水族箱温控器的制作

2015-08-05 12:15
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随着国民生活水平逐年提高，越来越多的都市人喜欢在家里设置一个水族箱以养观赏鱼和水草。由于绝大多数热带鱼和水草**适宜生长的温度在24~28℃左右，所以水族箱**要有恒温控制装置。笔者**设计制作了这一简单而实用的温控器，主要用于夏天水族箱散热风扇和电子制冷温控，控温的范围设计为23~29℃，实测温控精度小于正负0.5℃，很适合DIY 水族散热风扇和电子冷水机的朋友制作参考。由于电路很简单，相信稍为有电子制作经验的朋友都能按图顺利制作。温控驱动执行电路笔者设计了两种供选择，分别是用N 沟道功率MOSFET 管和继电器，电路分别如图1 和图2 所示，读者可根据实际需要选择制作。

一、工作原理

两款电路不同之处，仅在驱动执行电路部分，工作原理基本一样。现以功率MOSFET 管那款作原理介绍。电路主要由温度传感器RT1、测温桥路、带滞后的电压比较器、工作指示及驱动电路等部分组成。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, 常见的就是本电路采用的那种。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水族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。

测温电桥由温度传感器RT1 与R6、VR1、R2、R7 组成。IC1 是一块双运放LM358N，在这里只用了其中一运放，接成带滞后的电压比较器。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R6 与RT1 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IC1A 反相端电位也随温度变化而改变。MOSFET 管Q1 在IC1A 输出电平( L ≈ 0V，H ≈ 10.5V )的控制下对负载散热风扇Fan 起电源开关作用。当水族箱水温高于VR1 的调定温度值时，RT1 阻值较小， R6 和RT1 分压后使IC1A 反相输入端2 脚的电位较低，此时IC1A 的同相输入端3 脚电位大于反相输入端电位，IC1A 因而输出高电平，使MOSFET 管Q1 饱和导通，负载散热风扇Fan 得电工作，对水族箱水降温，同时LED2 点亮，显示负载Fan 处于工作状态。随着水温的下降，RT1 的阻值逐渐增大，IC1A 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，IC1A 即翻转输出低电平，Q1 截止，负载Fan 停止工作，同时LED2 熄灭。以后，当水温又将逐渐回升，当升至高于设定温度时，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。VR1 为温度设置用可调电阻，当VR1 滑臂往上调节时，设定温度变低，反之则变高，控温的范围设计为23~29℃。

二、制作要点

PCB 元件布局和底面铜印刷线图见图3、图4，用常规热转印方法就可以很容易制作好。电路所采用的NTC 温度传感器是很常见的，在一般元器件商店就能轻易买到；而其他所有电阻均选用1/4W碳膜电阻，误差5% 那一级就可以；小电容采用体积较小的独石电容，也可以用一般瓷片电容，VR1采用多圈精密可调电阻，方便准确设置好启控温度。电源是用DC12V 的，需外接。继电器那一款如负载是用独立电源供电，则温控板的电源能提供电流大于50mA 就行了，故此几乎所有DC12V 的电源适配器都能用。如果温控板跟负载是共用同一电源，则电源的功率须视负载的大小来选用。图示PCB 所装的那种规格的继电器触点容量一般多为5A/240VAC 或7A/240VAC，控制一般负载已足够有余。当温控板是用来控制电子致冷的，要尽量控制电子致冷块的供电电源交流输入端，而尽量不要直接控制电子致冷块的直流供电端。当负载很大时，可考虑更换更大触点容量的继电器或接驳交流接触器。用MOSFET 管的那款，供电电源的电流大小要视所控制的负载大小来定。MOSFET 管选用很容易买到而且便宜的IRF540，耐压为100V，**大可处理30A 电流。另外，如控制的负载电流大于5A，则需要在PCB 相应的铜箔位置做镀锡处理来加大其承载大电流的能力，并且导线要直接焊在PCB 上，因为实物图示所装的那种接线端子**大承载电流是5A。风扇属感性负载，如果用三极管或MOSFET驱动，按常规电路设计需要在其两端并联一只续流二极管，以消除驱动开关管在关断时风扇产生的感生电动势，保护开关管。对于此电路由于电源电压较低和选用的MOSFET 管耐压够高，所以省略了。如果选用的MOSFET 管耐压达不到要求或者仍不放心的话，可在相应位置加一只二极管，相关PCB 笔者也作了修改，如图5 所示。另外，设计PCB 时是用长30mm 的那种大保险管和用那种卧式散热片，如果采用那种短的保险管和竖装的散热片，PCB 也可以按图6 制作。还有一点提一下，用MOSFET 管的那款PCB 已预留有散热片和保险管位置，但这并非是必需的，读者可按实际需要选择是否安装。笔者实际试用时控制早几年买的捷宝4 头水族散热风扇（12V/0.76A），MOSFET 管没装有散热片，但长时间在高温环境下工作并没感觉到有丝毫温升感，用手触摸管身时几乎感觉不到有温度，MOSFET 管导通时DS 极间压降实测仅为0.05V，可以算得出功耗很小。所以，如果仅仅是控制几个小散热风扇则无须安装散热片。制作组装好的水族温控装置实物照片如图7 所示（用功率MOSFET 管那款线路板实物照片没装保险管，也没装散热片和温控传感器）。线路板组装好检查无误一般就可以工作，只要元件质量**，它的温控范围就能在设计范围23~29℃，无须做调试，**要调整的是设定好使用的启控温度，找一个大一点的容器装上水，将温控装置的测温传感器放入水中，并用水银温度计测量水温，一边观察温度计一边用热水或冰块兑好要启控的水温，调VR1 使线路板上的LED2 刚好点亮，如果线路板连接好散热风扇就应该能启动工作。按笔者的使用经验，通常用于水族散热风扇或电子冷水机控温，设置好温度后就很少再去调节的。所以，用多圈精密可调电阻就可以，也无须标刻度，但如有必要时也可以采用外接线性型电位器，用温度计测量配合不同水温标好温度刻度。整个温控装置线路板测试好之后就可以可找一个小塑料盒把它装好。