Thermostat pour le soudage des plastiques

Description de la conception simple et fiable d'un régulateur de température pour souder des plastiques, par exemple des cadres en plastique.

Thermostats. Nomination et portée

Cela semblerait une chose simple régulateur de température, et son objectif principal est de maintenir une température donnée. Mais il existe de nombreux domaines technologiques ou simplement des ménages où une température stable doit être maintenue, et dans une fourchette assez large.

Par exemple, il pourrait être plancher chaud, un aquarium avec des poissons rouges, un incubateur pour éliminer les poussins, un foyer électrique ou chaudière dans la salle de bain. Dans tous ces cas, la température doit être maintenue différente. Par exemple, pour les poissons d'aquarium, selon leur type, la température de l'eau dans l'aquarium peut être comprise entre 22 et 31 ° C, dans l'incubateur entre 37 et 38 ° C et dans une cheminée ou une chaudière électrique environ 70 ... 80 ° C.

Il existe également des contrôleurs de température qui maintiennent la température dans une plage de cent à mille degrés ou plus. La création d'un contrôleur de température avec une plage de plusieurs degrés à plusieurs milliers n'est pas pratique; la conception se révélera trop compliquée et coûteuse, et même, très probablement, inopérante. Par conséquent, les thermostats sont généralement produits sur une plage de températures assez étroite.

De nombreux processus utilisent également des régulateurs de température. Cet équipement de soudage, les machines de moulage par injection pour le moulage de produits en plastique, l'équipement pour le soudage de tuyaux en plastique, si à la mode récemment, et les fenêtres en plastique non moins populaires.

Les thermostats industriels modernes sont assez complexes et précis, ils sont généralement basés sur des microcontrôleurs, ont une indication numérique des modes de fonctionnement et peuvent être programmés par l'utilisateur. Mais, bien souvent, il existe un besoin pour des conceptions moins complexes.

Cet article décrira construction d'un régulateur de température assez simple et fiable, disponible à la fabrication en une seule production, par exemple dans les laboratoires électriques d'usine. Plusieurs dizaines de ces dispositifs ont été utilisés avec succès dans des machines de soudage de cadres en plastique. Soit dit en passant, les machines elles-mêmes ont également été fabriquées dans un environnement de production unique.

Description du schéma de circuit

La conception du thermostat est assez simple, grâce à l'utilisation de la puce K157UD2, qui est un double amplificateur opérationnel (OA). Un boîtier DIP14 contient deux amplificateurs opérationnels indépendants, qui combinent uniquement des broches d'alimentation communes.

Le champ d'application de cette puce est principalement le matériel d'amplification du son, comme les mélangeurs, les répartiteurs, les magnétophones et divers amplificateurs. Par conséquent, les amplificateurs opérationnels sont caractérisés par un faible niveau de bruit, ce qui permet également de l'utiliser comme amplificateur pour les signaux de thermocouples, dont le niveau n'est que de quelques dizaines de millivolts. Avec le même succès, la puce K157UD3 peut être utilisée. Dans ce cas, aucune modification et aucun réglage ne sont nécessaires.

Malgré la simplicité du circuit, l'appareil maintient une température comprise entre 180 ... 300 C ° avec une tolérance de pas plus de 5%, ce qui est tout à fait suffisant pour une soudure plastique de haute qualité. Puissance de chauffage 400 watts. Le schéma du régulateur de température est illustré à la figure 1.

Figure 1. Schéma de principe d'un régulateur de température (cliquer sur une image ouvrira un circuit à plus grande échelle).

Fonctionnellement, le thermostat se compose de plusieurs nœuds: un amplificateur de signal thermocouple sur l'ampli op DA1.1, comparateur sur l'ampli op DA1.2, lanceurs triac sur le transistor VT1 et le dispositif de clé de sortie réalisé sur le triac T1. Ce triac comprend une charge, indiquée dans le diagramme par EK1.

Thermocouple

Mesure de température à l'aide d'un thermocouple BK1.La conception a utilisé un thermocouple TYPE K avec une thermo-emf de 4 μV / ° C. À une température de 100 ° C, le thermocouple développe une tension de 4,095 mV, à 200 ° C 8,137 mV et à 260 ° C 10,560 mV. Ces données sont extraites d'une table d'étalonnage de thermocouple compilée empiriquement. Les mesures ont été effectuées avec compensation de la température de la jonction froide. Des thermocouples similaires sont utilisés dans multimètres numériques avec des thermomètres, par exemple DT838. L'utilisation d'un thermocouple à fil TMDT 2-38 est également possible. De tels thermocouples sont actuellement en vente.

