Termostat pro elektrický kotel

Popis jednoduchého a spolehlivého obvodu regulátoru teploty pro topný systém.

Ruská zima je drsná a chladná a všichni o tom vědí. Místnosti, kde se lidé nacházejí, musí být proto vytápěny. Nejběžnější jsou ústřední topení nebo jednotlivé plynové kotle.

Často jsou situace, kdy není k dispozici ani jeden, ani druhý: například v čistém poli je malá místnost vodní čerpací stanice a řidič je ve službě nepřetržitě. Může to být také strážní věž nebo samostatná místnost ve velké neobydlené budově. Existuje mnoho takových příkladů.

Ve všech těchto případech je nutné zajistit vytápění pomocí elektřiny. Pokud je místnost malá, pak je docela možné použít běžný olejový elektrický radiátor pro domácí použití. Pro větší místnost o rozloze asi 15 - 20 metrů čtverečních je ohřev vody nejčastěji uspořádán pomocí radiátoru svařovaného z trubek, který se často nazývá registr.

Pokud necháte věci chodit samy a nemonitorujete teplotu vody, pak dříve nebo později to prostě bude vařit a případ může skončit selháním všeho elektrický kotelZa prvé, jeho topný článek. Aby se předešlo takové nešťastné události, je teplota topení řízena termostatem.

V tomto článku je navržena jedna z možných možností pro takové zařízení. Samozřejmě, že tato zima již běží, ale neměli bychom zapomenout, že saně jsou nejlépe připravené v létě.

Funkčně lze zařízení rozdělit do několika uzlů: samotný teplotní senzor, porovnávací zařízení (komparátor) a zařízení pro řízení zatížení. Následuje popis jednotlivých částí, jejich schéma a princip činnosti.

Teplotní senzor

Charakteristickým rysem popsaného provedení je to, že se používá jako teplotní senzor konvenční bipolární tranzistor, což vám umožňuje opustit vyhledávání a nákup termistory nebo senzory různých typů, například TCM.

Činnost takového senzoru je založena na skutečnosti, že stejně jako všechna polovodičová zařízení, parametry tranzistorů do značné míry závisí na okolní teplotě. Zaprvé se jedná o zpětný proud kolektoru, který se zvyšuje se zvyšující se teplotou, což ovlivňuje činnost například stupňů zesílení. Jejich pracovní bod je posunut tak, že dochází k významnému zkreslení signálu a v budoucnu tranzistor jednoduše přestane reagovat na vstupní signál.

Tato situace je vlastní hlavně v obvodech s pevným základním proudem. Proto se používají tranzistorové kaskádové obvody se zpětnovazebními prvky, které stabilizují činnost kaskády jako celku a také snižují vliv teploty na činnost tranzistoru.

Taková teplotní závislost je pozorována nejen u tranzistorů, ale také u diod. Chcete-li to ověřit, pomocí digitálního multimetru stačí „zazvonit“ jakoukoli diodu dopředu. Typicky bude zařízení ukazovat hodnotu blízkou 700. Jedná se pouze o přímý pokles napětí na otevřené diodě, který se zobrazí v milivoltech. Pro křemíkové diody při teplotě 25 stupňů Celsia je tento parametr přibližně 700 mV a pro germaniové diody přibližně 300 mV.

Pokud je nyní tato dioda mírně zahřátá, alespoň u páječky, tato hodnota se bude postupně snižovat, proto se má za to, že teplotní koeficient napětí diod je -2 mV / deg. Znaménko mínus v tomto případě znamená, že se zvyšující se teplotou klesá dopředné napětí diody.

Tato závislost také umožňuje použití diod jako teplotních senzorů.Pokud tranzistory přecházejí „se stejným obvodem“, budou výsledky velmi podobné, proto se jako teplotní senzory často používají tranzistory.

V našem případě je činnost celého regulátoru teploty přesně založena na této „negativní“ vlastnosti kaskády s pevným základním proudem. Obvod regulátoru teploty je zobrazen na obrázku 1.

Obrázek 1. Schéma termostatu (kliknutím na obrázek se schéma otevře ve větším měřítku).

Teplotní čidlo je sestaveno na tranzistoru VT1 typu KT835B. Zatížení této kaskády je rezistor R1 a rezistory R2, R3 jsou nastaveny stejnosměrný tranzistorový provozní režim. Pevná předpětí, která byla zmíněna právě výše, je nastavena rezistorem R3 tak, aby napětí na emitoru tranzistoru při pokojové teplotě bylo asi 6,8 V. Proto je v označení tohoto odporu v obvodu přítomna hvězdička (*). Není nutné zde dosahovat zvláštní přesnosti, pokud pouze toto napětí nebylo mnohem menší nebo větší. Měření by měla být prováděna ve vztahu k kolektoru tranzistoru, který je připojen ke společnému vodiči zdroje energie.

Tranzistor struktury p-n-p KT835B nebyl vybrán náhodou: jeho kolektor je připojen k kovové desce pouzdra, která má otvor pro připevnění tranzistoru k radiátoru. U této díry je tranzistor připevněn k malé kovové desce, ke které je také připojen vodič.

