Схема терморегулятора на симисторе для электронагревателя

Огромное количество электрических приборов, используемых в быту и промышленности, основывают свою работу на определении уровня температуры окружающей среды. Измерительный элемент в них представляет собой датчик температуры, срабатывающий при нагревании или охлаждении до установленного уровня. Их можно приобрести в большинстве магазинов, ими комплектуются духовки, контроллеры и прочие устройства, но гораздо интереснее изготовить терморегулятор своими руками.

Далее мы рассмотрим принцип действия и варианты изготовления такой самоделки.

Немного теории

Любой терморегулятор конструктивно включает в себя три основных блока:

• измерительный;
• логический;
• исполнительный.

Теоретически температурный датчик можно представить набором из четырех сопротивлений, среди которых три резистора будут представлены элементами с постоянными электрическими параметрами, а четвертый переменным. Они собираются в схему измерительного полуплеча, приведенную на рисунке 1 ниже:

На схеме показан принцип соединения резисторов для получения температурного датчика. Как видите, сопротивление R2 является переменным и меняет физическую величину в соответствии с изменениями температуры окружающей среды. При подаче одного и того напряжения питания в терморегуляторе, при изменении сопротивления в плече будет возрастать ток в цепи.

На основании изменений происходит анализ температурных колебаний в результате которого рабочий орган вызывает срабатывание терморегулятора и последующее отключение или включение оборудования.

Для измерения сопротивления резисторов в качестве логического элемента устанавливается микросхема, работающая в режиме компаратора. Ее задача сравнить электрические сигналы в двух плечах. Пример схемы регулятора температуры приведен на рисунке:

Здесь блок микросхемы U1A принимает сигналы от измерителя температуры на входы 2 и 3. При достижении температуры срабатывания, в плечах начнет протекать разный ток, и компаратор выдаст на управляющий элемент электронного терморегулятора сигнал о включении.

При остывании датчика термометра ток в плечах терморегулятора уравняется, и электронный блок выдаст управляющий сигнал на отключение. Приведенная электронная схема  работает в двух устойчивых состояниях – отключенном и включенном, чередование рабочих режимов  происходит в соответствии с заданной логикой.

Эта схема терморегулятора используется в работе куллера персонального компьютера, получая электроснабжение от блока питания, происходит сравнение тока в плечах. Когда блок питания перегреется, терморегулятор переведет транзистор в противоположное состояние и вентилятор запустится.

Такой принцип может применяться не только в вентиляторах, но и в ряде других устройств:

• для контроля работы электрического отопления по температурным показаниям в помещении;
• для установки уровня температуры в самодельном инкубаторе;
• при подключении теплого пола для контроля его работы;
• для установки температурного диапазона работы двигателя,  с принудительным охлаждением или отключением системы при достижении граничного значения температуры;
• для паяльных станций или ручных паяльников;
• в системах охлаждения и холодильном оборудовании с логикой снижения температуры в определенных пределах;
• в духовках, печах как бытового, так и промышленного назначения.

Сфера применения терморегулятора ничем не ограничена, везде, где вы хотите получить контроль уровня температуры в автоматическом режиме с управлением питания, такое устройство станет отличным помощником.

Обзор схем

В зависимости от типа элементов, входящих в состав терморегулятора, различают механические и цифровые терморегуляторы. Работа первых основана на срабатывании реле, вторые имеют электронный блок, управляющий процессами. Примеры работы нескольких схем рассмотрим далее.

На приведенной схеме измерение происходит за счет резисторов R1 и R2, при температурных колебаниях переменный резистор  R2  изменит величину падения напряжения. После чего через усилитель терморегулятора, представленный парой транзисторов, начнется протекание электротока через катушку реле K1.

Когда величина тока в соленоиде создаст магнитный поток достаточной силы, сердечник притянется и переключит контакты в другое положение. Недостатком такого терморегулятора является наличие магнитопроводящих частей, которые из-за гистерезиса вносят дополнительную поправку на температуру помимо измерительного органа.

Данный терморегулятор, в отличии от механического термостата, не использует подключение реле, поэтому является более точным. Его применение оправдано в  тех ситуациях, когда несколько градусов могут сыграть весомую роль, к примеру, при контроле температуры нагрева двигателя или в инкубаторе.

Здесь изменение температурного режима фиксируется резистором R5, благодаря которому терморегулятор изменяет электрические параметры работы. Для сравнения и усиления разницы поступающего с полуплеч электрического параметра применяется микросхема К140УД7.