Amplificateur Thermo-EMF

L'amplificateur de signal thermocouple sur l'ampli op DA1.1 est conçu selon un circuit amplificateur différentiel. Cette inclusion de l'ampli op vous permet de vous débarrasser des interférences de mode commun, qui sont nécessaires pour amplifier un signal de thermocouple faible.

Le gain de l'amplificateur différentiel est déterminé par le rapport de la résistance des résistances R3 / R1 et aux valeurs indiquées sur le schéma est de 560. Ainsi, à la sortie de l'amplificateur à une température de 260 ° C, la tension doit être de 10,560 * 560 = 5913,6 mV, ou 5,91 V. cela implique que R1 = R2 et R3 = R4.

Afin de changer le gain, par exemple lorsque vous utilisez un autre type de thermocouple, vous devrez changer deux résistances à la fois. Le plus souvent, cela se fait en remplaçant les résistances R3 et R4. A l'entrée de l'amplificateur et dans le circuit de retour, des condensateurs C1 ... C4 sont installés, dont le but est la protection contre les interférences et la formation de la réponse en fréquence nécessaire de l'amplificateur.

Ce circuit ne fournit pas de circuit de compensation de température de jonction froide. Cela a permis de simplifier considérablement le circuit, bien qu'il ne soit pas pris en compte lors de la mesure de la température de l'élément chauffant par rapport à la simplification du circuit.

Appareil de comparaison - comparateur

La surveillance de la température de chauffage s'effectue à l'aide d'un comparateur (appareil de comparaison), réalisé sur l'OS DA1.2. Le seuil du comparateur est fixé à l'aide de la résistance de trim R8, dont la tension à travers la résistance R7 est fournie à l'entrée non inverseuse du comparateur (broche 2).

En utilisant les résistances R9 et R6, les seuils supérieur et inférieur de la consigne de température sont respectivement définis. L'amplification a été mentionnée un peu plus haut.

La logique du comparateur

Alors que la tension à l'entrée inverseuse est inférieure à celle non inverseuse, la tension de sortie du comparateur est élevée (presque + 12V). Dans le cas où la tension de l'entrée inverseuse est supérieure à la sortie non inverseuse du comparateur -12V, ce qui correspond à un niveau bas.

Dispositif de déclenchement Triac

Le dispositif de déclenchement triac sur le transistor VT1 est fabriqué selon le schéma du générateur de blocage classique, qui peut être vu dans n'importe quel manuel ou livre de référence. Sa seule différence avec le circuit classique est que la polarisation à la base du transistor est fournie par la sortie du comparateur, ce qui vous permet de contrôler son fonctionnement.

Lorsque la sortie du comparateur est élevée, presque +12 V, un décalage est appliqué à la base du transistor et le générateur de blocage génère de courtes impulsions. Si la sortie du comparateur est faible, -12 V, une polarisation négative verrouille le transistor VT1, de sorte que la génération d'impulsions s'arrête.

Le transformateur du générateur de blocage Tr1 est enroulé sur un anneau de ferrite de la marque K10 * 6 * 4 en ferrite NM2000. Les trois enroulements contiennent 50 tours de fil PELSHO 0,13.

L'enroulement se fait par navette en trois fils à la fois afin que le début et la fin des enroulements soient diamétralement opposés. Cela est nécessaire pour faciliter l'installation du transformateur sur la carte. L'aspect du transformateur est illustré à la figure 4 à la fin de l'article.

Fonctionnement du thermostat

Lorsque le thermostat est allumé jusqu'à ce que le thermocouple soit chauffé, la tension de sortie DA1.1 est nulle, ou juste quelques millivolts en plus ou en moins.Cela est dû au fait que K157UD2 n'a pas de conclusions pour connecter une résistance d'équilibrage de trim, avec laquelle il serait possible de régler avec précision la tension nulle à la sortie.

Mais, pour nos besoins, ces millivolts de sortie ne sont pas effrayants, car le comparateur est réglé sur une tension plus élevée, de l'ordre de 6 ... 8 V.Par conséquent, à n'importe quel réglage du comparateur dans cet état, sa sortie a un niveau élevé, environ +12 V, qui démarre le générateur de blocage à transistor VT1. Les impulsions de l'enroulement III du transformateur Tr1 ouvrent le triac T1, qui comprend un élément chauffant EK1.

Avec lui, le thermocouple commence également à chauffer, de sorte que la tension à la sortie de l'amplificateur DA1.1 augmente avec l'augmentation de la température. Lorsque cette tension atteint la valeur fixée par la résistance R8, le comparateur passe dans un état bas, ce qui arrête le générateur de blocage. Par conséquent, le triac T1 se fermera et éteindra le chauffage.

Avec lui, le thermocouple refroidira, la tension à la sortie du DA1.1 diminuera. Lorsque cette tension devient légèrement inférieure à la tension au moteur de la résistance R8, le comparateur entre à nouveau à un niveau élevé en sortie et rallume le générateur de blocage. Le cycle de chauffage sera répété à nouveau.

