Електронний терморегулятор для масляного радіатора
Досить часто в побуті для опалення доводиться користуватися радіаторами масляними. Як правило, такі дні настають восени, коли на вулиці вже досить холодно, а служби комунального господарства не поспішають вмикати централізоване опалення у квартирах. Ці радіатори не спалюють кисень повітря на відміну від інших типів електричних опалювальних приладів.
Температура нагріву у таких радіаторів визначається за допомогою електромеханічного регулятора, основою якого є біметалічна пластина, - вона керує роботою механічного контакту. Цей контакт відключає нагрівач після досягнення заданої температури.
Коли такий регулятор стає непридатним, відремонтувати його не вдається майже в ста відсотках випадків. Користуватися радіатором без регулятора температури стає неможливо: або треба вручну періодично його включати - вимикати, або сидіти і чекати, коли трапиться пожежа. Позбутися цієї ситуації допоможе напівпровідниковий терморегулятор, що описується в цій статті.
Напівпровідникові датчики температури
Відмінною особливістю даного регулятора є те, що він не вимагає калібрування температури, оскільки в ньому застосований датчик LM335AZ, відкалібрований при його виготовленні фірмою – виробником.
Таких каліброваних датчиків температури випускається кілька типів, наприклад DS1621, DS1820 та деякі інші. Ці датчики видають показання температури в цифровому вигляді, тому результат вимірювання доступний лише мікроконтролерів, які вимагають програмування.
Аналоговий датчик температуриLM335AZ
Датчик LM335AZ видає результат вимірювання в аналоговому вигляді (напруга), що не вимагає застосування мікроконтролерів та написання програм. Достатньо зібрати нескладну схему і пристрій працюватиме, як задумано. Схема описуваного терморегулятора наведено малюнку 1.
Малюнок 1. Терморегулятор для масляного радіатора.
За принципом дії LM335AZ є одним із різновидів напівпровідникового керованого стабілітрона, напруга стабілізації якого залежить від температури навколишнього середовища. Ця характеристика строго нормована та становить 10 мВ/°C. При цьому температурний коефіцієнт напруги (ТКН) позитивний, тобто зі збільшенням температури на кожний градус, напруга на виході такого датчика зростає на 10 мВ.
Фірма - виробник гарантує, що при зміні температури в межах -40 ... +100 ° C характеристика датчика лінійна, а похибка становить не більше ±1 ° C. Такої точності цілком достатньо регулювання температури опалювального приладу. Слід окремо помітити, що таких параметрів буде досягнуто при струмі через стабілітрон на рівні 0,45...5,0 мА.
Простий приклад: якщо в нас в кімнаті настінний термометр показує 25 градусів, то напруга на виході датчика LM335AZ складе (273 + 25 ) * 10 = 2980 мВ або 2,98 В. Неважко підрахувати, що якщо масляний радіатор розігріватиметься до 70 ° напруга навиході датчика LM335AZ складе (273 + 70) * 10 = 3430 мВ або 3,43 В. Виходить, що для створення терморегулятора необхідно лише поміряти напругу на виході датчика і порівняти його з опорною напругою, яка і задає температуру нагріву.
Після такого детального розгляду датчика можна перейти до опису принципової схеми терморегулятора, яка містить невелику кількість деталей, проста у виготовленні і не потребує налагодження.
Блок живлення терморегулятора
Блок живлення терморегулятора зібраний за загальновідомою схемою з конденсатором, що гасить. На схемі це C1. Паралельно йому встановлений резистор R1, через який вищезгаданий конденсатор буде розряджатися після відключення пристрою від мережі.
Найбільше ця розрядка потрібна при налаштуванні та виготовленні терморегулятора, - погодьтеся, що не дуже приємно отримувати електричні удари, по забудькуватості схопившись за заряджений до напруги конденсатор.
