Termostat do spawania tworzyw sztucznych

Opis prostej i niezawodnej konstrukcji regulatora temperatury do spawania tworzyw sztucznych, na przykład ram plastikowych.

Termostaty Termin i zakres

Wydawałoby się to prostą rzeczą regulator temperatury, a jego głównym celem jest utrzymanie określonej temperatury. Istnieje jednak wiele obszarów technologii lub po prostu gospodarstwa domowe, w których należy utrzymywać stabilną temperaturę w dość szerokim zakresie.

Na przykład może być ciepła podłoga, akwarium ze złotą rybką, inkubator do usuwania piskląt, kominek elektryczny lub bojler w łazience. We wszystkich tych przypadkach temperatura musi być utrzymywana inaczej. Na przykład dla ryb akwariowych, w zależności od ich rodzaju, temperatura wody w akwarium może zawierać się w przedziale 22 ... 31 ° C, w inkubatorze w zakresie 37 ... 38 ° C, aw kominku elektrycznym lub bojlerze około 70 ... 80 ° C.

Istnieją również regulatory temperatury, które utrzymują temperaturę w zakresie od stu do tysiąca lub więcej stopni. Stworzenie kontrolera temperatury w zakresie od kilku stopni do kilku tysięcy jest niepraktyczne; konstrukcja okaże się zbyt skomplikowana i kosztowna, a nawet, najprawdopodobniej, nieskuteczna. Dlatego termostaty są wytwarzane z reguły w dość wąskim zakresie temperatur.

Wiele procesów wykorzystuje również regulatory temperatury. Ten sprzęt do lutowania, wtryskarki do formowania wyrobów z tworzyw sztucznych, sprzęt do spawania rur z tworzyw sztucznych, tak modny ostatnio i nie mniej popularne okna plastikowe.

Nowoczesne termostaty przemysłowe są dość złożone i dokładne, zwykle oparte są na mikrokontrolerach, mają cyfrowe wskazanie trybów pracy i mogą być programowane przez użytkownika. Ale dość często potrzebne są mniej złożone projekty.

W tym artykule opiszemy konstrukcja dość prostego i niezawodnego regulatora temperatury, dostępne do produkcji w ramach jednej produkcji, na przykład w fabrycznych laboratoriach elektrycznych. Kilkadziesiąt tych urządzeń z powodzeniem zastosowano w maszynach do spawania ram plastikowych. Nawiasem mówiąc, same maszyny zostały również wyprodukowane w jednym środowisku produkcyjnym.

Opis schematu obwodu

Konstrukcja termostatu jest dość prosta, dzięki zastosowaniu układu K157UD2, który jest podwójnym wzmacniaczem operacyjnym (OA). Jeden pakiet DIP14 zawiera dwa niezależne wzmacniacze operacyjne, które łączą tylko popularne styki zasilania.

Zakres tego układu obejmuje głównie sprzęt wzmacniający dźwięk, taki jak miksery, zwrotnice, magnetofony i różne wzmacniacze. Dlatego wzmacniacze operacyjne charakteryzują się niskim poziomem szumów, co umożliwia także wykorzystanie go jako wzmacniacza sygnałów termopary, którego poziom wynosi zaledwie kilkadziesiąt miliwoltów. Z takim samym sukcesem można zastosować układ K157UD3. W takim przypadku nie są wymagane żadne zmiany i ustawienia.

Pomimo prostoty obwodu urządzenie utrzymuje temperaturę w zakresie 180 ... 300 ° C z tolerancją nie większą niż 5%, co wystarcza do spawania wysokiej jakości tworzyw sztucznych. Moc grzałki 400 watów. Schemat ideowy regulatora temperatury pokazano na rysunku 1.

Rysunek 1. Schemat ideowy regulatora temperatury (kliknięcie na zdjęcie otworzy obwód o większej skali).

Funkcjonalnie termostat składa się z kilku węzłów: wzmacniacza sygnału termopary na wzmacniaczu operacyjnym DA1.1, komparator na wzmacniacz operacyjny DA1.2, wyrzutnie triak na tranzystorze VT1 i kluczowym urządzeniu wyjściowym wykonanym na triaku T1. Ten triak zawiera obciążenie wskazane na schemacie jako EK1.

