温度調整器 回路説明
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以下では私が今回の回路を設計したときのポイントを記載します。   サーミスタの特性調査 今回使用したサーミスタはＮＥＣ製のＤ−５３です。Ｄ−５３はＮＴＣ(Negative Temperature Coefficient Thermistor)タイプのサーミスタで、温度が上昇すると抵抗値が減少する特性を持っています。特にこの品名のものを探したわけではなく、たまたま入手出来たので使用しました。詳細なデータが分からないので、まず、温度変化による抵抗値の変化を測定しました。熱源としては１００Ｗのホーロ抵抗器を使っています。この抵抗器は安定化電源装置作成の際に負荷抵抗器として使用したもので、６５Ｗの電力を加えると表面温度が１５０度以上になります。 抵抗値測定では１５０℃まで温度を上げて測定しましたが、通常は＋１００℃あるいは＋１２０℃を使用上限温度としているサーミスタが多いです。連続して＋１５０℃での使用は避けた方が無難かもしれません。 一般的にサーミスタの使用出来る温度は以下のように言われています。 短期間使用（１−２４時間）：１５０℃ 長期間使用（１−１２ヶ月）：１０５℃ サーミスタにより、使用可能範囲は決められているので、詳細はデータを確認した方が良いです。 サーミスタを使用する場合に気を付けなければいけない点の一つに自己発熱があります。サーミスタに電流を流すと、熱が発生します。NTCタイプのサーミスタの場合、電流が多いと、発熱により抵抗値が減少し、さらに電流が増えて発熱するという悪循環をすることがあります。ですから、サーミスタに流す電流は極力少なくした方が良いわけです。 今回使用したサーミスタは２５℃で約５KΩの抵抗値があります。この時、サーミスタに流れる電流は約0.55mA(12V/(16KΩ+5KΩ+1KΩ))で、消費電力は1.5mW((0.55mA)2 x 5KΩ)になります。この値であれば問題はありません。温度が上昇すると抵抗値が下がり、電流は増加します。けれども、16KΩの抵抗器が入っているので、サーミスタの抵抗値が下がるとサーミスタの消費電力は減少します。 電圧変換回路 左の図はサーミスタの抵抗値の変化を電圧の変化に変換する回路ですが、トランジスタを使用した増幅回路の基本形そのものです。ベース(B)に流れる電流が変化するとコレクタ(C)からエミッター(E)に流れる電流が変化します。変化する割合は電流増幅率（ｈＦＥ＝ＩＣ／ＩＢ）で表されます。このｈＦＥはトランジスタの種類によって異なり、同じトランジスタでもさらにクラス分けされていることがあります。今回、私が使用したトランジスタは２ＳＣ１８１５（Ｙ）でデータシートではＹクラスのｈＦＥは１２０〜２４０となっています。これを見ても分かるようにｈＦＥはトランジスタ毎に異なると言うことです。 今回の回路ではサーミスタの抵抗値(Rt)の変化範囲でコレクタ電圧(Vc)ができるだけ飽和せずに変化する必要があります。Ｒｔの変化範囲を５ｋΩとして、Ｒ１の適正値を決めます。 Ｒ２は１ｋΩ（ＩＢの安定化のためで、低いほど安定します。低すぎてはダメ。） Ｒ３は２ｋΩ（ＴＲ１がＯＮ状態のときに６ｍＡ位流れればと考えました。） 以上の条件で計測したものが以下のグラフです。  今回の回路ではＲｔが１ｋΩ以下でもコレクタ電圧を飽和させずに使いたいのでＲ１は１６ｋΩにしました。 特性の測定は一度バラックで組立、Ｒ１の値の目安を求めます。その後、最終的に回路を組んだ時に再度測定した方が関連する部品の特性も含めた調整が可能です。 電圧変換回路は増幅器そのものなので、ベースに何らかの信号が入るとコレクタ側に増幅された信号が現れます。外部からの不要な交流信号による影響を少なくするために各箇所にバイパス用にコンデンサを入れています。