Резистор R2 знижує пусковий струм при підключенні до мережі, а в аварійних ситуаціях працює як запобіжник. Його потужність має бути не менше 1 Вт. При менших потужностях цей резистор згоряє через руйнування резистивного шару навіть при повністю справному пристрої.
Випрямлене мостом напруга за допомогою стабілітрону VD2 обмежується на рівні 12В, а конденсатор С4 згладжує його пульсації. Конденсатор С6 призначений для згладжування імпульсних та високочастотних перешкод, що надходять із мережі. Напруга 12 В використовується для живлення мікросхеми компаратора, індикаторних світлодіодів HL1, HL2 і світлодіода систорного оптрона U1.
Другий ступінь стабілізації виконаний на інтегральному стабілізаторі 78L05, що має на виході напругу +5 В. Ця напруга використовується для живленнядатчика температури та отримання опорної напруги на вході компаратора. Від стабільності цієї напруги залежить стабільність роботи всього пристрою загалом.
Датчик температури ВК1 одержує живлення від стабілізатора DA2 через резистор R3. Напруга з датчика через помеходавний фільтр R4, C2, R5 надходить на неінвертуючий вхід 3 компаратора (порівнюючого пристрою) DA1.1.
На інвертуючий вхід 2 компаратора також через помеходавний фільтр R14, C3, R6 подається опорна напруга, яка задає температуру нагрівання.
Налаштування приладу зводиться до того, щоб за допомогою підстроювального резистора R15 на лівому за схемою виведення резистора R17 виставити напругу, яку видасть датчик за максимальної заданої температури. Якщо обмежити нагрівання на рівні 70 ° С, то за шкалою Кельвіна це відповідає 343 ° К, тому напруга датчика буде 3, 43 В. При температурі, наприклад, 80 ° С на виході датчика є 3,53 В.
У свою чергу на правому за схемою виведенні резистора R17 слід виставити напругу відповідно до нижньої межі діапазону. Ця установка здійснюється підбором резистора R18. Резистор R17 також може бути під руками не того номіналу, як зазначено на схемі. Зважаючи на те, що при 0 °С (що відповідає 273 °К) на виході датчика напруга 2,73 В, можна для приблизного розрахунку номіналів цих резисторів скористатися пропорцією R17/(3,43 – 2,73) = R18/2, 73, з якої неважко підрахувати опір будь-якого резистора.
Принцип роботи схеми
Тепер кілька слів про те, як працює схема. Напруга з температурного датчика надходить на неінвертуючий вхід компаратора 3. На вхід, що інвертує 2 надходить напруга з движка резистора R17. Поки що напруга на неінвертуючомувході вище, ніж на інвертуючому, вихідний транзистор компаратора відкрито, тому світлодіод симісторного оптрона U1 засвічений. Для індикації відкритого стану оптрон служить світлодіод HL1 червоного кольору. У свою чергу також відкритий симістор VS1 та підключений нагрівач.
У міру прогрівання радіатора напруга на виході ВК1 датчика зростає. Як тільки ця напруга перевищить напругу на вході, що інвертує, закриється вихідний транзистор компаратора і згасне світлодіод оптрона - навантаження відключиться.
Після того, як радіатор трохи охолоне, цикл нагрівання повториться знову. На скільки охолоне радіатор обумовлено шириною петлі гістерези компаратора, яка залежить від опору резистора R7. Конденсатор С5 запобігає збудженню компаратора на високих частотах.
У корпусі мікросхеми LM2903N міститься два компаратори. Тому можна на другому компараторі зібрати індикатор, який показує, що нагрівання завершено, і напруга в мережі є. Цей індикатор зібраний на DA1.2 та світлодіоді HL1 зеленого кольору, який буде спалахувати в той час, коли нагрівач буде вимкнений.
Декілька слів про деталі. Резистори R9, R12 призначені для забезпечення режимів роботи оптронного фотосимістора, а ланцюжок R8, C9 призначений для придушення викидів напруги на симісторі VS1. Імпортний симистор, вказаний на схемі, успішно може бути замінений вітчизняними ТС 112-16 чи ТС 125-22. З такими симісторами можна комутувати навантаження потужністю до 2,5 кВт. Для їх встановлення знадобиться невеликий радіатор, від якого симистор слід ізолювати за допомогою слюдяних або керамічних прокладок.