Termopara

Pomiar temperatury za pomocą termopary BK1.Konstrukcja wykorzystuje termoparę TYPE K z termoemfem 4 μV / ° C. W temperaturze 100 ° C termopara wytwarza napięcie 4,055 mV, przy 200 ° C 8,137 mV i przy 260 ° C 10,560 mV. Dane te są pobierane z tabeli kalibracji termopary skompilowanej empirycznie. Pomiary wykonano z kompensacją temperatury zimnego złącza. Podobne termopary są używane w multimetry cyfrowe z miernikami temperatury, na przykład DT838. Możliwe jest również użycie termopary drutowej TMDT 2-38. Takie termopary są obecnie w sprzedaży.

Wzmacniacz Thermo-EMF

Wzmacniacz sygnału termopary we wzmacniaczu operacyjnym DA1.1 jest zaprojektowany zgodnie z obwodem wzmacniacza różnicowego. To włączenie wzmacniacza operacyjnego pozwala pozbyć się zakłóceń w trybie wspólnym, które są niezbędne do wzmocnienia słabego sygnału termopary.

Wzmocnienie wzmacniacza różnicowego jest określone przez stosunek rezystancji rezystorów R3 / R1 i przy wartościach wskazanych na schemacie wynosi 560. Zatem na wyjściu wzmacniacza w temperaturze 260 ° C napięcie powinno wynosić 10.560 * 560 = 5913.6 mV lub 5,91 V. Przy oznacza to, że R1 = R2 i R3 = R4.

Aby zmienić wzmocnienie, na przykład przy użyciu innego rodzaju termopary, będziesz musiał zmienić dwa oporniki na raz. Najczęściej odbywa się to poprzez wymianę rezystorów R3 i R4. Na wejściu wzmacniacza iw obwodzie sprzężenia zwrotnego instalowane są kondensatory C1 ... C4, których celem jest ochrona przed zakłóceniami i tworzenie niezbędnej odpowiedzi częstotliwościowej wzmacniacza.

Ten schemat nie zapewnia schematu kompensacji temperatury zimnego złącza. Umożliwiło to znaczne uproszczenie obwodu, chociaż nie jest to brane pod uwagę przy pomiarze temperatury elementu grzejnego w porównaniu z uproszczeniem obwodu.

Porównywanie urządzenia - komparator

Monitorowanie temperatury ogrzewania odbywa się za pomocą komparatora (urządzenia porównującego), przeprowadzanego na OS DA1.2. Próg komparatora ustawia się za pomocą rezystora strojenia R8, napięcie, z którego przez rezystor R7 jest doprowadzany do nieodwracającego wejścia komparatora (pin 2).

Za pomocą rezystorów R9 i R6 ustawia się odpowiednio górny i dolny próg wartości zadanej temperatury .. Wzmocnione napięcie termopary jest podawane przez rezystor R5 przez wejście odwracające komparatora (pin 3). Wzmocnienie wspomniano nieco wyżej.

Logika komparatora

Podczas gdy napięcie na wejściu odwracającym jest niższe niż na nieodwracającym, napięcie wyjściowe komparatora jest wysokie (prawie + 12V). W przypadku, gdy napięcie na wejściu odwracającym jest wyższe niż na nieodwracającym wyjściu komparatora -12V, co odpowiada niskiemu poziomowi.

Triakowe urządzenie wyzwalające

Triakowe urządzenie wyzwalające na tranzystorze VT1 jest wykonane zgodnie ze schematem klasycznego generatora blokującego, który można zobaczyć w dowolnym podręczniku lub książce referencyjnej. Jedyną różnicą w stosunku do obwodu klasycznego jest to, że napięcie wyjściowe tranzystora w podstawie tranzystora jest dostarczane z wyjścia komparatora, co pozwala kontrolować jego działanie.

