Kursy • Poradniki • Inspirujące DIY • Forum
Termostat to urządzenie, które ma tak sterować źródłem ciepła (lub zimna), aby utrzymać zadaną temperaturę. Termostaty znajdziemy w sprzęcie AGD, w instalacjach domowych i w przemyśle.
Zasada działania tego układu jest zawsze taka sama – niezależnie od tego, czy interesuje nas termostat grzejnikowy, czy taki w piekarniku.
Z lektury tego tekstu dowiesz się, czym jest i jak działa termostat. Będziesz znał podstawowe różnice między urządzeniami analogowymi, cyfrowymi i mechanicznymi. Te ostatnie, niewymagające prądu, wbrew pozorom są cały czas popularne – idealnym przykładem jest tutaj termostat grzejnikowy, czyli „pokrętło do grzejnika”, którym regulujemy pracę kaloryfera.
Domowe kotły grzewcze, klimatyzacja w samochodach, lodówki, podgrzewacze wody, piekarniki i nie tylko – wszystkie te urządzenia łączy zdolność do utrzymania temperatury na określonym pułapie. Czy chodzi o wodę do kąpieli, powietrze w pojeździe, czy pieczeń na obiad – termostat potrafi tak sterować źródłem ciepła (np. grzałką piekarnika) lub zimna (agregatem lodówki), aby cały czas utrzymywać zadaną temperaturę.
Słowo „termostat” dobrze odzwierciedla to, co definiuje. „Termo-” oznacza temperaturę, a „-stat” – coś statycznego, niezmiennego. I tak jest w rzeczywistości: termostat utrzymuje temperaturę na stałym poziomie, który mieści się w granicach tolerancji urządzenia.
Przykładowo termostat w piekarniku może utrzymywać zadaną temperaturę ±2°C.
Termostat posiada wejście służące do monitorowania bieżącej wartości temperatury, czyli jakiś czujnik. Musi też mieć wyjście załączające grzałkę lub element chłodzący. W wielu termostatach można ustawić żądaną wartość temperatury, ale niektóre mają ją zdefiniowaną na stałe przez producenta.
Termostaty nie potrafią zmierzyć temperatury z absolutną precyzją – jest to nierealne, bo czujnik podczas pomiaru praktycznie nigdy nie wskaże idealnie okrągłej wartości, typu np. 27°C. Ze względu na sposób pomiaru czujnika (i na to, jak działa wszechświat) równie dobrze sensor może wskazać temperaturę 26,992884°C, która dla nas będzie właściwie tym samym co 27°C.
Dlatego termostaty utrzymują temperaturę w określonym przedziale. Oznacza to, że żądana wartość jest utrzymywana na mniej więcej stałym poziomie. Wartość średnia pokrywa się z tą, której sobie życzymy, ale w danej chwili ciągle się zmienia, „krążąc” wokół wyznaczonego celu.
Dopuszczalną różnicę między temperaturą aktualną a żądaną nazywamy histerezą.
W przypadku urządzenia grzewczego, jeżeli temperatura jest za niska, termostat włącza grzanie. A kiedy stanie się zbyt wysoka, wyłącza je. Poniższy wykres przedstawia pracę termostatu próbującego utrzymać temperaturę 80°C z histerezą 5°C. Dla zobrazowania tego załóżmy, że chodzi o utrzymanie temperatury w piekarniku – ale tak naprawdę może chodzić o każdy inny obiekt.
Faktyczne działanie termostatu z zaznaczoną histerezą
Na początku, kiedy temperatura jest za niska, grzałka stale pracuje (napięcie na wyjściu jest wysokie). Temperatura rośnie, czyli przesuwamy się po osi X w prawo. Nagle następuje wyłączenie grzałki, tutaj w temperaturze 85°C, przez co napięcie na wyjściu spada do niższej wartości, a grzałka nie jest włączona.
Być może temperatura mierzona przez czujnik termostatu będzie jeszcze chwilę wzrastała (mamy do czynienia z obiektem o sporej bezwładności), ale nie ma to znaczenia dla termostatu.
