Danas je nabavljen laboratorijski termostat oznake TP 24, proizvod njemačke tvrtke Haake iz 1970-tih godina. Tvrtka Haake (Thermo Haake) je tijekom samostalnog postojanja proizvodila različite aparate, instrumente i opremu za opremanje kemijskih laboratorija, a danas je u vlasništvu globalne korporacije Thermo Fisher Scientific gdje se pod imenom Hakke proizvode još uglavnom samo uređaji i oprema za viskometriju i reometriju (određivanje viskoznosti i protočnosti tekućina). Najranije spominjane termostata Haake TP 24 pronašli smo u znanstvenim radovima iz područja kemije koji datiraju iz sredine 1970-tih godina.
Jednako kao i za tvrtku Haake, tako je i za termostat TP 24 danas već teško pronaći bilo kakve podatke, no u laboratorijima je najčešće korišten za održavanje temperature u komorama viskozimetra. Stoga smo ulogu pojedinih kontrola dokučili pregledom sklopovlja u unutrašnjosti na koje su iste spojene.
Željena temperatura namješta se pomoću prve četiri kontrole na lijevoj strani (tri sklopke i potenciometar). Kao što se vidi na slici prvom sklopkom odabire se temperatura u koracima x100°, a zatim slijede koraci x10°, x1° i x0,1°. Na ovaj način, u kombinaciji sa sklopkom za odabir temperature iznad nule i ispod nule +/-, može se odabrati bilo koja temperatura u rasponu od -200° do +800° sa rezolucijom od 0,1°.
Slijedi mrežna sklopka sa zelenim indikacijskim svjetlom, a desno su još dva potenciometra sa crvenim kontrolnim lampicama. Prvi potenciometar (Dauerheizung – kontinuirano grijanje) kombiniran je sa sklopkom i služi za isključivanje automatske regulacije temperature i uključenje kontinuiranog rada grijača snagom u rasponu 0% do 100%. Kad je sklopka prvog potenciometra isključena (krajnji lijevi položaj) tada radi automatska regulacija temperature, a snaga koja se dovodi na grijač namješta se drugim potenciometrom (Regelheizung – regulirano grijanje) također u željenom rasponu od 0% do 100%. Prva crvena indikacijska lampica signalizira rad kontinuiranog napajanje grijača, a druga lampica se uključuje u periodima kad grijač dobiva napajanje preko automatske regulacije. Ova dva regulatora mogu se i kombinirati, odnosno mogu biti oba uključena sa određenim podešenjima snage. Takvim kombinacijama donekle se kompenzira inercija grijača (vrijeme potrebno da se zagrije ili ohladi) odnosno postiže se manja razlika između minimalne i maksimalne temperature u grijanom objektu i preciznije održavanje zadane temperature.
Na zadnjoj strani ističe se bijela utičnica sa osiguračem 220V/10A na koju se priključuje grijaće tijelo čiji rad želimo regulirati. Slijedi sklopka “Neutralausgang” i dvije priključnice. Sklopkom se uključuju priključnice spojene na poseban relej, tako da je jedna priključnica spojena na otvorene kontakte releja (II), a druga na zatvorene kontakte (III), naravno gledano s pozicije kada relej nije aktiviran. Na ove priključnice se tako mogu spojiti različiti vanjski kontrolni ili indikacijski uređaji, npr. alarmi ili upravljači veće snage.
Slijede dva trimer potenciometra. Potenciometrom Xr služi za finu kalibraciju uređaja, a potenciometrom 10 Ω u kombinaciji sa sklopkom 10 Ω, kompenzira se otpor dovodnih vodova do temperaturnog senzora (ukoliko su ti vodovi jako dugački). Naime, termostat Haake TP 24 predviđen je za rad sa temperaturnim senzorima Pt 100. Pt100 je u naravi termootpornik ili RTD (engl. Resistance Temperature Detectors), dakle promjenom temperature mijenjati će njegov električni otpor i to je mjerna veličina na koju reagira elektronika termostata. Pt100 na temperaturi od 0° ima otpor od 100 Ω. Puni mjerni raspon mu je od -200°C do 800°C pri čemu se otpor istog mijenja u rasponu cca 18,5-390 Ω. Za promjenu temperature od 1°C vrijednost otpora PT100 će se promijeniti za oko 0,425 Ω tako da otpor (dužih) poveznih vodova svakako ima utjecaj na ukupnu vrijednost pa je ovo potrebno kompenzirati.
Lijevo je priključnica Programmgeber sa pripadajućom sklopkom i ona služi za spajanje nekog vanjskog programatora temperature pri čemu se isključuje interni odabir temperature pomoću prve četiri kontrole na prednjoj ploči. U konačnici tu su i dvije priključnice za spajanje temperaturnih senzora Pt100. U priključnicu “Fuhler I” spaja se glavni senzor, a u priključnicu “Fuhler II” preko pripadajuće sklopke može se postaviti dodatni senzor.