Gdy moc wyjściowa komparatora jest wysoka, prawie + 12V, przesunięcie jest stosowane do podstawy tranzystora, a generator blokujący generuje krótkie impulsy. Jeśli wyjście komparatora jest niskie, -12 V, ujemne napięcie blokuje tranzystor VT1, więc generowanie impulsu zostaje zatrzymane.

Transformator generatora blokującego Tr1 jest uzwojony na pierścieniu ferrytowym marki K10 * 6 * 4 wykonanym z ferrytu NM2000. Wszystkie trzy uzwojenia zawierają 50 zwojów drutu PELSHO 0,13.

Uzwojenie wykonuje się za pomocą wahadłowca w trzech drutach jednocześnie, tak aby początek i koniec uzwojenia były diametralnie przeciwne. Jest to konieczne, aby ułatwić instalację transformatora na płycie. Wygląd transformatora pokazano na rysunku 4 na końcu artykułu.

Działanie termostatu

Gdy termostat jest włączony, dopóki termopara nie zostanie podgrzana, napięcie wyjściowe DA1.1 wynosi zero lub zaledwie kilka miliwoltów w plusie lub minusie.Wynika to z faktu, że K157UD2 nie ma żadnych wniosków na temat podłączenia trymującego rezystora równoważącego, za pomocą którego możliwe byłoby dokładne ustawienie napięcia zerowego na wyjściu.

Ale dla naszych celów te miliwolty wyjściowe nie są przerażające, ponieważ komparator jest dostrojony do wyższego napięcia rzędu 6 ... 8 V. Dlatego przy każdym ustawieniu komparatora w tym stanie jego moc wyjściowa ma wysoki poziom, około + 12V, co uruchamia generator blokujący, aby tranzystor VT1. Impulsy z uzwojenia III transformatora Tr1 otwierają triak T1, który zawiera element grzejny EK1.

Wraz z nim termopara również zaczyna się nagrzewać, więc napięcie na wyjściu wzmacniacza DA1.1 rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Kiedy napięcie osiągnie wartość ustawioną przez rezystor R8, komparator przejdzie w stan niski, co zatrzyma blokujący generator. Dlatego triak T1 zamknie się i wyłączy grzejnik.

Wraz z nim termopara ostygnie, napięcie na wyjściu DA1.1 spadnie. Kiedy napięcie to stanie się nieco niższe niż napięcie na silniku rezystorowym R8, komparator ponownie wejdzie na wysoki poziom na wyjściu i ponownie włączy generator blokujący. Cykl ogrzewania zostanie powtórzony ponownie.

Do wizualnego sterowania termostatem przewidziane są diody LED HL1 zielone i HL2 czerwone. Po podgrzaniu elementu roboczego zaświeci się czerwona dioda LED, a po osiągnięciu ustawionej temperatury zaświeci się zielona. Aby chronić diody LED przed napięciem wstecznym, diody ochronne VD1 i VD2 typu KD521 są połączone równolegle z nimi w przeciwnym kierunku.

Konstrukcja Płytka drukowana

Prawie cały obwód wraz ze źródłem zasilania wykonany jest na jednej płytce drukowanej. Projekt płytki drukowanej pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2. Płytka obwodu termostatu (po kliknięciu na zdjęcie otworzy się obwód w większej skali).

Wymiary płytki drukowanej 40 * 116 mm. Płytka została wykonana przy użyciu technologii prasowania laserowego przy użyciu programu płytki drukowanej układu sprintu 4. Aby wykonać płytkę drukowaną z powyższego rysunku, należy wykonać kilka kroków.

Po pierwsze, przekonwertuj obraz do formatu * .BMP, wstaw go do okna roboczego układu sprintu 4. Po drugie, po prostu narysuj linię wokół wydrukowanych ścieżek. Po trzecie, wydrukuj na drukarce laserowej i rozpocznij produkcję płytki drukowanej. Proces produkcji płyty został już opisany. w jednym z artykułów. Zielone linie na płytce wskazują okablowanie uzwojeń na pierścieniach ferrytowych. Zostanie to omówione poniżej.

