带上、下限设置的温控器

家里的阁楼有个对外的风扇，在夏天的时候用来通风和降温。原来安装有一个机械式的温度控制开关来设定温度控制风扇的启、停。今年夏天，这个温度控制器失灵了，风扇也就失去了温度控制而长转不停。

图1 带上下限温控器 主控板实物图

为了使风扇恢复功能，我这里给它设计了一个带上、下限设置的温控器（见图1），设定启动温度为35℃，停止温度为30℃，实验下来，效果还不错，达到了预期的效果。

工作原理：

电路原理见图2。电路主要由温度检测（IC1），温度比较（IC2），输出控制（IC3）和电源部分组成。

图2 带上下限温控器 电路图

温度检测这里采用我们常用的是集成温度传感器LM35D。它的工作电压可为4-30V；精度为±1℃。最大线性误差为±0.5℃；静态电流约为80uA。它的特点是无需外围器件，无需调试及校正（标定），使用起来很方便。它的输出电阻很低约0.1欧姆，具有良好的带负载能力。LM35D的外形如塑封三极管（TO-92），见图3。

图3 LM35D -- 集成温度传感器  

由于IC1的作用，它将温度信号直接转换成对应的电压信号（T/V变换）供后面的电路使用。如：环境温度为25.5℃时，IC1的2脚输出的电压为：Vo=T×10mV /℃=25.5×10=255mV。

IC2组成了一个上、下限温度设置和比较器，用来将实际温度与设定温度进行对比和判断并输出。实际上它是一个双限电压比较器。为方便大家理解，这里对此比较器做一简单的介绍（见图4）。

图4  电压比较器

图4电路中，当被比较的信号电压Uin位于门限电压之间时（UR1UinUR2) 由比较器的原理我们知道此时Uo1输出为低电平“0”，Uo2输出为高电平“1”。当Uin不在门限电位范围之间时，既Uin小于UR1时， 此时Uo1输出低电平“1”，或当Uin大于UR2时，Uo2输出高电平“1”。

在图2电路中，R4、R3分别为上、下限温度设置电阻，这里将上限温度（B点）设置在35℃，既350mV；下限温度（A点）设置在30℃，既300mV。当环境温度上升时，C点电压逐渐升高。当C点电压高于A点电压时（既环境温度大于30℃时），IC2的1脚输出低电平，此时IC3的1脚（Q）输出为低电平，T1截止，继电器J1不工作。当环境温度继续升高到大于35℃时，此时C点的电压高于B点，IC1的7脚输出高电平，IC3电路被触发翻转，IC3的1脚（Q）输出为高电平，LED点亮，T1导通，继电器J1-1吸合，接通风扇M电源开始工作。之后，如果环境温度保持高于35℃，风扇会一直工作下去。如果此时环境温度逐渐开始下降，低于35℃时，尽管此时IC2的7脚恢复为低电平，由于IC3的保持作用（双稳态电路），IC3的1脚（Q）输出将保持高电平直到环境温度低于30℃。因为当环境温度逐渐下降到小于30℃时，C点电压将低于A点电压，此时IC2的1脚输出高电平，使IC3的4脚复位端（R）也变为高电平，使IC3被复位，输出端1脚（Q）复位为低电平而关断风扇。从而实现温度的上、下限设置和控制。

制作与调试：

主要器件选择可参考图2和图5。电阻R3、R4最好应采用多圈精密电阻，以方便温度设置和提高电路的可靠性。IC3为双D触发器，我们这里只用了其中的一半，剩余的一半可将输入端全部接地，输出端悬空处理。

图 5

为保证电路稳定及温度测量的准确，应注意电源部分的制作，电源电压必须稳定可靠，以免电源的干扰影响电路的正常工作。由于本电路的工作电流不大（小于50mA，继电器工作时），你也可以考虑采用电容压降式电源。这里列举了2种方法，供大家制作时参考（见图6）。

图6a                                        图6b  

图6中，C1为降压电容，R1为关断电源后剩余电荷的泄放电阻。图图6a中，VD2为半波整流二极管，VD1为电容器C1的放电二极管。图 6b是桥式整流电路，可向负载提供较大的电流（如100mA左右）。

通过降压电容C1向直流负载提供的电流，实际上是流过C1的充放电电流。C1容量越大，容抗XC越小，则流经C1的充、放电电流越大。因此，通过适当选取C1的容量，即可获得所需要的电流输出。此外，整流后未经稳压的直流电压会很高，一般可大30伏以上，并且会随负载电流的变化发生很大的波动，这是因为此类电源内阻很大的缘故所致。故这类简易型整流稳压电源的输出电流一般应控制在100mA以内。

例如：1.5uF电容50Hz交流电路中呈现的容抗XC为：

XC=1/2*3.14fc=1/2*3.14*50*1.5*10-6=2123.142欧姆=2.123K

流过电容器的充电电流（I）为：

I=U/ XC=220V/2.123K=103.6mA

因此，降压电容的容量C与电流I的关系可近似认为：C=14.5I，其中C的容量单位是uF，I的单位是A。在选择C1时，应充分考虑其耐压能力，一般至少应大于2.5倍电源电压。还有一点要特别注意的是，采用此类电源的电路板将带市电，制作实验时应特别注意绝缘和小心触电。

图7电路为另外一种输出控制负载的方式。在输出控制功率不大和有尺寸限制时可以考虑采用。输出部分采用过零触发双硅输出光耦对负载进行控制，这样的整机功耗更小，约30mA左右。

图7 无触点继电器-MOC3021/3061

电路调试很简单。先不要插集成电路IC2、IC3，检测电源电压是否为稳定的12V输出，并用数字表的mV挡测量IC1的2脚输出电压是否与环境温度符合。此时的整机工作电流约为10mA。如果你想设置风扇启动温度为35℃，停止温度为30℃，这时可用数字电压表的mV挡监测R3、R4动臂上的电压，并分别仔细调节R3、R4，使各自动臂上的电压分别为300mV和350mV，一切正常后，再短开电源，插上IC2、IC3。接通电源，用数字电压表监控IC1的2脚输出电压，此时可用电烙铁靠近IC1，此时数字表的读数应显示此时温度既对应的电压，并该电压随温度的升高而增加，当电压超过300mV时，电路应该没有输出，J1不动作；当电压上升超过350mV时，LED应该点亮，风扇开始工作。此时撤开电烙铁，IC的输出端随温度的下降而输出电压随之下降，当低于350mV时，电路应保持输出，既风扇继续工作。只有当IC1的输出电压小于300mV时，LED熄灭，风扇停止工作。继电器J1吸合工作时，整机工作电流在40mA左右。

图9  阁楼温控器实物图

图9为工作中的该装置的照片。你可能会注意到与前面的图1、8稍有不同。这是在实际环境使用中发现原先设计装在电路板上的电源变压器发热量过大，有时出现电路工作不稳定，后来将变压器移出来，并增加了一个风扇工作指示灯（LED）。很显然，该装置还可以用于其他很多需要恒温控制的场合。如果增加一块数字mV表头，还可以变成带上、下限控制的数显温度计。