Терморегулятор для електричного казана
українська зима сувора та холодна, і про це знають усі. Тому приміщення, де перебувають люди, мають опалюватись. Найбільш поширеним є центральне опалення чи індивідуальні газові котли.
Нерідко виникають ситуації, коли ні те, ні інше не доступно: наприклад, у чистому полі стоїть невелике приміщення насосної станції водопроводу, і там цілодобово чергує машиніст. Також це може бути караульна вишка або окремо взята кімната у великій незаселеній будівлі. Таких прикладів можна знайти чимало.
В усіх випадках доводиться влаштовувати опалення з допомогою електрики. Якщо приміщення невелике, то можна обійтися звичайним масляним електричним радіатором побутового призначення. Для кімнати більше площею близько 15 - 20 квадратних метрів найчастіше опалення влаштовують водяне за допомогою радіатора, звареного з труб, який часто називають регістром.
Якщо пустити справу на самоплив і не стежити за температурою води, то рано чи пізно вона просто закипить і справа може закінчитися виходом з експлуатації всього електричного котла, насамперед його нагрівального елемента. Щоб такого неприємного випадку не сталося, температура нагрівання керується терморегулятором.
Один із можливих варіантів такого пристрою і пропонується в цій статті. Звичайно, нинішня зима вже закінчується, але не слід забувати, що сани найкраще готувати влітку.
Функціонально пристрій можна розділити на кілька вузлів: власне датчик температури, пристрій, що порівнює (компаратор) і пристрій управління навантаженням. Далі слідує опис окремих частин, їх схема і принцип роботи.
Датчик температури
Відмінною особливістю описуваної конструкції є те, що як датчик температури використовується звичайний біполярний транзистор, що дозволяє відмовитися від пошуку і придбання терморезисторів або датчиків різних типів, наприклад ТСМ.
Робота такого датчика заснована на тому, що, як і у всіх напівпровідникових приладів, параметри транзисторів значною мірою залежать від температури навколишнього середовища. Насамперед це зворотний струм колектора, який з підвищенням температури зростає, що позначається негативно на роботі, наприклад, підсилювальних каскадів. Їхня робоча точка зміщується настільки, що виникають значні спотворення сигналу, і надалі транзистор просто перестає реагувати на вхідний сигнал.
Така ситуація притаманна переважно схемам з фіксованим струмом бази. Тому застосовуються схеми транзисторних каскадів з елементами зворотного зв'язку, які стабілізують роботу каскаду в цілому, і в тому числі знижують вплив температури на роботу транзистора.
Така температурна залежність спостерігається у транзисторів, а й у діодів. Щоб у цьому переконатися, достатньо за допомогою цифрового мультиметра «продзвонити» будь-який діод у прямому напрямку. Як правило, прилад покаже цифру близьку до 700. Це якраз пряме падіння напруги на відкритому діоді, яке показує прилад в мілівольтах. Для кремнієвих діодів за температури 25 градусів Цельсія цей параметр становить приблизно 700 мВ, а германієвих діодів близько 300.
Якщо тепер цей діод трохи підігріти хоча б паяльником, то ця цифра поступово зменшуватиметься, тому вважається, що температурний коефіцієнт напруги у діодів -2мВ/град. Знак «мінус» в даному випадку вказує на те, що зпідвищенням температури пряма напруга на діоді зменшуватиметься.
Така залежність також дозволяє використовувати діоди як датчики температури. Якщо тим же приладом «продзвонити» переходи транзистора, результати будуть дуже схожі, тому транзистори досить часто застосовуються як датчики температури.
У нашому випадку робота всього терморегулятора таки заснована на цій «негативній» властивості каскаду з фіксованим струмом бази. Схема терморегулятора показано малюнку 1.
Рисунок 1. Схема терморегулятора (при натисканні на картинку відкриється схема у більшому масштабі).
Датчик температури зібраний на транзисторі типу VT1 КТ835Б. Навантаженням цього каскаду є резистор R1, а резистори R2, R3 задають режим роботи транзистора постійного струму. Фіксоване зміщення, про яке згадувалося трохи вище, задається резистором R3 таким чином, щоб напруга на емітері транзистора при кімнатній температурі становила близько 6,8 В. Тому на схемі позначення цього резистора присутня зірочка (*). Особливої точності тут домагатися не треба, аби не було це напруження набагато менше чи більше. Вимірювання слід проводити щодо колектора транзистора, який з'єднаний із загальним дротом джерела живлення.
Транзистор структури p-n-p КТ835Б обраний не випадково: колектор його з'єднаний з металевою пластиною корпусу, яка має отвір для кріплення транзистора на радіатор. За цей отвір транзистор кріпиться до невеликої металевої пластини, до якої також кріпиться провід, що підводить.
Датчик кріпиться за допомогою металевих хомутів до труби системи опалення. Оскільки, як уже зазначалося, колектор з'єднаний із загальним проводом джерела живлення, між трубою тадатчиком не потрібно ставити ізолюючу прокладку, що спрощує конструкцію та покращує тепловий контакт.
Компаратор
Для завдання температури служить компаратор, виконаний на операційному підсилювачі ГР1 типу К140УД608. Через резистор R5 на його вхід, що інвертує, подається напруга з емітера транзистора VT1, а на неінвертуючий вхід через резистор R6 подається напруга з движка змінного резистора R7.
Ця напруга задає температуру, коли буде відключатися навантаження. Резисторами R8, R9 задаються верхній і нижній діапазон установки порога спрацювання компаратора, а отже межі регулювання температури. За допомогою резистора R4 забезпечується необхідний гістерезис спрацьовування компаратора.
