度系数热敏电阻（NTC）是指其零功率电阻值随温度升高而明显变小的热敏电阻,以体积小、价格低、灵敏度高、工作寿命长而广泛应用于家用空调、冰箱、冷柜、热水器、饮水机、暖风机、洗碗机、豆浆机、消毒柜、复印机、烘干机以及恒温箱、水族电子控温器等等场合的温度测量与控制。相对于铂电阻和集成温度传感器，NTC热敏电阻的主要缺点是线性度较差，但如果测量范围较小时仍然可以获得较好的精度，完全可以在水族控温领域有良好表现。事实上现在市场上的电子控温器基本都是用NTC热敏电阻作温度探头。负温度系数热敏电阻（NTC）的标称阻值是指在常温为25℃时的电阻值,图3为本人实测10K（25℃）温度传感器（跟原贴电路中的传感器同属一种）在15—40℃范围内的数据及根据数据描绘的特性曲线,由此可以看出其线性度在一定温度范围内还是比较好的,这些数据为设计电路计算提供了参考依据。
工作原理:由温度传感器RT1与R1、RV1、R2组成测温电桥，RT1在25℃下的阻值是10K。IC1是一块双运放LM358N，在这里只用了其中一运放，接成电压比较器，其同相输入端加有VR1调定的基准电压，调节VR1就可以在控温范围内设定不同的温度，反相输入端则加有RT1与R1的分压，由于RT1的阻值是随被测环境温度变化而改变的，因此IC1反相端电位也随之改变。三极管Q1在IC1输出电平﹙L≈0V，H≈10。5V﹚的控制下对加热器EH起电源开关作用。
当水族箱水温低于VR1的调定值时，RT1阻值较大，和R1分压后使IC1反相输入端2脚的电位较低，此时IC1的同相输入端3脚电位大于反相输入端，IC1因而输出高电平，使三极管Q1饱和导通，加热器EH得电工作，同时LED1点亮，显示加热器处于加温状态。随着水温的升高，RT1的阻值逐渐减小，IC1反相输入端2脚的电位也随之逐渐升高，当高于同相端基准电位时，IC1即翻转输出低电平，三极管Q1截止，加热器EH停止加热，同时LED1熄灭。以后，当水温又将逐渐下降，当降至低于设定值时，又重复上述过程，如此周而复始使水族箱水温保持在恒定值。
从图1原贴电路分析可知，VR1为温度设置用多圈精密可调电阻，当VR1滑臂往上调节时，设定温度变高，反之则变低。按图1电路参数计算，其控温范围约在24—100℃﹙实际控温上限超过100℃，只是用在水温控制时因水温在常压下不会超过100℃﹚，鱼友都知道，一般水族箱如养水草或大多数观赏鱼，温度基本设置在24—26℃，当养龙鱼和七彩神仙等则一般设在28℃，显然原贴电路参数设置不太合理，虽然其控温范围也覆盖了常用控温点24—28℃，但控温下限偏高，已在临界了，另外控温范围过宽，则调节精度也相应降低。将控温范围设在20—35℃较为合理，也利于标注刻度。
原贴电路中，运放接成电压比较器，工作在开环状态﹙LM358开环增益为100dB﹚，由于开环放大倍数极高，输入端控温信号在阀值电压附近只要有几十微伏变化即可使比较器输出达到饱和区﹙输出由0跳变到10。5V或由10。5V跳变到0﹚。因此在临界控温点附近水温稍有微小波动，都会导致比较器输出频繁翻转，如果输出驱动的是继电器，则在临界温度点继电器会出现快速吸合—断开—吸合—断开的震荡问题，这样很容易损坏继电器触头，另外，由于负载不断接通断开，对其及电源也产生较大冲击，这些都应该要避免的。
原帖控温电路驱动的加温线功率只有10W，用在56×21×28㎝﹙33L﹚水族箱中显然功率远远不够，除非家里24小时开着供暖设备。在喜瑞观赏鱼饲养指导丛书中谈到选择最合适加热器的经验是：在不用或少量暖气的室内，所需功率约每升箱水1。5瓦；在用暖气的室内，每升箱水1瓦就够了。 事实上也是如此，本人以前曾设30×30×30﹙27L﹚缸就用爱族50W加热器，温度设在25度，在室温为12度左右时加热器就频频工作，可见当室温与水温之间的温差在10度以上，这个30×30缸没50W的加热功率是不行的。根据实践经验，原贴中的33L水族箱用50W加热器较为合适。有关选加热器的参考图表详见图4。
原贴中提到“扩大负载能力挺简单的。如加三极管扩流，换更大的管子等等。只要你愿意负载个几百上千瓦不成问题的”实际上加热器产生的功率不是无中生有的，所需的能量由电源供给，也就是说扩大功率后电源容量也须相应加大。原帖电路负载供电只有12V，当加热器功率扩大到100W时通过负载电流约8。3A，如果将加热器功率扩大到300W时电流已高达25A，更别说上千瓦了！处理如此大的电流即便你是位有经验的老手有时也感到棘手,在这类小制作中不建议这么做。如果电源是用火牛加整流桥堆的方案，这样的火牛你需要特别定做，而且价格昂贵，次级是用粗大的扁铜带，我相信没有人会这么做。一般来说，火牛次级电流超过5A而且次级电压合符要求的已比较难买了，尤其是低压大电流的,价格也不便宜。另外你还需要大容量电解电容和大电流整流二极管或桥堆，连接加热器的导线还必需足够粗。可以说，这种方案仅电源部分造价足以买到优质的电子控温器了。电路如需低压并提供大电流的电源，其实用开关电源是最佳选择，但开关电源也不便宜，即便是二手的，如：在广东潮州某电器经营部销售的DC37V 8A开关电源66元/台，5。5A的也要56元/台，淘汰的旧电脑AT开关电源大概要20多块钱，这算是很便宜的了，输出电压最高那组有12V，电流最大的一般在8A左右，用在这应该最合适，最大可带100W左右的加热器。其实， DIY如成本过高就没有多大意义了，除非你身边有免费元器件资源，又或者你是一位狂热的电子发烧友。