Для контроля нагрузки в схеме устанавливается тиристор VS1, в данном примере терморегулятора ограничение составляет 150Вт, но при желании может подбираться и другой параметр. Но следует учитывать, что эксплуатация тиристора в качестве ключа приводит к его нагреванию, поэтому с увеличением мощности необходимо установить радиатор для лучшей теплоотдачи.

Создаем простой терморегулятор

При ремонте бытовой электротехники вы могли сталкиваться с ситуацией, когда со строя выходил терморегулятор. Хоть это и небольшая микросхема, устанавливаемая для контроля величины нагрева или охлаждения чего-либо.

Увы, стоимость такого элемента заводского изготовления довольно высока, поэтому куда выгоднее собрать терморегулятор самому. Схема достаточно простого самодельного терморегулятора  приведена на рисунке ниже.

Для его изготовления вам понадобится:

• понижающий трансформатор с 220 на 12 В;
• шесть диодов (в рассматриваемом примере используются IN4007);
• конденсаторы на 47 мкФ, 1 мФ и 2 мФ;
• микросхема для стабилизатора на 5В;
• транзистор (в рассматриваемом примере это КТ814А);
• стабилитрон с регулируемым параметром (TL431);
• резистивные элементы на 4,7; 160, 150 и 910 кОм;
• резистор с изменяемым сопротивлением на 150 кОм;
• термозависимый резистор 50 кОм;
• светодиод;
• электромагнитное реле 100 мА с питающим напряжением 12В (в рассматриваемом примере используется автомобильный вариант);
• кнопка и корпус.

Процесс изготовления состоит из таких этапов:

• При помощи паяльника соберите вышеперечисленные детали на печатную плату, как показано на схеме выше.
• После этого выведите измерительный орган для терморегулятора на открытое пространство, чтобы установить в нужную локацию.

• Установите переменный резистор на жесткий каркас и нанесите градуировку температурных режимов для настройки прибора.

• На клеммник подключите шнур питания.

В данном случае клеммник взят со старого прибора, располагавшегося в корпусе.

• Подключите все отдельно размещенные элементы к плате и закройте корпусом.

После сборки терморегулятора его можно установить в любое место, к примеру, для обогрева и подключить в цепь питания электрического котла. В случае, когда радиаторы отопления нагреют помещение до установленной температуры, контакты реле разорвут цепь и прекратят электроснабжение. При остывании цифрового термометра, снова произойдет включение отопления и снова пойдет нагрев. Если вас не устраивает температурный режим, его можно изменить настройкой датчика.

Источник: www.asutpp.ru

РадиоКот >Схемы >Аналоговые схемы >Бытовая техника >

Теги статьи:

ТермостатДобавить тег

Внимание! Порядок добавления тегов имеет значение! Начинайте добавлять с наиболее важного. По возможности пользуйтесь уже существующими тегами

Два терморегулятора.

Автор: Сэр Мурр
Опубликовано 01.01.1970

Вашему вниманию предлагаются схемы двух термостатов: первый — для жидкостных сред на диапазон температур от 00 С до +125 0С (хотя не возбраняется и для воздушной среды),

второй — для мощных электронагревателей, например — муфельной печи на диапазон температур +200С…+10000С.

На схемах сделана разбивка на функциональные узлы (или блоки). У обоих термостатов есть одинаковые узлы:
Цифровой индикатор температуры, по которому производится отсчёт показаний и установка заданной температуры (схема находится на нашем сайте);
Узел сравнения измеренной температуры с заданной;
Узел пропорционального управления нагревателем;
Исполнительный узел включения нагревателя;
Источники питания и задания образцовых напряжений.
Схема цифрового индикатора подробно описана в статье «Цифровой индикатор», а узел измерения температуры для жидкостного термостата рассмотрен в статье «Превращение цифрового индикатора в цифровой термометр». Обе статьи расположены на нашем сайте.