Конструкція регулятора довільна: якщо дозволяє конструкція масляного радіатора, його можна встановити всередині. Також можна виготовититерморегулятор у вигляді окремого блоку. У цьому випадку, звичайно, потрібно помістити його в якийсь корпус. Зовні корпусу слід вивести світлодіоди HL1, HL2 і ручку змінного резистора R17, за допомогою якого можна в деяких межах регулювати температуру нагріву. Світлодіоди HL1, HL2 можуть бути будь-якого типу, причому HL1 зеленого кольору, а HL2 червоного.
Пристрій виготовлено на друкованій платі, можливий варіант якої показано малюнку 2.
Малюнок 2. Друкована плата терморегулятора.
Для встановлення на платі застосовані такі типи деталей: оксидні конденсатори вітчизняні К50-35 або імпортні, конденсатори С1 і С9 плівкові типу К73-17, решта малогабаритних конденсаторів керамічних. Оксидні конденсатори повинні бути з допустимою температурою щонайменше +105 °С, яка вказується на корпусі конденсаторів.
Постійні резистори типу МЛТ 0,125 або імпортні. Подстроечный резистор R1 типу СП5-28Б чи інший многооборотный – з допомогою верхня межа нагріву буде встановлена точніше.
Змінний резистор R17 дротяний типу ППБ-3В. Його призначення - встановлення температури нагріву. Найкраще встановити цей резистор на місце старого електромеханічного регулятора.
Датчик температури LM335AZ, якщо дозволяє конструкція радіатора, слід встановити те місце, де раніше було встановлено електромеханічний датчик. При цьому старий датчик, звісно, доведеться знімати. З'єднання датчика з друкованою платою найкраще виконати кручений парою проводів. Це дозволить значно знизити вплив перешкод працювати всього пристрою загалом.
Коли регулятор буде виконаний як окремий блок світлодіоди HL1, HL2 встановлюються безпосередньо на платі. А якщо плату вдасться сховати всерединіобігрівача, то для встановлення світлодіодів знадобиться просвердлити отвори в корпусі обігрівача. Самі світлодіоди в цьому випадку слід розмістити на пластині з ізолюючого матеріалу, наприклад, склотекстоліту або гетинаксу.
Налагодження пристрою нескладне. Насамперед слід перевірити монтаж на відповідність схемі та відсутність дефектів у вигляді замикань доріжок на платі або їх обриву. Після цього переконатися в наявності напруги +12 на стабілітроні VD1 і напруги +5 на виході стабілізатора DA2.
Після цих перевірок за допомогою підстроювального резистора R15 встановити на лівому за схемою виведення змінного резистора R17 напруга 3,43 В. У правильній роботі регулятора можна переконатися, повертаючи змінний резистор R17. При цьому слід звернути увагу на світлодіодні індикатори.
Усі вимірювання слід проводити щодо мінусового виведення конденсатора С4 за допомогою цифрового мультиметра, наприклад типу DT838 або йому подібного.
Не слід забувати, що конструкція не має гальванічної розв'язки з електричною мережею. Тому треба бути уважним і обережним, а найкраще скористатися трансформатором, що розв'язує. Але потужність такого трансформатора не достатня для живлення масляного радіатора, тому на час налагодження (поки все лежить на столі і доступно) нагрівальний елемент можна замінити звичайною лампочкою потужністю 25...100 Ватт.
Температурний датчик у процесі налаштування можна нагрівати просто паяльником або щойно згаданою лампою. При цьому контрольна лампа гаснутиме при досягненні встановленої температури, і запалюватиметься після деякого остигання датчика. Ступінь остигання датчика залежить від гістерези компаратора, про що було написано вище.