“如果把3极管去掉，改用集成多出来的放大器，再加个继电器，就能带起大功率的加温器材了 ”这位网友将通用型集成运算放大器等同于集成功率放大器了。一般的集成运放输出功率是非常小的，通常在单电源12V供电时其输出摆幅约为10。5V﹙去掉约1。5V输出饱和压降﹚，输出电流约为10mA，电流再增加只会使输出摆幅相应降低，输出功率仅百毫瓦级，再增多运放也是徒劳的，因为输出功率不会因此而增加。而常见12V继电器线包电阻为400欧，也即是工作电流约为30mA，有些线包电阻为270欧，工作电流就达44mA左右，如OMRON的继电器，用像LM358这样的通用运放根本无法直接驱动，你需要选用大输出电流的运放，如新日本无线出品的NJM2114双运放，输出电流60mA。这些运放虽然存在，但并不像LM358那样好买，也不可能用类似LM358这样低廉的价格买到。故此，加三极管或其它一些驱动元件是必要的。
原帖谈到“即使8050带1.5安的电流温升也不会太大，发热量不小说明你的电路设计有问题”。三星产的SS8050极限参数为：PCM=1W、ICM=1。5A、VCE0=25V。从图1电路可以看出8050工作在开关状态，要么是截止，要么是饱和导通，管子的功耗主要来自导通时饱和压降VCE造成的导通损耗P=IC VCE，当IC电流在1。5A时，8050的管压降VCE必须要限制在VCE=PCM/ICM=1/1。5≈0。7V以下，否则8050因超过PCM极限参数而发烫损坏。事实上，如果真的让8050工作在IC=1。5A，VCE=0。7V这种极限状态下，8050已很烫手了！这时,你只有加大8050基极电流IB或更换放大倍数更大的管子,使其饱和压降进一步下降到0.3V以下,也即是实际功耗小于1/2 PCM,才有可能勉强工作,即便是这样,其工作也是不可靠的。为保证三极管长期可靠工作,其极限参数一般为正常参数的2倍左右才较为合适。另外,在考虑加大IC的同时也要考虑其前级能否提供足够大的基极电流IB。当三极管的放大倍数hfe一定时IB =IC/hfe,如8050的放大倍数hfe =65,IC=1.5A时则IB =23mA,由于此电流是由运放LM358提供,前面已谈到LM358输出电流仅10mA左右,现在要其提供大于25mA(加2mA LED指示灯电流)的电流实在难为它了,在“小马拖大车”这种状况下,结果8050因IB不足以使其深度饱和,管压降较大而导致功耗过大。原电路用330欧这样小的偏置电阻就是想让8050在大电流时也能工作在饱和状态而且饱和压降尽量小,以减小功耗。设计的8050基极电流IB=VO1-0.7/R3=10.5-0.7/330≈30mA,但如前述,由于受前级输出电流限制,实际IB是无法达到30mA的,也就是说无法达到设计预期。当换用功率更大的晶体管时,对IB要求更大,所以要选用达林顿管。其实,处理低压大电流,用功率MOSFET毫无疑问是最佳选择。
有网友提到“用可控硅和双向二极管。不知温度探头，线性如何。不然就很难说控温准不准”。可控硅加双向二极管这种电路是通过调节电路中RC时间常数改变可控硅的导通角，从而达到调整输出电压的目的。当负载为加热器，电压低时加热器功率就低，也就是说温度变低，反之则升高。这种电路常见在一般电炉手动调温、吊扇调速和白炽灯调光等场合，由于非过零触发，这种电路波形畸变严重，尤其是电压调得较低时，电路如没加共模滤波器的将对周边电器产生很大电磁干扰。这类电路如应用自动控温上其电路结构比一般常见控温电路还复杂而且效果并不好，基本没人采用这样的方案。在控温场合一般都要求温度传感器线性要好，通常控温器只校正上下限两控温点，用线性好的传感器在校正上下限两控温点后，范围内其余各点就基本准确了。如果传感器线性差，制作时需用精密水银温度计每1—2度都要校准标注刻度，而且调温刻度是不均等的。如果是数显的，则需在电路中作非线性补偿，否则显示的设定温度和实际控温温度不一样。从图示本人实测的精密NTC温度传感器特性曲线可以看到，其曲线实际呈指数变化，在温控范围不大，其特性曲线已很接近线性了，在一些非高精度控温器，如水族控温器上完全能胜任。
