Бывают неприятные моменты, когда морозильная камера в холодильнике вдруг перестает работать, температура в ней повышается до комнатной, на помощь может прийти временный терморегулятор предназначен для поддержания заданной температуры в помещениях, морозильных камерах, термошкафах и т.д. Терморегулятор позволяет поддерживать температуру в трех диапазонах:
- +63 … + 108°C,
- +13 … +38°C
- -25 … +10°C
коммутировать нагрузку мощностью до 5 кВт; работать в режиме включения (‘тепло”) или отключения (“холод”) нагрузки; включать и отключать нагрузку, а также измерять температуру в моменты перехода фазы сетевою напряжения питания через *0″; гальванически развязывать силовую и измерительную части;
использовать измерительный датчик в жидкой и газообразной средах, непосредственно индицировать включение или отключение погрузки, дополнительно подключать датчик наличия жидкости
Терморегулятор состоит из четырех узлов (рис 1):
питания но элементах VD2, VD3, DA2 и трансформатора Т1; стробирования на элементах VTI—VT3,
VT5; измерительной части но элементах DAI, VD1 (датчик), DDI 1, VT4, силовой части на элементах DDI.2, VT6, VD4, VSl, VS2.
Работает терморегулятор следующим образом. После включения питания на коллекторах транзисторов VTI, VT2 появляются короткие стробируюшие импульсы. При положительной полуволне сетевого напряжения открывается транзистор VT2, при отрицательной полуволне — VT1. И только в момент перехода фазы через “О’ оба транзистора закрыты и на их коллекторах появляется “1”. Это “1” открывает транзисторы VI5 и VT3, которые разрешают работу компаратору DA1 и измерительному мосту с термодатчиком VD1 в одном из плеч.
Таким образом, измерять температуру можно, когда напряжение в сети близко к “0”, что резко повышает помехоустойчивость терморегулятора. Есть еще один плюс. Ток как ток через VD1 (порядка 3—4 мА) протекает только в моменты стробировония, то при отрицательных температурах саморазогрева диода не происходит.
В зависимости от положения переключателя SA2 в другое плечо моста включаются резисторы R6 и R7, которые увеличивают потенциал на выводе 2 DA1, т.е “уводят” диапазон измерения вниз (в сторону низких температур). Экспериментально выяснено, что при увеличении сопротивления примерно на 10 Ом температура падает на 1°C.
Это зависимость, на удивление, почти линейна. Резистор R9 служит для плавной установки необходимой температуры в соответствующем диапазоне, о R10 и R11 для растяжки диапазонов II и III. Если на выводе 3 DA1 потенциал меньше, чем на выводе 2, то на выходе компаратора будут иглообразные импульсы, свидетельствующие о том, что температура датчика больше установленной.
При уменьшении температуры датчика импульсы уменьшаются, транзистор VT4 закрывается, напряжение на конденсаторе СЗ достигает порога срабатывания триггера DD1.1 При поступлении очередного импульса стробирования триггер переключается в состояние “1”. Переключатель SA3 служит для изменения режима работы нагрузки.
Если на D входе триггера DDI.2 присутствует “I”, то при положительном перепаде потенциала на С входе на инверсном выходе появляется *0″, транзистор VT6 открывается, и через тиристоры протекает ток управления (примерно 100 мА), открывающий их.
Ток как положительный перепад но С входе триггера происходит в момент перехода фазы через “0*. то и нагрузка включается в этот же момент. Никаких помех в сети, даже при коммутировании нагрузки мощностью несколько киловатт, терморегулятор не создает.
Цепочка R20,C4 с τ ~ I мс Предназначена для срабатывания триггера после открывания тиристоров. Если тиристор открылся, то до окончания соответствующего полупериода сетевого напряжения, он будет открыт независимо от того, течет через него ток управления или нет.
Благодаря этому удалось на порядок снизить энергопотребление схемы (скважность импульсов управления ровно 10). Это дало возможность подключить транзистор VT6 к выходу триггера без токоограничивающего резистора и включить светодиод VD4 непосредственно в цепь управления. Средний прямой ток через светодиод не превышает максимально допустимый.
Несколько слов об остальных элементах. Питание схемы осуществляется через простейший однополупериодный выпрямитель на диоде VD2. Конденсатор С2 практически сглаживает все пульсации. Стабилизатор DA2 и С1 предназначены для создания прецизионного источника напряжения +5 В дня питания измерительного моста и компаратора DA1.
Светодиод VD3 сигнализирует о включении прибора. Потенциометр R5 служит для балансировки моста и устранения разброса параметров деталей, резистор R12 — для “привязки* к “О” выходных импульсов компаратора. Транзистор VT4 выполняет несколько функций.
Во-первых, он резко увеличивает коэффициент усиления DA1, во-вторых, ‘развязывает’ выход микросхемы от емкостной нагрузки, в-третьих, является шунтирующим сопротивлением для конденсатора СЗ, поддерживая напряжение на нем около порога срабатывания триггера DD1.1. Через резистор R17 конденсатор заряжается, о через VT4 разряжается. Резистор R21 служит для ограничения тока управления тиристоров.
Терморегулятор не критичен к применению деталей. Резисторы и конденсаторы любых типов, кроме резисторов моста, где допустимо отклонение не более 5%. Мощность резисторов любая, о R15 — не менее 0,25 Вт. Подстрочный резистор R5 желательно применить многооборотный типов СП5- 2ВА, СП5-ЗВ, СП5-14, а переменный резистор R9 — закрытого типа, например, СПО-1, СП2-2 с линейной характеристикой. Переключатель SA2 любой галетный на два направления и три положения.
