Termostat do kotła elektrycznego

Opis prostego i niezawodnego obwodu regulatora temperatury dla systemu grzewczego.

Rosyjska zima jest surowa i zimna i wszyscy o tym wiedzą. Dlatego pomieszczenia, w których przebywają ludzie, muszą być ogrzewane. Najbardziej powszechne jest centralne ogrzewanie lub indywidualne kotły gazowe.

Często zdarzają się sytuacje, gdy ani jedno, ani drugie nie jest dostępne: na przykład w czystym polu znajduje się małe pomieszczenie przepompowni wody i tam kierowca dyżuruje przez całą dobę. Może to być także wieża strażnicza lub osobne pomieszczenie w dużym niezamieszkanym budynku. Istnieje wiele takich przykładów.

We wszystkich tych przypadkach konieczne jest zorganizowanie ogrzewania za pomocą elektryczności. Jeśli pomieszczenie jest małe, całkiem możliwe jest zastosowanie konwencjonalnego grzejnika elektrycznego wypełnionego olejem do użytku domowego. W przypadku większego pomieszczenia o powierzchni około 15–20 metrów kwadratowych ogrzewanie wody jest najczęściej instalowane za pomocą grzejnika spawanego z rur, który często nazywany jest rejestrem.

Jeśli pozwolisz, aby rzeczy poszły same i nie monitorujesz temperatury wody, to prędzej czy później po prostu się zagotuje, a sprawa może skończyć się niepowodzeniem kocioł elektrycznyPrzede wszystkim jego element grzewczy. Aby zapobiec tak niefortunnemu zdarzeniu, temperatura ogrzewania jest kontrolowana przez termostat.

W tym artykule zaproponowano jedną z możliwych opcji takiego urządzenia. Oczywiście, ta zima już się kończy, ale nie powinniśmy zapominać, że sanie najlepiej przygotować latem.

Funkcjonalnie urządzenie można podzielić na kilka węzłów: sam czujnik temperatury, urządzenie porównujące (komparator) oraz urządzenie do kontroli obciążenia. Poniżej znajduje się opis poszczególnych części, ich schemat i zasada działania.

Czujnik temperatury

Charakterystyczną cechą opisywanego projektu jest to, że jest on stosowany jako czujnik temperatury konwencjonalny tranzystor bipolarny, co pozwala zrezygnować z wyszukiwania i zakupu termistory lub czujniki różnych typów, na przykład TCM.

Działanie takiego czujnika polega na tym, że podobnie jak wszystkie urządzenia półprzewodnikowe, parametry tranzystorów w dużej mierze zależą od temperatury otoczenia. Przede wszystkim jest to prąd wsteczny kolektora, który rośnie wraz ze wzrostem temperatury, co wpływa na działanie np. Stopni wzmocnienia. Ich punkt pracy jest przesunięty, co powoduje znaczne zniekształcenie sygnału, aw przyszłości tranzystor po prostu przestaje reagować na sygnał wejściowy.

Sytuacja ta jest nieodłącznie związana z obwodami o stałym prądzie bazowym. Dlatego stosuje się tranzystorowe obwody kaskadowe z elementami sprzężenia zwrotnego, które stabilizują działanie kaskady jako całości, a także zmniejszają wpływ temperatury na działanie tranzystora.

Taką zależność temperaturową obserwuje się nie tylko w przypadku tranzystorów, ale także diod. Aby to sprawdzić za pomocą multimetru cyfrowego wystarczy „zadzwonić” dowolną diodą w kierunku do przodu. Zazwyczaj urządzenie pokazuje liczbę zbliżoną do 700. Jest to tylko bezpośredni spadek napięcia na otwartej diodzie, który urządzenie wyświetla w miliwoltach. Dla diod krzemowych w temperaturze 25 stopni Celsjusza parametr ten wynosi około 700 mV, a dla diod germanowych około 300.

Jeśli teraz ta dioda zostanie lekko rozgrzana, przynajmniej za pomocą lutownicy, liczba ta będzie stopniowo spadać, dlatego uważa się, że współczynnik temperaturowy napięcia diod wynosi -2 mV / deg. Znak minus w tym przypadku oznacza, że ​​wraz ze wzrostem temperatury napięcie przewodzenia na diodzie będzie maleć.

Zależność ta pozwala również na stosowanie diod jako czujników temperatury.Jeśli tranzystor „dzwoni” z tym samym urządzeniem, wyniki będą bardzo podobne, dlatego tranzystory są często używane jako czujniki temperatury.