在不大幅改变原电路结构的前提下，本人对原电路作了几种修改方案，基本上大同小异，如调整一些元件参数，将控温范围改为20—35度；增加正反馈电阻R2，使比较器的翻转具有适当的滞后量，令控制电路在临界温度下由“拖泥带水变为干净利落”。将加热器改为36V交流供电，这样既可大幅增加发热器功率又可降低电路对电源的要求，好处多多。虽然原加热器供电为12V DC，你不必担心电压提高后发热丝会烧坏，将两条串联由36V AC供电，电流也只有1。2A左右，这类发热丝是可以承受较高电压而不会发生电击穿和爬电现象。相信很多朋友都知道，36V以下为安全电压，那些怕电的朋友大可放心。需说明的是，用自耦调压器输出的36V以下电压不是安全电压，因为没隔离火线，即便是几伏如触及都有可能致命。多种改动方案原理图和PCB详见附图5—8。
图9—13所示的控温电路是本人在05年为修复日胜加热棒而设计制作的，经实际使用效果良好，借此机会整理提供给感兴趣的朋友参考。修复的这支日胜加热棒主要是内部双金属片出故障，控温温度在32度左右无法下调，除了这点外其余完好，虽然这款加热棒挺便宜的，丢弃也有点可惜。加温棒控温在32度左右刚好可以用来做最后一道超温保护，这样即便是电子控温器完全损坏失控或控温探头意外从缸里弄出，都不致遭到重大损失。如果你用好的加热棒配合电子控温器时，须将加热棒调到比电子控温预调高2—3度左右，或者根据自己的实际情况设定，但不可比电子控温器低，至少要高2度以上才较为合适。后来本人还做了另外一款电子控温器，稍为复杂一点，增加了一些功能，如：加热器离水断电、实际水温低于设定温度3度发出声光警报，加热器继续加温、首次使用不会因温度较低或较高而发出警报等，感觉还是比较实用。这个控温器并非只能用于加热棒控温，只要稍作变通，配合半导体致冷片就可以在夏季用于小型水族箱制冷控制，你还可以用它制作缸外加温器，总之发挥你的想象力，一些概念都有可能变为现实。另外，原帖中提到的光控自动照明装置，本人也设计了一个方案，功能为晚上自动点亮，亮灯时间由拨码开关设定在1—15小时，而且在亮灯后自动消隐光控功能，避免自身反射光影响。如果大家对这类电子制作真的感兴趣，那么本人可以在有空时整理图纸给各位鱼友。
[<I> 本帖最后由 yuliwng 于 2007-4-5 15:07 编辑 </I>]
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图片附件: [图1 根据原贴图片描绘的电子控温器原理图]
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图片附件: [图2 精密NTC温度传感器]
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图片附件: [ 图4 选加热器的参考图表]
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图片附件: [图5 修改方案1]
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图片附件: [ 图6 修改方案2]
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图片附件: [图7 修改方案3]
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图片附件: [图8 修改方案3相关PCB]
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图片附件: [图 10 为修复日胜加热棒而设计制作的控温器方案2 ,用双向可控硅和交流低压供电.可控硅的电流参数和火牛容 ...]
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图片附件: [图 11 为修复日胜加热棒而设计制作的控温器方案3, 用双向可控硅和交流220V供电. 可控硅的电流、电压参数 ...]
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图片附件: [图12 控温器PCB,其原理图详见图11]
图12-1.jpg (2007-4-5 15:12, 204.73 K)
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图片附件: [图13 电路板原大小和板外元件接线详图]
图13-1.jpg (2007-4-5 15:12, 194.43 K)
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