Oprócz rzeczywistego regulatora temperatury płyta zawiera również źródło zasilania, które na pierwszy rzut oka może wydawać się nieuzasadnione złożone. Ale takie rozwiązanie pozwoliło pozbyć się problemu poszukiwania i pozyskiwania transformatora sieciowego małej mocy oraz dodatkowej „stolarki” do jego zamocowania w obudowie. Obwód zasilający pokazano na rysunku 3.

Rysunek 3. Zasilanie regulatora temperatury (po kliknięciu na obrazek otworzy się większy schemat).

Kilka słów o tym bloku. Obwód został opracowany przez V. Kuzniecowa i pierwotnie miał zasilać urządzenia mikrokontrolera, które okazały się dość niezawodne w działaniu. Następnie wykorzystano go do zasilania termostatu.

Schemat jest dość prosty. Napięcie sieciowe przez kondensator gaszenia C1 i rezystor R4 jest doprowadzany do mostka prostowniczego VDS1, wykonanego z diod 1N4007. Tętnienie wyprostowanego napięcia jest wygładzane przez kondensator C2, napięcie jest stabilizowane przez analog diody Zenera wykonanej na tranzystorze VT3, diody Zenera VD2 i rezystorze R3. Rezystor R4 ogranicza prąd ładowania kondensatora C2, gdy urządzenie jest podłączone do sieci, a rezystor R5 rozładowuje kondensator C1 balastu po odłączeniu od sieci. Tranzystor VT3 typ KT815G, dioda Zenera VD2 typ 1N4749A o napięciu stabilizacji 24 V, moc 1 W.

Napięcie na kondensatorze C2 służy do zasilania oscylatora push-pull wykonanego na tranzystorach VT1, VT2. Obwody podstawowe tranzystorów są kontrolowane przez transformator Tr1. Dioda VD1 chroni przejścia bazowe tranzystorów przed ujemnymi impulsami samoindukcyjnymi uzwojeń transformatora Tr1. Tranzystory VT1, VT2 typ KT815G, dioda VD1 KD521.

Transformator „mocy” Tr2 jest zawarty w obwodach kolektora tranzystorów, z uzwojeń wyjściowych IV i V, których napięcia są uzyskiwane do zasilania całego obwodu. Napięcie impulsowe na wyjściu transformatora jest prostowane diodami wysokiej częstotliwości typu FR207, wygładzane przez najprostsze filtry RC, a następnie stabilizowane na poziomie 12 V przez diody Zenera VD5, VD6 typu 1N4742A. Ich napięcie stabilizacyjne wynosi 12 V, moc 1 W.

Fazowanie uzwojeń pokazano na schemacie jak zwykle: kropka wskazuje początek uzwojenia. Jeśli podczas montażu fazowanie nie zostanie pomieszane, wówczas zasilacz nie wymaga żadnej regulacji, natychmiast zaczyna działać.

Konstrukcja transformatorów Tr1 i Tr2 pokazano na rysunku 4.

Rysunek 4. Widok zespołu płyty.

Oba transformatory (rysunek 3) wykonane są na pierścieniach ferrytowych wykonanych z ferrytu najpopularniejszej marki НМ2000. Transformator Tr1 zawiera trzy identyczne uzwojenia po 10 zwojów na pierścieniu o rozmiarze K10 * 6 * 4 mm. Uzwojenia są uzwojone za pomocą promu w trzech drutach jednocześnie. Ostre krawędzie pierścienia powinny być stępione papierem ściernym, a sam pierścień powinien być owinięty warstwą zwykłej taśmy klejącej. Aby uzyskać wytrzymałość mechaniczną, transformator jest uzwojony wystarczająco grubym drutem PEV - 2 0,33, chociaż można również zastosować cieńszy drut.

Transformator Tr2 jest również wykonany na pierścieniu. Jego rozmiar to K10 * 16 * 6 mm: przy częstotliwości roboczej 40 kiloherców z takiego pierścienia można usunąć 7 watów mocy. Uzwojenia I i II są uzwojone drutem PELSHO - 0,13 w dwóch drutach i zawierają 44 zwoje. Na tych uzwojeniach znajduje się uzwojenie sprzężenia zwrotnego III, które zawiera 3 zwoje drutu PEV - 2 0,33. Zastosowanie tak grubego drutu zabezpiecza również transformator na płycie.