また、サーミスタと電圧変換回路と接続する線が長いと交流信号などが誘導され、変換回路が誤動作する可能性があります。そのため、サーミスタを接続する線にはシールド線を使用する必要があります。 電圧比較回路サーミスタで検出した温度が設定温度になっているかどうかを検出するために電圧比較器（コンパレータ）を使用しています。サーミスタ電圧変換部からの電圧と温度設定電圧との比較し、差がある場合にはどちらが高いかにより、リレー駆動回路のＯＮ／ＯＦＦを行います。  コンパレータの動作はプラス端子の電圧がマイナス端子の電圧より高い場合には出力のトランジスタはＯＦＦ状態（Ｈレベル状態）、プラス端子の電圧がマイナス端子の電圧より低い場合には出力のトランジスタはＯＮ状態（Ｌレベル状態）になります。 今回の回路では電圧変換部からの電圧をコンパレータのマイナス端子に接続し、温度設定電圧をプラス端子に接続しています。プリント板のパターンの関係でそのようにしています。これは逆でもかまいませんが、コンパレータの出力が逆になります。  今回の接続の状態では電圧変換部からの電圧（マイナス端子）が高い（温度が低い）場合、コンパレータの出力はＯＮ状態になります。ですから、リレーは動作しません。（ＳとＢが接続されている状態） 温度が上がり、電圧変換部からの電圧（マイナス端子）が温度設定電圧（プラス端子）より低くなると、コンパレータの出力はＯＦＦ状態になります。それにより、リレーは動作状態になります。（ＳとＭが接続されている状態） 温度設定用の可変抵抗器の両端に付けている抵抗器は以下のような目的があります。  ＋１２Ｖ側の抵抗器
 電圧変換部の出力電圧は最高でも電源電圧にはなりません。これはコンパレータの入力端子に電流が流れるため、電圧変換部のコレクタに接続している抵抗器で電圧降下が発生するためです。温度設定電圧を電源電圧まで上げてしまうと常に温度設定電圧の方が高くなり、温度調節ができません。リレーは常に動作状態になります。 使用する時に気を付ければ、特に抵抗器を付ける必要はありません。 接地側の抵抗器
 この抵抗器がない場合に温度設定を最高にすると、コンパレータのプラス端子は０Ｖになります。そのため、電圧変換部の電圧が０Ｖになるまでリレーが動作しないことになります。今回の回路では電圧変換部の出力は０Ｖにならないので、いつまで経ってもリレーは動作しないことになります。 最高温度が他の装置などで、ガードされている場合には特にこの抵抗器を付ける必要はありません。そうでない場合にはかならず、上限温度以上にならないように抵抗器を付ける必要があります。抵抗値は最高温度合わせて適切な値のものを使用する必要があります。 リレー制御回路 コンパレータの出力はオープンコレクタ（コレクタへの電源を外部から供給するタイプ）です。 そして、内蔵のトランジスタの最大許容損失電力は５００ｍＷになっています。ですから、小型のリレーを電源とコンパレータの出力の間に接続することにより、直接リレーを駆動することができます。 今回の回路ではそのような回路にはしていません。最初はバラックで上記のような回路にしたのですが、リレーの動作が不安定でした（動くべき時に動かないことがありました）のでトランジスタを使用した駆動回路にしています。 コンパレータの出力がＯＮ（設定温度以下を検出）の場合、駆動トランジスタのベースはほぼ接地電圧になるため、駆動トランジスタのベースには電流が流れず、トランジスタはＯＦＦ状態になります。リレーは動作しません。 コンパレータの出力がＯＦＦ（設定温度以上を検出）の場合、駆動トランジスタのベースにはＲ７およびＲ８を通して電流が流れ、トランジスタはＯＮ状態になります。リレーは動作します。 駆動トランジスタを使う場合と使わない場合とではリレーの動作状態は逆になります。 |