Рассмотрим теперь работу узла пропорционального управления нагревателем.
Большинство простых схем регулировки температуры реализуют так называемый «релейный» способ управления нагревателем — пока температура ниже заданной, нагреватель включён, когда выше заданной — выключен.
ому способу присущ недостаток — нагреватель шурует на всю катушку, даже когда температура близка к заданной. В результате, после отключения нагревателя, температура по инерции выскакивает за заданный предел, потом опускается до температуры включения, потом снова выскакивает за пределы — то есть не поддерживается на заданном уровне, а колеблется около него вверх вниз. Хорошо, если этот процесс — затухающий. Но всё равно выход температуры свыше заданного предела не желателен. Вот для борьбы с этим явлением и применён узел пропорционального управления. Пока температура ниже порога срабатывания узла, нагреватель включён постоянно. По мере приближения к заданной температуре узел начинает выключать нагреватель на некоторые периоды времени, которые тем больше, чем ближе измеренная температура к заданной. Таким образом, при подстройке порога включения узла, на жидкостном термостате достигалась точность поддержания температуры 0,1 0С. На термостате для муфеля дело обстоит хуже, там из-за очень большой температурной инерции камеры наблюдается «выбег» температуры до 10 0С, но при температурах несколько сот градусов это не существенно. Соглашусь с возражениями, что подобный узел можно реализовать на генераторе линейно меняющегося напряжения и компараторе, но предложенная схема проста, и вполне повторяема.
ход узла нагружен на оптронный тиристор типа МОС3061, который, в свою очередь, включает мощный тиристор, управляющий нагревателем. Тиристорный оптрон МОС3061 примечателен тем, что включается при переходе коммутируемого напряжения через ноль, и потому практически исключены коммутационные помехи. ( Ранее Сэр Мурр городил целую схему для реализации этого принципа работы — на трёх транзисторах и маломощном тиристоре — примечание кота Сэра Мурра). И ещё одна особенность предложенного узла — управление мощностью осуществляется целым числом периодов сетевого напряжения, а не углом отсечки, что тоже способствует уменьшению помех. Ну, узел питания в описании не нуждается. Образцовое напряжение 1,000 вольт- эквивалент температуры +10000С для муфеля или +100,00С для жидкости. Можно выбрать и другие значения.

Теперь об узле измерения температуры для муфеля. Измерение температуры — термопарой. Для компенсации температуры холодного спая (специалисты знают, что это такое) используются две одинаковые термопары- одна, верхняя по схеме, — измерительная и находится внутри печи; вторая, -нижняя по схеме, находится на входных клеммах . Термопары изготовлены самостоятельно , путём сварки в пламени газовой горелки двух кусков термопарных проводов типа ТХА длиной 2 метра- сварены оба конца. Потом отрезается одна термопара длиной несколько сантиметров — это будет компенсационная термопара. А всё остальное — измерительная термопара. АХТУНГ! Не забывайте про полярность включения термопар на схеме — они включены встречно!
На выходе усилителя сигнала термопары установлен резистор, которым производится калибровка измеряемой температуры. С одной стороны, если известна температурная характеристика термопары, то можно сразу пересчитать термо-ЭДС в температуру. Но если характеристика неизвестна? Или термопара изготовлена неизвестно из чего? ( Можно в качестве одного из проводов взять провод из лампочки накаливания, на котором держится нить, а в качестве другого провода — стальной, или нихромовый — пробуйте! — примечание кота Сэра Мурра). Вот здесь подстроечный резистор и пригодится.

Сразу же расскажу о процессе калибровки.
Подстроечник Р1 устанавливаем в верхнее положение, опускаем измерительную термопару в смесь воды со льдом, и подстроечником Р5 устанавливаем на индикаторе 0 градусов. Затем на газовой горелке расплавляем много — много свинца ( чем больше, тем лучше) и помещаем туда измерительную термопару, предварительно извлекя… извлеча! (Грамотей! Загляни на сайт «GRAMOTA.RU» — примечание кота Сэра Мурра) термопару из холодной ванны и просушив её. Начинаем наблюдать по цифровому индикатору за процессом остывания предварительно расплавленного свинца. В процессе остывания будет проходиться точка кристаллизации расплава. В этой точке температура будет оставаться постоянной, и мы успеем её зафиксировать. Теперь понятно, зачем свинца чем больше, тем лучше? Правильно, чтобы чётче зафиксировать нашу контрольную точку- +327,50С. Но! Это — температура плавления и кристаллизации чистого свинца, без примесей! Температура кристаллизации свинцового сплава будет другой! (Температура плавления или кристаллизации олова +2320 С, цинка+ 419,60С- примечание кота Сэра Мурра) Процесс кристаллизации мы фиксируем по неизменности показаний измерителя, и визуально — по прекращению блеска жидкого металла. И вот теперь мы подстроечником Р5 устанавливаем заветную точку 327 на термометре.

