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微型恒温箱制作

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发表于 2017-10-22 22:20:40 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 ztzp 于 2017-10-22 22:27 编辑

  为了精确测定电子元器件的温漂,我制作了一个微小型的恒温箱,现将制作过程介绍如下。

一、温控器
  原打算自己做一个单片机控制的温控器,但看到某宝上有一款微电脑温控板,只需7.50元,干脆就直接下单买了一块:
W1209.jpg

  查看MCU上面的标识是:8S003F3P6,百度一下此芯片的全称是:STM8S003F3P6,属于STM 8位单片机,是这个样子的:
STM8S003F3P6.jpg

  STM单片机今后有时间和兴趣再学,目前主要用它制作一个恒温箱,用于测试电子元器件的温漂等与温度有关的特性。
根据卖家提供的说明,今天已弄懂了这个温控板的操作,并实际通电进行了各项参数的设置,就等找到合适的发热元件就可以进行下一步工作了。
这个温控器最大的特点就是能够设置温度控制点的回差,最小回差可以到0.1℃。

二、发热器
  发热元件考虑到安全问题,暂时不采用220V电压的产品,而是采用低压电产品,比如12V电压的产品,我首先考虑用PTC元件。今天已经下单在网上购买两款12V的PTC发热元件,等收到货以后再研究怎么制作。
突然想到在我收集废电器的箱子里有一个家人丢弃的“卷发器”,赶紧把它找了出来,经过一番拆解,原以为里面的加热元件是电热丝,没想到却是PTC,而且还是两片,每片PTC都卡在一个铝合金的散热槽里面:
01.jpg
IMG_20171012_122005_HDR.jpg

  控制板上的两块芯片:
02.jpg

  一块的型号是:FL821,是“卷发器”专用控制IC;另一块型号是:X0405MF,是单向可控硅。
  在控制板上还有一个按纽开关,可以控制“卷发器”的温度,按一下转换一次,在手柄上有标识:
IMG_20171012_122047_HDR.jpg

  本来想利用这块控制板一起组装在温控器里,必要时还可以粗调温度,但在测试中发现,每断一次电再次通电后,加热器都处于不加热状态,必需通过那个按纽开关再次调节温度,这在用继电器控制的电路里肯定是不行的。
  看来只能利用那两块PTC了。在电路中,两块PTC是并联的,为了弄清楚PTC的工作电压,在通电情况下,用万用表交流600V档测量PTC两端的电压,发现电压是0!这就有点奇怪了。
  从电路分析来看,PTC的工作电压应该是220V交流。为了证实这一点,把PTC的引线用烙铁从控制板上烫了下来。
测量PTC的电阻为:1.873K,如果工作在220V的状态下,根据欧姆定理:
公式1.jpg

  从计算结果看,电流与功率都不大,可以接受的。
  直接把PTC引线接长,插到220V交流电源上,用手摸PTC表面,很快就开始发烫了。为了清楚PTC的电流到底有多大,在PTC与电源的回路中串联进了数字万用表的交流600mA电流档。根据上面的计算,我想量程应该是足够的。通电瞬间电流表确实有显示,还没来得急细看,就听到哪里“啪”的响了一声,电流就为零了,并且PTC也不会发热了。
  赶紧检查万用表的电压档与电阻档,发现都是正常的,那一定是PTC坏了。把PTC从它的散热槽里面拉出来,也没发现哪里有烧坏的痕迹。不接电流表,而是直接把PTC与220V交流电源连接,发现PTC能发热,并没有坏。再将PTC与电流表串联接到220V交流电源上,还是没有电流,PTC也不发热,看来是电流档某些元件烧坏了。
  打开万用表后盖,很明显就发现0.6A的那个保险丝烧坏了:
IMG_20171012_235901_HDR.jpg

  我手里只有4A的保险丝,暂时替换上,总比没有强。接着进行实验,为了保险起见,这时的档位是在20A这一档,还是没有电流。进一步检查,发现那个20A的保险丝也烧坏了,还是用4A的保险丝代替。
IMG_20171013_000005_HDR.jpg

  两个保险丝都换好后,再进行实验,终于有电流了,通电瞬间观察到电流有几安培,并且在不停地降低,一直降到0.1几安培左右,这是符合PTC特性的。用手摸PTC,很烫。
  这次烧保险的教训是,在不明白被测物理量的情况下,应该用最大档位进行测量!其实这些我都懂,当时报侥幸心理。
  看来这个“卷发器”的PTC是可以利用的,如果觉得它产生的温度过高,那可像”卷发器”的控制板那样用可控硅来调压。明天就试试可控硅调压控制PTC的实验,当然,可控硅就采用“卷发器”控制板上的了。
  另外,昨天晩上下单购买的两块12V的PTC,不知为什么今天没有发货,既然已经找到两块PTC了,我就退货了。

