Jaki termostat do terrarium: on/off, pulsacyjny czy ściemniający

Wersja krótka: kupiłem trzeci termostat, bo dwa pierwsze były tanie, i właściwie tak wygląda cała historia mojego terrarium. Mógłbym tu skończyć, ale skoro da się ją policzyć, to rozwinę.

Wpisujesz w wyszukiwarkę „termostat do terrarium" i dostajesz prawie same sklepy. W opisach najtańszych urządzeń wraca hasło „utrzymuje stałą temperaturę". Utrzymuje. Stale złą.

Problem zaczyna się od tego, że słowo „termostat" oznacza trzy zupełnie różne urządzenia, które robią trzy zupełnie różne rzeczy z prądem. Dopóki nie wiesz, które z nich trzymasz w ręku, dobierasz je do grzejnika losowo.

Trzy sposoby na to samo zadanie

Zadanie wygląda prosto: masz grzejnik, sondę i nastawę. Trzeba podawać prąd do grzejnika tak, żeby sonda pokazywała nastawę. Cała różnica siedzi w słowie „tak".

On/off jest najprostszą możliwą odpowiedzią: sterownik ma przekaźnik, a przekaźnik ma dwa stany. Jest zimno, więc włącz, jest ciepło, więc wyłącz, nic pomiędzy.

Pulsacyjny też ma tylko dwa stany, ale przełącza się między nimi kilkanaście razy na minutę i zmienia proporcję czasu włączenia do czasu wyłączenia. Grzejnik dostaje krótkie impulsy, a ponieważ ma bezwładność cieplną, uśrednia je sobie i grzeje mocą pośrednią. To jest ta sama idea, co PWM, którym w elektronice reguluje się jasność diody, tylko dużo wolniejsza.

Ściemniający nie przerywa zasilania, tylko obcina fragment każdej połówki sinusoidy napięcia sieciowego. Dzięki temu grzejnik dostaje mniej energii, ale w sposób ciągły, a żarnik świeci słabiej, zamiast migać.

Trzy podejścia, jedno zadanie. Symulacja pokazuje różnicę lepiej niż kolejny akapit:

Ta czerwona piła nie jest usterką: tak wygląda poprawnie działający tani termostat.

Histereza, czyli dlaczego piła jest piłą

Gdyby sterownik on/off włączał grzanie dokładnie przy 31,99 °C i wyłączał przy 32,01 °C, przekaźnik klikałby kilkanaście razy na minutę. Zużyłby się w kilka tygodni, więc producent wpisuje w oprogramowanie histerezę: pasmo nieczułości wokół nastawy. Grzanie włącza się dopiero wtedy, gdy temperatura spadnie o pełne X stopni poniżej nastawy, i wyłącza dopiero wtedy, gdy przekroczy ją o X stopni.

Histereza 2 °C brzmi niewinnie, dopóki nie zobaczysz jej na wykresie.

Do tego dochodzi bezwładność. Mata grzewcza po odcięciu zasilania nie stygnie natychmiast, bo jeszcze przez kilka minut oddaje ciepło zgromadzone w podłożu, więc temperatura przelatuje ponad górny próg. A gdy sterownik w końcu włączy grzanie, minie kilka minut, zanim cokolwiek dojdzie do sondy, więc temperatura przelatuje też pod dolny próg. Histereza plus przeregulowanie w obie strony i z dwóch stopni robi się prawie cztery.

Producenci tanich sterowników zwykle nie podają histerezy, ani na opakowaniu, ani w instrukcji. Nawet gdy ją podają, chodzi o histerezę sterownika, czyli pasmo między progiem włączenia i wyłączenia. Amplituda temperatury w terrarium jest większa o przeregulowanie z obu stron, a ono zależy od grzejnika, podłoża i miejsca sondy, nie od sterownika. To są dwie różne liczby i tu siedzi sedno sprawy.

Który do czego

Kluczowe pytanie brzmi: czy twój grzejnik świeci?