Pour le contrôle visuel du thermostat, les LED HL1 vertes et HL2 rouges sont fournies. Lorsque l'élément de travail est chauffé, la LED rouge s'allume et lorsque la température réglée est atteinte, la verte s'allume. Pour protéger les LED de la tension inverse, les diodes de protection VD1 et VD2 de type KD521 sont connectées en parallèle avec elles dans le sens opposé.

Construction. Circuit imprimé

Presque tout le circuit ainsi que la source d'alimentation sont réalisés sur une seule carte de circuit imprimé. La conception de la carte de circuit imprimé est illustrée à la figure 2.

Figure 2. Circuit imprimé du thermostat (lorsque vous cliquez sur l'image, un circuit à plus grande échelle s'ouvre).

Dimensions PCB 40 * 116 mm. La carte a été fabriquée à l'aide de la technologie de repassage laser utilisant le programme de carte de circuit imprimé Sprint Layout 4. Afin de fabriquer une carte de circuit imprimé à partir de la figure ci-dessus, plusieurs étapes doivent être suivies.

Tout d'abord, convertissez l'image au format * .BMP, collez-la dans la fenêtre de travail de la mise en page de sprint 4. Ensuite, dessinez simplement les lignes des pistes imprimées. Troisièmement, imprimez sur une imprimante laser et procédez à la fabrication de la carte de circuit imprimé. Le processus de fabrication des panneaux a déjà été décrit. dans l'un des articles. Les lignes vertes sur la carte indiquent le câblage des enroulements sur les anneaux de ferrite. Ceci sera discuté ci-dessous.

En plus du contrôleur de température réel, la carte contient également une source d'alimentation qui, à première vue, peut sembler excessivement complexe. Mais une telle solution nous a permis de nous débarrasser du problème de trouver et d'acquérir un transformateur de réseau basse consommation et de la "menuiserie" supplémentaire pour le réparer dans le cas. Le circuit d'alimentation est illustré à la figure 3.

Figure 3. L'alimentation du régulateur de température (lorsque vous cliquez sur l'image, un schéma plus grand s'ouvre).

Il faut dire quelques mots sur ce bloc. Le circuit a été développé par V. Kuznetsov et était à l'origine destiné à alimenter des dispositifs à microcontrôleur, où il s'est révélé assez fiable en fonctionnement. Par la suite, il a été utilisé pour alimenter le thermostat.

Le schéma est assez simple. La tension secteur à travers le condensateur d'extinction C1 et la résistance R4 est fournie au pont redresseur VDS1, constitué des diodes 1N4007. L'ondulation de la tension redressée est lissée par le condensateur C2, la tension est stabilisée par l'analogue d'une diode zener réalisée sur un transistor VT3, une diode zener VD2 et une résistance R3. La résistance R4 limite le courant de charge du condensateur C2 lorsque l'appareil est connecté au réseau, et la résistance R5 décharge le condensateur de ballast C1 lorsqu'il est déconnecté du réseau. Transistor VT3 type KT815G, diode Zener VD2 type 1N4749A avec une tension de stabilisation de 24V, puissance 1W.

La tension sur le condensateur C2 est utilisée pour alimenter un oscillateur push-pull réalisé sur les transistors VT1, VT2. Les circuits de base des transistors sont commandés par un transformateur Tr1. La diode VD1 protège les transitions de base des transistors des impulsions d'auto-induction négatives des enroulements du transformateur Tr1. Transistors VT1, VT2 type KT815G, diode VD1 KD521.

Le transformateur «puissance» Tr2 est inclus dans les circuits collecteurs des transistors, à partir des enroulements de sortie IV et V dont la tension est obtenue pour alimenter l'ensemble du circuit. La tension d'impulsion à la sortie du transformateur est redressée par des diodes haute fréquence de type FR207, lissée par les filtres RC les plus simples, puis stabilisée au niveau 12V par les diodes Zener VD5, VD6 de type 1N4742A. Leur tension de stabilisation est de 12V, la puissance est de 1W.

Le phasage des enroulements est représenté dans le diagramme comme d'habitude: un point indique le début de l'enroulement. Si, lors de l'assemblage, le phasage n'est pas mélangé, l'alimentation ne nécessite aucun réglage, elle commence à fonctionner immédiatement.

La conception des transformateurs Tr1 et Tr2 est illustrée à la figure 4.

Figure 4. Vue de l'assemblage de la carte.