Пристрій управління навантаженням
Пристрій керування навантаженням виконано на транзисторі VT2 та реле Rel1. Тут знаходиться індикація режимів роботи терморегулятора. Це світлодіоди HL1 червоного кольору і HL2 зеленого. Червоний колір означає нагрівання, а зелений, що задана температура досягнута. Діод VD1, включений паралельно обмотці реле Rel1, захищає транзистор VT2 від напруги самоіндукції, що виникають на котушці реле Rel1 в момент відключення.
Сучасні малогабаритні реле дозволяють комутувати досить великі струми. Прикладом такого реле може бути реле фірми Tianbo, показане малюнку 2.
2. Малогабаритне реле фірми Tianbo.
Як видно на малюнку, реле допускає комутацію струму до 16А, що дозволяє керувати навантаженням потужністю до 3Квт. Це максимальне навантаження. Щоб полегшити режим роботи контактної групи, потужність навантаження слід обмежити лише на рівні 2…2,5 КВт. Такі реле в даний час застосовуються дуже широко в автомобільній тапобутової техніки, наприклад, у пральних машинах. При цьому габарити реле не перевищують розмірів сірникової коробки!
Робота та налагодження терморегулятора
Як було сказано на початку статті, при кімнатній температурі напруга на емітері транзистора VT1 близько 6,8 В, а при нагріванні до 90°C напруга знижується до 5,99 В. Для проведення подібних дослідів як нагрівач підійде настільна лампа з металевим абажуром, а для вимірювання температури китайський цифровий мультиметр із термопарою, наприклад DT838. Якщо датчик зібраного пристрою зміцнити на абажурі, а лампу увімкнути через контакт реле, можна буде на такій установці перевірити роботу зібраної схеми.
Робота компаратора побудована таким чином, що якщо напруга на вході, що інвертує (напруга термодатчика) вище, ніж напруга на вході неінвертуючому (напруга уставки температури), на виході компаратора напруга близька до напруги джерела живлення, в даному випадку його можна назвати логічною одиницею. Тому транзисторний ключ VT2 відкритий, реле включено, і реле контакти включають нагрівальний елемент.
У міру розігріву опалювальної системи нагрівається датчик температури VT1. Напруга на його емітері зі зростанням температури знижується, і коли воно стане рівним, а точніше трохи менше, ніж напруга, встановлена на движку змінного резистора R7, компаратор переходить в стан логічного нуля, тому транзистор замикається і реле відключається.
Нагрівальний елемент знеструмлюється, і радіатор починає остигати. Транзисторний датчик VT1 також остигає, а напруга на його емітері підвищується. Як тільки ця напруга стане вищою, ніж встановлено резистором R7, компаратор перейде в стан високого рівня, реле включиться і процес повторитьсязнову.
Трохи про роботу схеми індикації, точніше призначення її елементів. Світлодіод HL1 червоного кольору вмикається разом з обмоткою реле Rel1 і вказує на те, що відбувається нагрівання опалювальної системи. У цей час транзистор VT2 відкритий, і через діод D2 шунтує світлодіод HL2, зелене світло погашене.
Коли задана температура буде досягнута, транзистор закриється та відключить реле, а разом із ним червоний світлодіод HL1. У той же час, закритий транзистор перестане шунтувати світлодіод HL2, який запалиться. Діод D2 необхідний для того, щоб світлодіод HL1, а разом із ним і реле не могли включитися через світлодіод HL2. Світлодіоди підійдуть будь-які, тому їх тип не вказано. Як діоди D1, D2 цілком підійдуть широко поширені імпортні діоди 1N4007 або вітчизняні КД105Б.
Блок живлення терморегулятора
Потужність схемою потужність невелика, тому як блок живлення можна використовувати будь-який мережевий адаптер китайського виробництва, або зібрати стабілізований випрямляч на 12В. Струм споживання схеми трохи більше 200мА, тому підійде будь-який трансформатор потужністю трохи більше 5Вт і вихідним напругою 15…17В.
Схема блоку живлення показана малюнку 3. Діодний міст виконаний також на діодах 1N4007, а стабілізатор напруги +12В на інтегральному стабілізаторі типу 7812. Потужність потужність невелика, тому встановлювати стабілізатор на радіатор не потрібно.
Малюнок 3. Блок живлення терморегулятора.
Конструкція терморегулятора довільна, більша частина деталей змонтована на друкованій платі, краще, якщо там буде змонтований і блок живлення. Транзисторний датчик приєднується за допомогою двожильного кабелю екранованого, при цьому колектор транзистора з'єднується за допомогоюекран.
Бажано, щоб на кінці кабелю був триконтактний роз'єм, а на платі його частина у відповідь. Можна також на платі встановити малогабаритну клемну колодку, хоча це менш зручно, ніж роз'єм. Таке з'єднання значно полегшить встановлення датчика та всього пристрою в цілому на місці застосування.
Готовий пристрій слід розмістити у пластиковому корпусі, а зовні встановити резистор установки температури R7 та світлодіоди HL1 та HL2. Краще, якщо ці деталі також буде розпаяно на платі, а в корпусі для них зроблено отвори.
Підключення до силової мережі та підключення нагрівача здійснюється через клемник, який слід зміцнити усередині пластмасового корпусу. Для захисту всього пристрою загалом підключення слід здійснювати згідно з ПУЕ, використовуючи апаратуру захисту.
Подібних терморегуляторів було виготовлено кілька штук і всі вони показали прийнятну точність регулювання температури, а також дуже високу надійність, адже за такої простоти схеми ламатися власне кажучи нічому.