А теперь немного о «подводных камнях» этого метода калибровки и измерения.
Наш измеритель — с линейной шкалой во всём диапазоне измерений. На самом деле характеристика любой термопары отличается от линейной, хотя и достаточно близка к ней. Притом, чем чувствительнее термопара, тем нелинейнее. Промышленные микроконтроллерные измерители учитывают эту нелинейность, и вносят соответствующие поправки. А мы с вами игнорируем эту неизвестную нелинейность. Шут с ней — нам и так хватает точности!
А теперь наш термометр можно проверить по температуре кипения воды +100 С, если вы живёте на высоте не более 500 метров над уровнем моря. Иначе придётся вносить поправку на понижение температуры кипения при уменьшении атмосферного давления. Или наоборот — на повышение, если вы — гном на собственной подземной фабрике.

Теперь немного рекомендаций о конструктивном исполнении. Вводы- выводы силовых цепей лучше делать на винтовых клеммных соединителях- разъёмы от компьютерных сетевых кабелей не выдерживают ток более 10 ампер. Например, на муфельной печи они расплавились. Правда, и муфель- 3-х киловаттный…

Для жидкостного термостата надо обязательно организовать циркуляцию воды — любым способом — насосом, аэрационным компрессором от аквариума, или перемешиванием ложкой. Иначе температура на дне и на поверхности может отличаться на несколько градусов. А мы претендуем на точность 0,1 градуса.. Для принудительного включения охлаждения жидкостного термостата используется компаратор на МС А4. Конечно, этот узел не обязателен, но может быть полезен, если вам понадобится регистрировать процесс охлаждения от заданной температуры.
Установка требуемой температуры осуществляется нажатием кнопочки, которая исходно зафиксирована на измерение температуры. А как нажал на кнопочку — пожалуйста, задавай температуру, накручивая установочный резистор (желательно многооборотный).
Ну, вроде всё.
Автор благодарен своему коту за высказанные ценные замечания во время написания статьи.

Вопросы как обычно складываем тут.

---

Как вам эта статья?	Заработало ли это устройство у вас?

---

Эти статьи вам тоже могут пригодиться:

Источник: www.radiokot.ru

↑ 1. Техническое задание

Поскольку заказчик не мог внятно сказать, что ему нужно, пришлось придумывать его самому.
Диапазон регулировки.
Комфортную температуру воды я определил, когда влез под душ со спиртовым термометром. Диапазон, с некоторым запасом оказался +30…40 градусов.

Мощность нагревателя.
Мощность ТЭНа я выбрал 1 кВт из следующих соображений: обычная электроарматура (контакты, провода и т. п.) рассчитана на 6 А. Надо учитывать ограничение потребления мощности на даче. Затем, надо учесть, что воду надо не кипятить, не превращать её в пар, на что уходит львиная доля мощности, а просто подогреть.
Выбор, например, нагревателя мощностью от 2 кВт привёл бы к тому, что монтаж надо было бы делать толстыми жесткими проводами, расчитаными на ток от 10 А. Кроме того, потребовался бы теплоотвод большего размера, а мне хотелось сделать малогабаритное устройство.

Электробезопасность.
Хорошее заземление сделать не так просто. И единственной надежной защитой при пользовании душем может быть только полное отключение нагревателя от электросети. Исходя из этого, выбиралась конструкция – перед приёмом душа устройство надо выдернуть из розетки. Дополнительная степень защиты – сетевой выключатель с размыканием обоих проводов. Кроме того, должна быть полная гальваническая развязка датчика температуры и платы управления от сети. Понятно, что гарантировать изоляцию ТЭНа мы не можем, тем не менее, надо принять все меры по уменьшению возможности поражения током даже при грубых нарушениях техники безопасности пользователем. Здесь надо включать УЗО, но это выходит за пределы нашей темы.

↑ 2. Схема терморегулятора

Схема известна уже не один десяток лет, а то, что она практически не меняется, говорит об её эффективности. Та же схема, с минимальными изменениями, годится для аквариумов, регулировки температуры воздуха и т. п.

С учетом современной элементной базы, следует применять малогабаритные герметичные силовые трансформаторы, оптронную развязку, индикаторные светодиоды, компараторы на микросхемах, силовые симисторы. Не следует применять механические реле, компараторы на транзисторах, трансформаторы, боящиеся влаги.