Sve u svemu vidimo da se radi o prilično univerzalnom preciznom termostatu koji se može iskoristiti za mnoge sustave. Pa pogledajmo od kojih se sklopova sastoji…
Termostat Haake TP 24 bazira se na operacijskom pojačalu UA709HC koje radi kao komparator mjernog i referentnog napona. Riječ je o vrlo uobičajenom dizajnu gdje se na invertirajući ulaz dovodi stabilan referentni napon (u našem slučaju stabiliziran zener diodama), a na neinvertirajući ulaz dovodi se napon preko otporničkog djelitelja napona koji čine otpor odabran vanjskim kontrolama (u našem slučaju mreža otpornika odabrana sklopkama i potenciometrom za odabir temperature) i otpor temperaturnog senzora (u našem slučaju Pt100). Ovisno o promjeni otpora na neinvertirajućem ulazu mijenjati će se i izlazni naponski nivo iz komparatora (operacijskog pojačala) koji se dalje koristi za okidanje tranzistora, releja i u konačnici triaka ili tiristora snage kao krajnju elektroničku sklopku za grijač.
Lijevo je pločica releja (relejne sklopke) za vanjske priključnice “Neutralausgang”, a desno je sama elektronika regulatora sa operacijskim pojačalom UA709HC.
Modul releja za priključnice “Neutralausgang” ima vlastiti mrežni ispravljač i tranzistor za okidanje releja. Na taj način relej radi potpuno autonomno te se na ovu pločicu dovodi samo mrežno napajanje i upravljački signal sa operacijskog pojačala. Ovakav dizajn najvjerojatnije je odabran kako bi se relejni modul mogao jednostavno ugraditi i u bilo koji drugi slični uređaj.
Modul operacijskog pojačala također ima vlastiti mrežni ispravljač, a izlaz se šalje preko reed releja (žuto-plavi element s oznakom CLARE). Ovaj relej radi gotovo isto kao i svaki drugi elektromagnetski relej, osim što se kod reed releja kontakti ne spajaju preko kotve, nego su tako dizajnirani i od takvog materijala da se izravno spajaju smješteni unutar magnetskog polja zavojnice.
Operacijsko pojačalo UA709HC u spoju komparatora čini srce automatike termostata.
Kontrole za odabir temperature, programator ili kako god nazvali ovo sklopovlje nije ništa drugo nego malo složeniji promjenjivi otpornik. Koriste se otpornici tolerancije 1% koji se na potrebnu vrijednost preklapaju pomoću tri sklopke. Prva sklopka (x100) uključuje otpornike vrijednosti 42,5 Ω, druga sklopka (x10) otpornike 4,25 Ω, a treća sklopka (x1) otpornike 0,425 Ω. Posljednji u nizu je potenciometar od 0,5 Ω kojim se fino regulira željena temperatura unutar 1°C. Vidimo da je odabrana vrijednost otpornika koja odgovara promjeni otpora temperaturnog senzora Pt100 pri promjeni temperature za 1°C (0,425 Ω). Na taj način se ovim potenciometrom za svaku odabranu temperaturu dobivaju vrijednosti otpora koje odgovaraju otporu Pt100 sonde na istoj temperaturi. Ovo pak ukazuje da se na operacijskom pojačalu kompariraju naponi dobiveni djeliteljima napona koji uključuju otpor senzora i otpor programatora.
Regulator snage za grijač bazira se na snažnom triaku kojim upravlja elektronički sklop podesiv pomoću vanjskih kontrola Dauerheizung i Regelheizung. Ovakvi regulatori napona široko se koriste kao regulatori jačine svjetla, brzine vrtnje elektromotora i općenito za sve aplikacije gdje je potrebna kontinuirana regulacija napona. Triak prilikom regulacije izmjeničnog napona ne propušta čitavu sinusoidu već unosi veće ili manje prekide (stanja bez napona) unutar iste. Što su ti prekidi duži to je ukupni srednji napon koji se dovodi na trošilo manji čime se proporcionalno smanjuje i snaga istog. S obzirom da su frekvencije prekida jakih struja vrlo brze (nekoliko mikrosekundi od nule do vršne vrijednosti napona) ovakvi sklopovi u radu proizvode izrazite RFI smetnje koje se zrače preko vodova između triaka i trošila. Da bi se to potisnulo redovno se ugrađuju RFI filtri od LC elemenata.
Regulator snage grijača sa izlaznim triakom montiranim na poveće hladilo. Ovaj modul također ima vlastiti mrežni ispravljač za napajanje elektronike regulatora. Ističe se poveća zavojnica za potiskivanje RFI smetnji koje neizbježno proizvode ovakvi regulatori.
Iako je termostat Haake TP 24 proizveden i zamišljen kao namjenski laboratorijski uređaj, zahvaljujući svojoj konstrukciji sa jednostavnim kontrolama i standardnim priključnicama, isti se može iskoristiti i za puno drugih namjena gdje je potrebna kakva fina termostatska regulacija ili pak manualna regulacija izmjeničnog mrežnog napona za trošila koja vuku struju do 10 A. Naravno, ako ništa drugo, od ovog uređaja možemo iskoristiti i samo njegov vrlo zanimljiv potenciometar, ukoliko kakvu običnu potenciometarsku kontrolu na nekom elektroničkom uređaju ili alatu (npr. lemilici) želimo učiniti malo posebnijom 🙂