三、用可控硅控制发热器
可控硅.jpg
可控硅2.jpg

  元件选择:双向可控硅TLC331A,参数:1A/400V
  按如上电路图搭出实际电路:
IMG_20171014_232933_HDR.jpg

  负载是一只25W/220V的普通灯泡(用灯泡代替PTC比较直观),在负载两端接了一只交流电压表,以监测经过可控硅调压后的电压。
  经测试,电压可以从0V~220V可调,灯泡也跟随反映不同的亮度:
IMG_20171014_232957_HDR.jpg
IMG_20171014_233021_HDR.jpg

  可能是灯泡的质量问题,不长时间外面就发黑了:
IMG_20171014_233332_HDR.jpg

  把灯泡换成PTC后,当电压调整到低于200V时,PTC会发出叫声,当电压调整到几十伏时,温度还是很高,我想PTC应该达到“居里点”,温度才会稳定,否则它会一直升温,所以用调压来降低PTC的温度可能不太现实。还是直接用温控器来控制它的温度吧。

四、电源变压器
  温控器需要12V直流电源,主要供微处理器电路与继电器使用,在PCB板上看到一块三端稳压器:ASM1117,经测量它的输出电压为5V,这个就是微处理器的工作电压。而继电器的工作电压应该是12V。用一个稳压电源测试过,温控板在9V电压下也能正常工作。但为了继电器触点的可靠吸合,还是用12V电源比较好。
  找到一个几年前就废弃的电池充电器,拆得一个小变压器,次级有3个抽头:
变压器1.jpg
变压器2.jpg

  次级线径:φ0.4mm,电压最大5.47V,这个电压肯定是不够的,注意到次级线框还没有绕滿,看来还有增加的余地。
变压器3.jpg

  将变压器铁芯拆除,用φ0.38mm的线重新增加一组线圈,圈数不计,直接将次级线框绕滿:
变压器4.jpg
变压器5.jpg

  目前变压器的电压分布如下图,黑色部分是原来的线圈,红色部分是重新增加的线圈:
变压器.png

  装上铁芯后测量新绕的次级④⑤部分交流电压为5.83V。如果将③④连接起来,则①⑤部分的交流电压为:5.47+5.83=11.3V,此电压经桥式整流滤波后的理论直流电压为:
公式2.jpg

  如果觉得有点高,则可将②④连接起来,则①⑤部分的交流电压为:4.26+5.83=10.1V,此电压经桥式整流滤波后的理论直流电压为:
公式3.jpg

  这个电压就与温控器需要的12V电压接近了。
  用废弃的吊顶用的轻钢龙骨制作变压器外壳,它材料是白铁皮,既好加工,也好焊接。变压器的接线排用一片双面敷铜板制作,一面刻出线条作为焊盘,另一面焊接在变压器外壳上,将这5个线头直接焊接在敷铜板焊盘上,想怎么接就怎么接。
变压器10.jpg
变压器6.jpg
变压器8.jpg
变压器7.jpg

  接线排空余的焊盘将桥式整流与滤波电容也一并焊在上面,实测整流滤波后的电压为13.7V。
变压器9.jpg

五、组装测试
  用一个饭盒作为恒温箱的外壳,用平面设计软件CorelDRAW 12进行了布局设计:
布局.jpg

  在发热箱内部加了5mm厚度的石棉橡胶板作为保温层。
IMG_20171020_210811_HDR.jpg
IMG_20171020_213744_HDR.jpg
IMG_20171021_115458_HDR.jpg

  在实验中发现当达到设定的温度时,温控器切断PTC发热片的电源后,照道理温度应该停止上升并开始下降,但由于保温箱内部空间小,热容量小,而  PTC功率大,PTC所带的金属片热容量也大,由于热惯性,此时温度还会继续上升1~2℃左右才会停住并慢慢往下降。
  为了解决这个问题,我又把“卷发器”的PTC换成电热蚊香的PTC,因为电热蚊香的PTC功率小得多。
IMG_20171021_194841_HDR.jpg

  并且将温控器探头远离PTC上方,象下图这样:
布局2.jpg

  经过这样改进后,温度达到设定点继电器切断了PTC的电源后,从温控器的显示看不出温度有上升的情况(温控器的温度显示精确到0.1℃)。在所有的测试中,保温箱部分都是盖上盖子的,如下图所示:
IMG_20171022_172350_HDR.jpg