Ostatni wiersz jest ważny, więc powtórzę go osobno: świetlówki UVB nie podłącza się pod termostat. Ani pod pulsacyjny, ani pod ściemniający, bo świetlówka nie jest grzejnikiem i jej zadaniem nie jest podnoszenie temperatury. Sterowanie jej mocą zmienia widmo, a nie tylko jasność. Świetlówka idzie na zegar, kropka.

Co dokładnie mierzy Twoja sonda

Tu najczęściej przewracam się ja i wszyscy, których znam.

Sonda przyklejona taśmą do spodu szyby, nad matą, mierzy temperaturę szyby. Nie podłoża, nie powietrza, nie zwierzęcia, tylko szyby. Jeżeli ustawisz na tej sondzie 32 °C, to na powierzchni podłoża, pod trzema centymetrami substratu, będzie znacznie mniej. Policzyłem to tak samo jak w tekście o macie i żarówce: 3 cm suchego piasku (k = 0,27 W/(m·K)), oddawanie ciepła z powierzchni h ≈ 10 W/(m²·K), powietrze nad podłożem 26 °C. Opór piasku 0,111 m²·K/W jest większy niż opór powierzchni 0,1, więc ponad połowa różnicy temperatur zostaje w samym piasku. Wychodzi, że przy 32 °C na szybie powierzchnia ma ok. 28,8 °C, czyli ponad trzy stopnie mniej, niż pokazuje wyświetlacz.

Termostat tu nie popełnia błędu, błąd siedzi w interpretacji.

Ja steruję z punktu B, bo to jest powierzchnia, na której faktycznie leży zwierzę. Punkt A trzymam jako podgląd, żeby wiedzieć, czy mata sama się nie przegrzewa, a punkt C jest ciekawy, ale niczym nie steruje.

Czego naprawdę szukać w opisie produktu

Sklepy podają moc wyjścia, kolor obudowy i informację, że urządzenie jest „precyzyjne". Rzeczy, które naprawdę mają znaczenie, wyglądają tak:

• typ wyjścia: przekaźnikowe (on/off), pulsacyjne, ściemniające; jeśli nie napisano, prawie na pewno przekaźnikowe;
• histereza i czy da się ją ustawić; sterowniki z regulowaną histerezą pozwalają zejść do 0,5 °C i to zmienia wykres nie do poznania;
• rozdzielczość odczytu: 0,1 °C czy 1 °C; przy rozdzielczości 1 °C sterownik nie ma jak trzymać wąskiego pasma, bo nie widzi różnicy;
• maksymalne obciążenie oraz, przy ściemniaczach, minimalne, bo dolny próg regulacji potrafi być wyższy niż moc małej żarówki;
• funkcja spadku nocnego: jeśli jej nie ma, dokłada się osobny zegar, co komplikuje układ.

W kartach produktów w sklepach histereza pojawia się rzadko. Jeśli gdzieś jest, to w dokumentacji technicznej producenta, i tam warto szukać.

Sterownik własnej roboty: tak, ale nie do grzania

Pi steruje u mnie oświetleniem i wysyła mi na telefon powiadomienie, gdy coś odjedzie od zakresu. Nie steruje grzaniem i nie będzie.

Powód jest zawodowy. Piszę oprogramowanie od dziesięciu lat i wiem, ile rzeczy potrafi pójść nie tak: zawieszony proces, pełny dysk, aktualizacja jądra, karta SD, która po dwóch latach zamienia się w cegłę. W serwerowni takie zdarzenie oznacza alert, a w terrarium oznaczałoby grzałkę, która została włączona i nie ma kto jej wyłączyć.

Dlatego moja automatyka wisi obok, a nie w torze bezpieczeństwa. Grzejnik jest podłączony do sprzętowego termostatu z niezależną sondą, który działa nawet wtedy, gdy Pi leży. Kod może mi popsuć powiadomienia, ale nie może popsuć zwierzęcia.

Jeśli chcesz zrobić to samo, zostaw sobie tę zasadę: automatyka dokłada wygodę i dane, a nie zastępuje ostatniej linii zabezpieczenia.