Трансформатор Т1 мощностью 2—3 Вт с действующим напряжением но вторичной обмотке 12—16 В. Диод VD2 рассчитан но ток не менее 200 мА. Транзисторы VT3, VT4 можно заменить соответственно на КТ3107. КТЗ102 с ß около 500-800. Вместо DA1 можно применить любой микромощный прецизионный операционный усилитель с токовым управлением.
Если управление осуществляется высоким потенциалом, например, при применении микросхемы КР1407УД2, то сопротивление резистора R13 необходимо увеличить в 2—3 раза и подключить к коллекторам транзисторов VT1, VT2. Тиристоры должны стоять каждый на своем изолированном радиаторе с площадью рассеивания не менее 100 см². Если мощность нагрузки не превышает 2 кВт, то от радиаторов можно отказаться.
Вместо указанных тиристоров подойдут другие оптронные тиристоры, например, ТО 125-12,5-7-3, однако в этом случае мощность нагрузки уменьшиться в 2 раза. Вообще, можно применить любые тиристоры с оптронами в цепи управления по схемам, неоднократно опубликованным в журналах. Если будут использованы тиристоры без гальванической развязки, то узлы питания и стробирования можно построить по схеме рис.2
В качестве термодатчика подойдет любой кремниевый диод с соответствующим диапазоном рабочих температур. Наиболее удобно применить КД521. Его выводы укорачивают до 2 мм, и к каждому из них припаивают многожильный провод во фторопластовой изоляции (МГТФ).
Провода свивают между собой. Затем на диод надевают керамическую трубку, например, от сгоревшего миниатюрного предохранителя, и в трубку заливают эпоксидку. Конструкция получается малогабаритной, герметичной и малоинерционной, так как керамика, эпоксидная смола и фторопластовая изоляция обладают хорошей теплопроводностью.
Длина проводов 2 м. Налаживание терморегулятора, собранного из исправных деталей, в основном сводится к градуировке шкалы. Вначале необходимо убедиться в наличии питающих напряжений и импульсов стробировония. Затем переключателем SA2 установить I диапазон, движок резистора R9 перевести в первое по схеме положение, не доходя чуть- чуть до края, о R5 в нижнее.
В кастрюлю или бак с кипящей водой опустить датчик и, уменьшая сопротивление резистора R5, дождаться свечения светодиода VD4. Переключатель SА3 при этом — в положении ‘Тепло’. Мост сбалансирован. На шкале резистора R9 делают отметку +100С. Температуру контролируют по ртутному термометру. Далее, постепенно остужая воду, градуируют школу.
В правом крайнем по схеме положении движка R9 температура должно быть окопа +60С В водной среде градуировать шкалу предпочтительнее, так как вода более однородна. Затем переключателем SA2 устанавливают II диапазон, переводят движок резистора в крайнее левое положение, и процесс повторяется, только в перепадах от +35 до +10С.
Для градуировки III диапазона потребуется морозильная камера в нее укладывают рядышком датчик и термометр и, понижая температуру, пытаются отградуировать шкалу. Снимать показания термометра надо очень быстро, потому что при открытии камеры температура в ней резко повышается.
Этот процесс очень сложный, особенно летом. Лучше подождать до зимы. Потенциометром R5 можно смешать все диапазоны вверх или вниз, но выше + 125″С невозможно — это предел для датчика. При градуировке кипящую воду можно заменить на кипящее машинное масло (у него температура кипения выше). Можно вообще убрать все диапазоны и сделать один.
Для этого необходимо исключив переключатель SA2 и резисторы R6, R7, R10, R11, а сопротивление R9 заменить на 1,5 кОм и подключить левым по схеме выводом непосредственно к нижнему выводу R5. Но шкала при этом получится очень грубой. Далее подключают к тиристором нагрузку, например, лампу накаливания, и убеждаются в работе терморегулятора.
При низких температурах, возможно, не будет открываться один из тиристоров ему не хватает тока управления, следует уменьшить сопротивление R21 до надежного открывания тиристора. Терморегулятор рассчитан на работу с активной нагрузкой. При другой нагрузке, если тиристоры открываются нечетко, необходимо увеличить время открывания, увеличивая емкость конденсатора С4.
Но при этом транзистор VT6 надо заменить на транзистор с супер ß, а параллельно VD4 подключить токоограничивающий резистор.
Терморегулятор можно дополнить датчиком наличия жидкости (рис.3) Датчик представляет собой два оголенных конца провода, опущенных в жидкость. Жидкость является проводником, и в цепи базы транзистора VT7 протекает ток. Транзистор открыт.
Как только провода оказываются в воздухе, ток прекращается, транзистор закрывается и на его коллекторе появляется “1” Эта единица открывает транзистор VT8, и через диод VD6 запрещает работу триггера DD1.2 Светодиод VD7 светится, сигнализируя об отсутствии жидкости.
Конструктивно датчик наличия жидкости можно объединить с термодатчиком, высунув с противоположного конца керамической трубки небольшие “рожки”, и соединить датчик с устройством четырехпроводным витым проводом. При использовании датчика наличия жидкости терморегулятор должен быть гальванически развязан от сети.