  保温箱部分只所以做这么小,主要考虑在测试时电桥的开尔文夹子不用放入保温箱内,只需在盖子上开两个孔,就可以将电桥的开尔文夹子夹住被测电阻两端。
IMG_20171022_172331_HDR.jpg
IMG_20171022_172412_HDR.jpg

  组装好的温控器:
IMG_20171021_231938_HDR.jpg
IMG_20171021_231237_HDR.jpg
IMG_20171021_233855_HDR.jpg
IMG_20171022_184429_HDR.jpg
IMG_20171022_184444_HDR.jpg

下一步就来测量各种电阻的温漂了。

评分

3

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发表于 2017-10-22 22:32:37 来自手机 | 显示全部楼层
非常不错的制作
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发表于 2017-10-24 10:56:35 | 显示全部楼层
非常好的制作,请问,能否给个详细制作原理图,谢谢
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发表于 2017-10-24 13:55:06 | 显示全部楼层
变压器罩是个亮点,
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 楼主| 发表于 2017-10-24 23:09:27 | 显示全部楼层
本帖最后由 ztzp 于 2017-10-24 23:11 编辑
12386 发表于 2017-10-24 10:56
非常好的制作,请问,能否给个详细制作原理图,谢谢


接线图很简单,电源和负载。
DC12V电源用电池也行,用简单的整滤波电路也行。
负载用灯泡,或者加热器都可以。
接线图.jpg
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 楼主| 发表于 2017-10-24 23:12:41 | 显示全部楼层
puff 发表于 2017-10-22 22:32
非常不错的制作

谢谢回复。
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发表于 2017-10-24 23:16:55 | 显示全部楼层
很能折腾啊,看样子没少费工夫,不过干温度想做到精确控制也不太容易。
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 楼主| 发表于 2017-10-24 23:19:43 | 显示全部楼层
sjtx1971 发表于 2017-10-24 13:55
变压器罩是个亮点,

谢谢回复,变压器外壳原来准备用奶粉罐来做,拆了一个奶粉罐后发现铁皮太薄,原以为轻钢龙骨太厚,没想到展开成平面后厚度刚好合适。看来今后得多捡点这些材料。
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 楼主| 发表于 2017-10-24 23:41:43 | 显示全部楼层
清风碧雪 发表于 2017-10-24 23:16
很能折腾啊,看样子没少费工夫,不过干温度想做到精确控制也不太容易。

主要是去年买了一批号称金属膜的电阻,6.80元买了600只,测量时精度到是精准,都小于1%,但就是发现温漂太大,用手捏住,阻值的变化比碳膜电阻还要变化大,我再测试几十年以前买的红色的金属膜电阻,温漂就很小。
为了准确地知道这些电阻的温漂到底在哪个范围内,我就想精确的测量它们的温漂,当然精确也是相对的,我只希望能将这些电阻按温漂分到相应的档次就行,同时为下一步购买低温漂的电阻作准备,所以就制作了这个微小型的恒温箱。
另外,这些温漂很大的金属膜电阻,它们的引线也很细。
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发表于 2017-10-26 19:23:18 | 显示全部楼层
ztzp 发表于 2017-10-24 23:09
接线图很简单,电源和负载。
DC12V电源用电池也行,用简单的整滤波电路也行。
负载用灯泡,或者加热 ...

谢谢你给与回复,非常感谢!
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发表于 2017-10-27 22:42:17 | 显示全部楼层
太厉害了,做得真好,工程也蛮费精力的。
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发表于 2017-10-29 00:06:45 | 显示全部楼层
不错,nen折腾的人
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发表于 2017-10-29 17:59:44 | 显示全部楼层
本帖最后由 grandchen99 于 2017-10-29 18:01 编辑

请问这样的温控器可不可以用来搞对于难扦插枝的恒温电热毯或是孵化小鸡的温控设备,或是鱼缸温控器,其功率够不够?
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 楼主| 发表于 2017-10-29 20:59:47 | 显示全部楼层
grandchen99 发表于 2017-10-29 17:59
请问这样的温控器可不可以用来搞对于难扦插枝的恒温电热毯或是孵化小鸡的温控设备,或是鱼缸温控器,其功率 ...

我觉得可以,发热器的功率大,可以用交流接触器扩展继电器的触点容量。
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发表于 2017-10-29 21:07:40 | 显示全部楼层
我用工业用的温控器+PT100测温头+焖烧锅做了个酒酿发酵机,设定为33℃。发酵酸奶应该也可以。
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