Les deux transformateurs (figure 3) sont fabriqués sur des anneaux de ferrite en ferrite de la marque la plus courante НМ2000. Le transformateur Tr1 contient trois enroulements identiques de 10 tours sur un anneau de taille K10 * 6 * 4 mm. Les enroulements sont enroulés par une navette à trois fils à la fois. Les arêtes vives de l'anneau doivent être émoussées avec du papier de verre et l'anneau lui-même doit être enveloppé d'une couche de ruban adhésif ordinaire. Pour la résistance mécanique, le transformateur est enroulé avec un fil PEV - 2 0,33 suffisamment épais, bien qu'un fil plus fin puisse également être utilisé.

Le transformateur Tr2 est également réalisé sur l'anneau. Sa taille est K10 * 16 * 6 mm: à une fréquence de fonctionnement de 40 kilohertz, 7 watts de puissance peuvent être retirés d'un tel anneau. Les enroulements I et II sont enroulés avec un fil PELSHO - 0,13 en deux fils et contiennent 44 tours. Au-dessus de ces enroulements se trouve un enroulement de rétroaction III, qui contient 3 tours de fil PEV - 2 0,33. L'utilisation d'un tel fil épais fixe également le transformateur à la carte.

Les enroulements secondaires IV et V sont également enroulés en deux fils et contiennent 36 tours de fil cousus-2 0,2. Selon le schéma de la figure 3, ces enroulements sont scellés sur la carte même sans continuité: les débuts des deux enroulements sont scellés ensemble sur un fil commun, et les extrémités des enroulements sont simplement connectées aux diodes VD3 et VD4. La position relative des enroulements est visible sur la figure 4.

Dans le schéma de la carte de circuit imprimé (figure 2 au début de l'article), les enroulements de tous les transformateurs sont représentés par des lignes vertes. Les débuts et les extrémités des enroulements sur des anneaux de petit diamètre sont diamétralement opposés, vous devez donc d'abord souder les trois fils du début dans la planche, puis, en faisant naturellement sonner les enroulements avec un testeur, les extrémités des enroulements.

Près des chemins d'impression où le transformateur Tr2 est scellé, vous pouvez voir des points montrant le début des enroulements I, II et III. L'enroulement de sortie, comme mentionné ci-dessus, est scellé même sans continuité: il commence ensemble sur un fil commun et se termine aux diodes du redresseur.

Si cette option de l'alimentation semble compliquée ou ne veut tout simplement pas la perturber, elle peut être effectuée selon le schéma illustré à la figure 5.

Figure 5. L'alimentation est une version simplifiée.

Dans cette alimentation, vous pouvez utiliser un transformateur secteur abaisseur d'une capacité ne dépassant pas 5 watts avec une tension de sortie de 14 ... 15 V. La consommation électrique est faible, de sorte que le redresseur est fabriqué selon un circuit demi-onde, ce qui a permis d'obtenir une tension de sortie bipolaire à partir d'un enroulement. Les transformateurs des amplificateurs d'antenne "polonais" conviennent parfaitement.

Vérification avant assemblage final

Comme déjà mentionné, un appareil correctement assemblé ne nécessite pas de réglage, mais il est préférable de le vérifier avant l'assemblage final. Tout d'abord, le fonctionnement de la source d'alimentation est vérifié: la tension au niveau des diodes zener doit être de 12 V. Il vaut mieux le faire avant d'installer la puce sur la carte.

Après cela, vous devez connecter un thermocouple et régler la tension d'environ 5 ... 5,5 V sur le moteur de la résistance R8Au lieu d'un triac, connectez une LED à l'enroulement de sortie du générateur de blocage via une résistance avec une résistance de 50 ... 100 Ohms. Une fois l'appareil branché, cette LED doit s'allumer, ce qui indique le fonctionnement du générateur de blocage.

Après cela, vous devez chauffer le thermocouple avec au moins un fer à souder - la LED devrait s'éteindre. Ainsi, il ne reste plus qu'à assembler enfin l'appareil et régler la température requise avec un thermomètre. Cela doit être fait lorsque le triac et le chauffage sont déjà connectés.

En parlant de triac. Bien sûr, vous pouvez utiliser le KU208G domestique, mais tous ces triacs ne sont pas lancés, vous devez en choisir au moins un parmi plusieurs pièces. Les BTA06 600A importés sont beaucoup mieux importés. Le courant maximal admissible d'un tel triac 6A, une tension inverse de 600V, ce qui est tout à fait suffisant pour une utilisation dans le régulateur de température décrit.

Le triac est monté sur un petit radiateur, qui est vissé à la carte avec des vis avec des supports en plastique de 8 mm de haut. Les LED HL1 et HL2 sont installées sur le panneau avant, les résistances R6, R8, R9 y sont également installées. Pour connecter l'appareil au réseau, au chauffage et au thermocouple, des connecteurs de borne sont utilisés, ou simplement borniers.

Boris Aladyshkin