Dlaczego ewentualny dalszy, minimalny wzrost temperatury nie wpłynie na działanie termostatu? Bo wyłączył grzałkę i czeka, aż temperatura spadnie. Ponowne załączenie grzałki nastąpi w temperaturze mniejszej od zadanej o wartość histerezy, czyli przy 75°C. Cały cykl zaczyna się od nowa – grzałka zostanie wyłączona po osiągnięciu 85°C. Termostat nie „zapamiętuje”, że to załączenie nastąpiło w już wcześniej nagrzanym piekarniku, dla niego nie ma to znaczenia. Jest zbyt zimno, więc włącza. A jak zrobi się zbyt ciepło, to wyłącza. I tak bez przerwy.
Po co termostatom histereza? Po to, aby nie przełączały stanu wyjścia co chwilę. Jeżeli mielibyśmy zerową wartość histerezy w termostacie, to wyłączenie grzałki odbywałoby się tuż po przekroczeniu wartości żądanej, np. przy 80,02°C. A załączenie przy dosłownie ciut niższej, np. 79,98°C. Grzałka byłaby co chwilę włączana i wyłączana.
To generowałoby hałas, zakłócenia elektromagnetyczne i doprowadziłoby do szybkiego zużycia się elementu załączającego jej zasilanie, np. styków przekaźnika.
Warto zauważyć, że termostatu zupełnie nie interesuje czas, w jakim się to grzanie i ochładzanie odbywa. Są urządzenia zaawansowane, kontrolujące, czy cały proces aby nie wymknął się spod kontroli, ale proste termostaty bazują jedynie na wartości temperatury i od niej uzależniają swoje działanie.
Wygodniejsze w użyciu są termostaty cyfrowe, czyli urządzenia elektroniczne z wyświetlaczem. Żądaną temperaturę ustawia się za pomocą przycisków lub pokrętła, czasem można też regulować histerezę. Wszystko jest czytelne dla użytkownika.
Przykład zaawansowanego termostatu cyfrowego
Za wszystko odpowiada najczęściej mikrokontroler, który zbiera wyniki pomiarów z elektronicznego czujnika i podejmuje decyzję, kiedy wartość temperatury przekroczy jeden ze skrajnych progów. Nawet termostaty wbudowane w czajniki z regulacją temperatury mają prosty układ cyfrowy, który za pomocą kilku kropek informuje nas o zadanej i aktualnej temperaturze. Termostaty cyfrowe mogą być sprzęgnięte również z innymi urządzeniami, takimi jak zegar sterujący.
Nie wszędzie potrzebne są przyciski i elegancki wyświetlacz. Powodów jest kilka, a główny to cena – takie gadżety kosztują, co wpływa na cenę finalnego produktu. Dlatego tam, gdzie nie jest to niezbędne, producenci starają się stosować termostaty analogowe. Są tańsze i prostsze w budowie, więc potencjalnie również mniej awaryjne.
Do stworzenia prostego, analogowego termostatu wystarczy zaledwie kilka elementów elektronicznych. Jednym z nich jest czujnik temperatury, czyli najczęściej termistor zmieniający swoją rezystancję pod wpływem zmian temperatury. Poza tym przyda się komparator, który będzie porównywał chwilową wartość temperatury z tą, którą ustalił użytkownik. A jak można ją ustalić? Na przykład potencjometrem z odpowiednio wyskalowaną podziałką.
Przykładowa grzałka do akwarium z prostym termostatem
Tego typu termostaty możemy spotkać np. w domowych akwariach. W obudowie znajduje się elektronika oraz przekaźnik włączający rybkom grzałkę. Czujnik temperatury może być podłączony za pomocą dodatkowego przewodu lub wbudowany bezpośrednio w grzałkę.
Sprawę można uprościć jeszcze bardziej, pozbywając się elektroniki. Da się to zrobić, mało tego – takich termostatów wokół nas jest całe mnóstwo. Większość podgrzewaczy wody, piekarników, tosterów, lodówek albo termowentylatorów zawiera termostaty mechaniczne, mimo że są to urządzenia zasilane energią elektryczną. Dlaczego? Bo tak jest taniej. I przy okazji prościej.
W takim termostacie nie ma termistora, zasilanego prądem, jest za to np. ciecz, która zmienia swoją objętość pod wpływem temperatury, lub gaz. Kiedyś stosowano do tego celu rtęć, ale nie jest ona zbyt bezpieczna w razie wycieku, więc teraz producenci wyposażają termostaty w coś mniej toksycznego.