W naszym przypadku działanie całego regulatora temperatury jest dokładnie oparte na tej „ujemnej” właściwości kaskady ze stałym prądem bazowym. Obwód regulatora temperatury pokazano na rysunku 1.

Ryc. 1. Schemat termostatu (kliknięcie na zdjęcie otworzy schemat na większą skalę).

Czujnik temperatury jest montowany na tranzystorze VT1 typu KT835B. Obciążeniem tej kaskady jest rezystor R1 i zestaw rezystorów R2, R3 tryb pracy tranzystora prądu stałego. Stałe napięcie wstępne, o którym wspomniano powyżej, jest ustawiane przez rezystor R3, tak że napięcie na emiterze tranzystora w temperaturze pokojowej wynosi około 6,8 V. Dlatego gwiazdka (*) jest obecna w oznaczeniu tego rezystora w obwodzie. Nie jest tu konieczne osiągnięcie szczególnej dokładności, gdyby tylko to napięcie nie było znacznie mniejsze lub większe. Pomiary należy wykonać w stosunku do kolektora tranzystora, który jest podłączony do wspólnego przewodu źródła zasilania.

Tranzystor o strukturze p-n-p KT835B nie został wybrany przypadkowo: jego kolektor jest podłączony do metalowej płyty obudowy, która ma otwór do montażu tranzystora na grzejniku. W tym otworze tranzystor jest przymocowany do małej metalowej płytki, do której przymocowany jest również przewód ołowiu.

Powstały czujnik jest przymocowany za pomocą metalowych zacisków do rury grzewczej. Ponieważ, jak już wspomniano, kolektor jest podłączony do wspólnego drutu źródła zasilania, nie jest konieczne instalowanie uszczelki izolacyjnej między rurą a czujnikiem, co upraszcza konstrukcję i poprawia kontakt cieplny.

Komparator

Aby ustawić temperaturę, komparator wykonany na wzmacniaczu operacyjnym OP1 typu K140UD608. Przez rezystor R5 napięcie z emitera tranzystora VT1 doprowadzane jest do jego odwróconego wejścia, a napięcie z silnika rezystora zmiennego R7 jest podawane do nieodwracającego wejścia przez rezystor R6.

Napięcie to ustawia temperaturę, przy której obciążenie zostanie odłączone. Rezystory R8, R9 ustawiają górny i dolny zakres do ustawiania progu komparatora, a zatem granic kontroli temperatury. Zastosowanie rezystora R4 zapewnia niezbędną histerezę komparatora.

Urządzenie do kontroli obciążenia

Urządzenie sterujące obciążeniem jest wykonane na tranzystorze VT2 i przekaźniku Rel1. Oto wskazanie trybów pracy termostatu. Te diody LED są czerwone HL1, a HL2 zielone. Kolor czerwony oznacza ogrzewanie, a kolor zielony osiągnięcie ustawionej temperatury. Dioda VD1, połączona równolegle z cewką przekaźnika Rel1, chroni tranzystor VT2 przed napięciami indukcyjnymi występującymi na cewce przekaźnika Rel1 w momencie wyłączenia.

Nowoczesne małe przekaźniki umożliwiają przełączanie wystarczająco dużych prądów. Przykładem takiego przekaźnika jest przekaźnik Tianbo pokazany na rysunku 2.

Rysunek 2. Małe przekaźniki Tianbo.

Jak widać na rysunku, przekaźnik umożliwia przełączanie prądu do 16A, co pozwala kontrolować obciążenie do 3 kW. To jest maksymalne obciążenie. Aby nieznacznie ułatwić działanie grupy styków, moc obciążenia powinna być ograniczona do 2 ... 2,5 kW. Takie przekaźniki są obecnie bardzo szeroko stosowane w przemyśle motoryzacyjnym i AGD, na przykład w pralkach. Jednocześnie wymiary przekaźnika nie przekraczają wielkości pudełka zapałek!

Praca i regulacja regulatora temperatury

Jak powiedziano na początku artykułu, w temperaturze pokojowej napięcie na emiterze tranzystora VT1 wynosi około 6,8 V, a po podgrzaniu do 90 ° C napięcie spada do 5,99 V. Do takich eksperymentów lampa stołowa z metalowym abażurem nadaje się jako grzejnik. i do pomiaru temperatury, chiński multimetr cyfrowy z termoparą, na przykład DT838.Jeśli czujnik zmontowanego urządzenia zostanie zamontowany na abażurze, a lampa zostanie włączona przez styk przekaźnika, wówczas możliwe będzie sprawdzenie działania zmontowanego obwodu w takiej konfiguracji.