Uzwojenia wtórne IV i V są również nawijane na dwa druty i zawierają 36 zwojów drutu szytego 2 0,2. Zgodnie ze schematem na ryc. 3 uzwojenia te są lutowane na płytce nawet bez ciągłości: początki obu uzwojeń są lutowane razem do wspólnego drutu, a końce uzwojeń są po prostu połączone z diodami VD3 i VD4. Względne położenie zwojów pokazano na rycinie 4.

Na rysunku obwodu drukowanego (ryc. 2 na początku artykułu) uzwojenia wszystkich transformatorów są oznaczone zielonymi liniami. Początki i końce zwojów na pierścieniach o małej średnicy są diametralnie przeciwne, więc najpierw należy wlutować trzy przewody początku w płytkę, a następnie, naturalnie dzwoniąc uzwojenia za pomocą testera, końce zwojów.

W pobliżu ścieżek drukowania, w których transformator Tr2 jest uszczelniony, widać punkty pokazujące początek uzwojenia I, II i III. Uzwojenie wyjściowe, jak wspomniano powyżej, jest uszczelnione nawet bez ciągłości: zaczyna się razem na wspólnym przewodzie, a kończy na diodach prostowniczych.

Jeśli ta opcja zasilacza wydaje się skomplikowana lub po prostu nie chce z nią zadzierać, można to zrobić zgodnie ze schematem pokazanym na rysunku 5.

Rysunek 5. Zasilacz jest wersją uproszczoną.

W tym zasilaczu można zastosować obniżający się transformator sieciowy o mocy nie większej niż 5 watów przy napięciu wyjściowym 14 ... 15 V. Zużycie energii jest niewielkie, więc prostownik wykonany jest zgodnie z obwodem półfalowym, co umożliwiło uzyskanie bipolarnego napięcia wyjściowego z jednego uzwojenia. Odpowiednie są transformatory ze „polskich” wzmacniaczy antenowych.

Weryfikacja przed końcowym montażem

Jak już wspomniano, prawidłowo zmontowane urządzenie nie wymaga regulacji, ale lepiej sprawdzić to przed końcowym montażem. Przede wszystkim sprawdzane jest działanie źródła zasilania: napięcie na diodach Zenera powinno wynosić 12 V. Lepiej to zrobić przed zainstalowaniem mikroukładu na płycie.

Następnie należy podłączyć termoparę i ustawić napięcie około 5 ... 5,5 V na silniku rezystora R8Zamiast triaka podłącz diodę LED do uzwojenia wyjściowego generatora blokującego przez rezystor o rezystancji 50 ... 100 omów. Po podłączeniu urządzenia dioda LED powinna zaświecić, co wskazuje na działanie generatora blokującego.

Następnie należy ogrzać termoparę co najmniej lutownicą - dioda LED powinna zgasnąć. Pozostaje tylko ostatecznie zmontować urządzenie i ustawić wymaganą temperaturę za pomocą termometru. Należy to zrobić, gdy triak i grzałka są już podłączone.

Mówiąc o triaku. Oczywiście możesz używać domowego KU208G, ale nie wszystkie z tych triaków są wypuszczane, musisz wybrać co najmniej jeden z kilku elementów. Importowane znacznie lepiej są importowane BTA06 600A. Maksymalny dopuszczalny prąd takiego triaka 6A, napięcie wsteczne 600 V, co wystarcza do zastosowania w opisanym regulatorze temperatury.

Triak jest zamontowany na małym grzejniku, który jest przykręcony do płyty za pomocą śrub z plastikowymi stojakami o wysokości 8 mm. Diody LED HL1 i HL2 są zainstalowane na panelu przednim, tam również są zainstalowane rezystory R6, R8, R9. Aby podłączyć urządzenie do sieci, grzejnika i termopary, stosuje się złącza zaciskowe lub po prostu listwy zaciskowe.

Boris Aladyshkin