Выбор компаратора 521СА3 обусловлен тем, что они еще встречаются в заначках радиолюбителей, а найти им применение трудно. При их отсутствии на плату легко поставить функциональный аналог LM311 в корпусе miniDIP — он занимает гораздо меньше места и доработка платы не вызовет трудностей.
Симистор на 800 В и 25 А выбран не только из соображений запаса по току, но и из-за того, что он имеет изолированный металлический фланец. Это позволило обеспечить хороший тепловой контакт при гарантированной изоляции без изолирующих прокладок не менее 2500 В.
Монтаж сознательно сделан на двух платах — «низковольтной» и «высоковольтной». Это сделало настройку удобнее и безопаснее.

↑ 3. Настройка

В качестве термодатчика был выбран терморезистор ММТ-4 номиналом 6,2 кОм. Во-первых, он был в наличии и не дефицитен, во-вторых, имеет герметичную конструкцию, в третьих, номинал в единицы кОм является оптимальным.

Далее пришлось снова брать спиртовой термометр, стакан с горячей водой, окунать в неё терморезистор и записывать зависимость сопротивления от температуры. Сразу выяснилось, что изоляция выводов резистора от воды совершенно необходима, иначе результаты будут непредсказуемы.
Вот таблица с результатами моих измерений электрически изолированного от воды терморезистора.

Обратите внимание, что зависимость нелинейна, но с учетом узкого температурного диапазона, этой нелинейностью при изготовлении шкалы можно пренебречь.

↑ 4. Конструктив

Прибор собран в стандартной монтажной коробке размерами 100х100 мм.

Сверху укреплена стандартная розетка для наружной проводки, она должна обеспечивать хороший контакт с вилкой нагревательного элемента. Винты крепления розетки притягивают печатную плату, этим достигается надежное крепление.

Печатная плата. Отверстия под винты и прокладку проводов показаны на плате синим цветом.

Базой деталей в программе layout надо пользоваться осторожно. Я понадеялся на нее и допустил две ошибки — в выводах оптрона и… такого распространенного элемента, как стабилизатор 7809.
На платах у меня показано правильно, но 7809 пришлось поставить металлическим фланцем вверх (на фото видно). Я уже не говорю, что размеры деталей и выводов нередко указаны неправильно.

Шлейф от датчика удобно крепить к плате колодкой «под винт».
Сетевой провод лучше не припаивать к выключателю, а присоединить через изолированные пластиком зажимы.

Небольшая силовая плата с симистором крепится на дюралевую пластину, а сама пластина к коробке шурупами.

Эта плата для большей безопасности специально сделана дорожками вверх, подальше от металла радиатора, выводы деталей обкусаны заподлицо с платой. Симистор на плате стоит фланцем вниз, к радиатору. Его выводы пропущены вверх, сквозь плату и припаяны.
Для ровной установки платы между ней и металлическим фланцем симистора установлены шайбы.

Учитывая, что на улице возможно появление конденсата и росы, платы обработаны специальным аэрозольным составом «Plastik» Cramolin. Состав обладает высокими изоляционными свойствами, позволяет паять прямо через лак (с последующим восстановлением защитного покрытия).

Необходимо обеспечить надежную изоляцию центрального вывода терморезистора от воды, я делал это заливкой специальным составом. Корпус терморезистора изолировать тоже желательно, но не толстым слоем, чтобы не ухудшить теплопередачу.

↑ 5. Некоторые особенности

При эксплуатации нагреватель-регулятор работает, «как утюг».
Если светодиод горит – идет нагрев, если светодиод погас – нужная температура достигнута.
Но здесь есть свои особенности. Раз нет принудительного перемешивания воды, температура в баке распределяется неравномерно.

Возьмём первый цикл. Идёт нагрев. Когда вода около терморезистора и он сам прогреются до нужной температуры, вода около ТЭНа уже нагреется намного сильнее. Средняя температура будет повышена, нагрев будет неравномерным. Но через несколько циклов нагрев-остывание средняя температура будет близка к заданной. Минимизировать отклонение средней температуры в баке от заданной следует поиском оптимального взаимного положения нагревателя и датчика в баке.

Наилучшим решением для дачного душа я считаю систему из двух баков с горячей и холодной водой и стандартного смесителя. Горячая вода нагревается до 60…70 градусов. Смеситель позволит получить любую температуру, но мне была поставлена другая задача.

Источник: datagor.ru