Termostat mechaniczny – przykładowa budowa (A – mieszek, B – śruba do regulacji, C – przełącznik, D – kapilara, E – końcówka czujnika)
Za pomocą cienkiej rurki, na której znajduje się przewężenie (zwane kapilarą), czujnik łączy się z mieszkiem. Ten podnosi się lub opuszcza, w zależności od aktualnej objętości cieczy, poruszając przy tym dźwignią przełącznika. Temperaturę zadaną można łatwo regulować, wkręcając i wykręcając śrubę. Im bardziej będzie wkręcona do wnętrza termostatu, tym niższa temperatura będzie potrzebna, aby zmienić położenie styków.
W jeszcze prostszych termostatach do poruszania stykami używana jest odpowiednia blaszka, która wygina się pod wpływem temperatury (tzw. bimetal).
Czy takie coś jest dokładne? Nie – ten przyrząd stosuje się tam, gdzie różnica rzędu kilku lub nawet kilkunastu stopni Celsjusza nikomu nie zrobi różnicy. Za to taki przyrząd jest bardzo tani i trwały. Termostaty mechaniczne znajdziemy w opiekaczach do kanapek, ale nie są one używane do dbania o temperaturę procesora w naszym komputerze.
Czy da się jeszcze prościej? Oczywiście! Dowód na to możemy znaleźć przy niemal każdym grzejniku. Mamy tam termostat grzejnikowy, który pracuje całymi latami bez najmniejszego dostępu do energii elektrycznej – 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu. Pilnuje oszczędnego dozowania ciepła do naszych pomieszczeń, dbając o komfort termiczny.
Termostat grzejnikowy – przykładowa budowa (A – mieszek, B – ciecz lub gaz pełniący rolę czujnika, C – trzpień, D – dopływ ogrzewania, E – obudowa termostatu, G – wejście grzejnika)
Idea działania tego urządzenia jest właściwie taka sama jak w przypadku opisanego wyżej termostatu mechanicznego. Mieszek – sprzęgnięty z czujnikiem wypełnionym cieczą lub gazem reagującym zmianą objętości na zmiany temperatury – wciska i luzuje trzpień regulujący przepływ wody przez grzejnik. Przekręcając pokrętło, dociskamy mieszek do trzpienia lub go odsuwamy, co w wielu termostatach jest doskonale widoczne – pokrętło przesuwa się nawet o kilka milimetrów.
Termostat dąży do utrzymania temperatury na stałym poziomie. W związku z tym, że steruje grzałką lub urządzeniem chłodzącym, musi działać z pewną histerezą, aby do przełączeń elementu wykonawczego nie dochodziło zbyt często. Termostaty można produkować zarówno jako układy elektroniczne (cyfrowe bądź analogowe), jak i mechaniczne. Te ostatnie nie wymagają zasilania i są po prostu tańsze.
Termostaty spotkać można w wielu zastosowaniach – bardzo często nie zdajemy sobie nawet sprawy, że w naszej najbliższej okolicy jest ich kilka. Urządzenia te występują w różnych wersjach, ale ich ogólna zasada działania jest taka sama. Bardzo dużo układów tego typu znajdziemy w małym sprzęcie AGD, np. przy grzejnikach, w piekarniku, czajniku czy opiekaczu – termostat będzie też ważnym bohaterem naszego artykułu omawiającego, jak działa lodówka.
Autor: Michał Kurzela
Redakcja: Damian Szymański
Ładowarka bezprzewodowa, która bazuje na zjawiskach znanych z transformatorów, to coraz popularniejszy gadżet. Warto zatem wiedzieć, jak działa... Czytaj dalej »
Przeczytaj powiązane artykuły oraz aktualnie popularne wpisy lub losuj inny artykuł »
Dołącz do 30 tysięcy osób, które otrzymują powiadomienia o nowych artykułach! Zapisz się, a otrzymasz PDF-y ze ściągami (m.in. na temat mocy, tranzystorów, diod i schematów) oraz listę inspirujących DIY z Arduino i RPi.
Trwa ładowanie komentarzy...