Komparator działa w taki sposób, że jeśli napięcie na wejściu odwracającym (napięcie czujnika temperatury) jest wyższe niż napięcie na wejściu nieodwracania (napięcie wartości zadanej temperatury), napięcie na wyjściu komparatora jest zbliżone do napięcia źródła zasilania, w tym przypadku można go nazwać jednostką logiczną. Dlatego przełącznik tranzystorowy VT2 jest otwarty, przekaźnik jest włączony, a styki przekaźnika zawierają element grzejny.

Gdy system grzewczy nagrzewa się, czujnik temperatury VT1 również się nagrzewa. Napięcie na jego emiterze zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury, a gdy staje się równe, a raczej nieco niższe niż napięcie zainstalowane w silniku rezystora zmiennego R7, komparator przechodzi w stan logicznego zera, więc tranzystor jest zablokowany, a przekaźnik wyłączony.

Element grzejny jest pozbawiony napięcia i grzejnik zaczyna się ochładzać. Czujnik tranzystorowy VT1 również chłodzi, a napięcie na jego emiterze rośnie. Gdy tylko napięcie wzrośnie do wartości ustawionej przez rezystor R7, komparator przechodzi w stan wysoki, przekaźnik włącza się, a proces powtarza się ponownie.

Trochę o działaniu obwodu wyświetlacza, a ściślej o celu jego elementów. Czerwona dioda LED HL1 włącza się razem z cewką przekaźnika Rel1 i wskazuje, że system grzewczy nagrzewa się. W tym momencie tranzystor VT2 jest otwarty, a dioda LED HL2 przetacza się przez diodę D2, zielone światło jest wyłączone.

Po osiągnięciu ustawionej temperatury tranzystor zamknie się i wyłączy przekaźnik, a wraz z nim czerwona dioda LED HL1. Jednocześnie zamknięty tranzystor nie będzie już omijał diody LED HL2, która zaświeci się. Dioda D2 jest niezbędna, aby dioda HL1, a wraz z nią przekaźnik, nie mogły się włączyć za pośrednictwem diody HL2. Wszelkie diody LED są odpowiednie, więc ich typ nie jest określony. Jako diody D1, D2 dość dobrze nadają się powszechnie używane diody importowane 1N4007 lub domowe KD105B.

Zasilacz termostatu

Moc pobierana przez obwód jest niewielka, więc możesz użyć dowolnego zasilacza sieciowego chińskiego jako zasilacza lub zamontować stabilizowany prostownik 12V. Pobór prądu w obwodzie nie przekracza 200 mA, dlatego odpowiedni jest każdy transformator o mocy nie większej niż 5 W i napięciu wyjściowym 15 ... 17 V.

Obwód zasilający pokazano na rysunku 3. Mostek diodowy jest również wykonany na diodach 1N4007, a regulator napięcia wynosi + 12V na zintegrowanym stabilizatorze typu 7812. Zużycie energii jest niewielkie, więc nie trzeba instalować stabilizatora na grzejniku.

Rysunek 3. Zasilanie termostatu.

Konstrukcja termostatu jest dowolna, większość części jest zamontowana na płytce drukowanej, lepiej jest, jeśli zasilacz jest tam również zamontowany. Czujnik tranzystorowy jest podłączony za pomocą ekranowanego kabla dwużyłowego, a kolektor tranzystora jest podłączony za pomocą ekranu.

Pożądane jest, aby na końcu kabla znajdowało się trzy pinowe złącze i jego odpowiednik na płycie. Możesz również zainstalować niewielki blok zacisków na płycie, chociaż jest to mniej wygodne niż złącze. Takie połączenie znacznie ułatwi instalację czujnika i całego urządzenia jako całości w miejscu użytkowania.

Gotowe urządzenie należy umieścić w plastikowej obudowie i zainstalować na zewnątrz rezystor do ustawiania temperatury R7 i diody LED HL1 i HL2. Lepiej jest, jeśli te części są również wlutowane na płycie, a otwory są wykonane w skrzynce dla nich.

Podłączenie do sieci elektrycznej i grzejnika są połączone listwą zaciskową, którą należy przymocować wewnątrz plastikowej obudowy. Aby zabezpieczyć całe urządzenie jako całość, połączenie należy wykonać zgodnie z PUE, używając sprzętu ochronnego.

Wyprodukowano kilka z tych termostatów, a wszystkie wykazały zadowalającą dokładność regulacji temperatury, a także bardzo wysoką niezawodność, ponieważ przy takiej prostocie obwodu w rzeczywistości nie ma nic do zerwania.

Boris Aladyshkin