Výsledný senzor je připevněn pomocí kovových svorek k topné trubce. Protože, jak již bylo uvedeno, je kolektor připojen ke společnému drátu zdroje energie, není nutné instalovat mezi trubku a senzor izolační těsnění, což zjednodušuje konstrukci a zlepšuje tepelný kontakt.

Komparátor

Pro nastavení teploty je použit komparátor na operačním zesilovači OP1 typu K140UD608. Přes odpor R5 je napětí z emitoru tranzistoru VT1 přiváděno na jeho invertující vstup a napětí z motoru variabilního rezistoru R7 je přiváděno na neinvertující vstup prostřednictvím odporu R6.

Toto napětí nastavuje teplotu, při které se zátěž odpojí. Odpory R8, R9 nastavují horní a dolní rozsah pro nastavení prahové hodnoty komparátoru, a tedy mezních hodnot regulace teploty. Použití rezistoru R4 poskytuje nezbytnou hysterezi komparátoru.

Řídicí zařízení zatížení

Zařízení pro řízení zátěže je vyrobeno na tranzistoru VT2 a relé Rel1. Zde je uveden popis provozních režimů termostatu. Tyto LED diody jsou HL1 červená a HL2 zelená. Červená barva znamená zahřívání a zelená barva, kdy je dosaženo nastavené teploty. Dioda VD1, připojená paralelně s relé cívkou Rel1, chrání tranzistor VT2 před samoindukčním napětím, která se vyskytují na relé cívce Rel1 v době vypnutí.

Moderní relé malé velikosti umožňují spínání dostatečně velkých proudů. Příkladem takového relé je relé Tianbo znázorněné na obrázku 2.

Obrázek 2. Relé malých rozměrů Tianbo.

Jak je vidět na obrázku, relé umožňuje spínání proudu až do 16A, což vám umožňuje řídit zátěž až 3 kW. Toto je maximální zatížení. Aby se mírně usnadnil provoz skupiny kontaktů, měl by být výkon zátěže omezen na 2 ... 2,5 kW. Taková relé jsou v současné době velmi široce používána v automobilových a domácích spotřebičích, například v pračkách. Zároveň rozměry relé nepřesahují velikost krabičky na zápalky!

Práce a nastavení regulátoru teploty

Jak bylo řečeno na začátku článku, při pokojové teplotě je napětí na emitoru tranzistoru VT1 asi 6,8 V a při zahřátí na 90 ° C klesá napětí na 5,99 V. Pro takové experimenty je jako ohřívač vhodná stolní lampa s kovovým stínidlem. a pro měření teploty čínský digitální multimetr s termočlánkem, například DT838.Pokud je senzor sestaveného zařízení namontován na stínítku a lampa je zapnuta přes reléový kontakt, bude možné v takovém uspořádání zkontrolovat činnost sestaveného obvodu.

Komparátor pracuje takovým způsobem, že pokud je napětí na invertujícím vstupu (napětí teplotního senzoru) vyšší než napětí na vstupu neinvertujícího (napětí požadované teploty), je napětí na výstupu komparátoru blízké napětí zdroje energie, v tomto případě to lze nazvat logickou jednotkou. Tranzistorový spínač VT2 je proto rozpojený, relé je sepnuto a kontakty relé obsahují topný prvek.

Když se topný systém zahřívá, ohřívá se také teplotní senzor VT1. Napětí na jeho emitoru klesá s rostoucí teplotou, a když se stane rovným nebo poněkud menším než napětí instalované na motoru variabilního rezistoru R7, komparátor přejde do stavu logické nuly, takže tranzistor je zamčený a relé je vypnuto.

Topný článek je bez napětí a chladič se začíná chlazovat. Tranzistorový snímač VT1 také ochlazuje a napětí na jeho emitoru stoupá. Jakmile je toto napětí vyšší než napětí nastavené odporem R7, komparátor přejde do vysokého stavu, relé se zapne a proces se opakuje znovu.

Trochu o fungování obvodu displeje, přesněji o účelu jeho prvků. Červená LED HL1 se rozsvítí společně s cívkou relé Rel1 a signalizuje, že se topný systém vytápí. V tomto okamžiku je tranzistor VT2 otevřený a LED HL2 se posune přes diodu D2, zelené světlo zhasne.

Po dosažení nastavené teploty tranzistor sepne a vypne relé a tím i červenou LED HL1. Zároveň uzavřený tranzistor již nebude obcházet LED HL2, která se rozsvítí. Dioda D2 je nutná, aby se LED HL1, a tím i relé, nemohla rozsvítit pomocí LED HL2. Jakékoli LED diody jsou vhodné, takže jejich typ není specifikován. Jako diody D1, D2 jsou velmi vhodné rozšířené dovážené diody 1N4007 nebo domácí KD105B.

Napájení termostatu

Spotřeba energie v obvodu je malá, takže můžete použít jakýkoli čínský adaptér střídavého proudu jako zdroj napájení nebo sestavit stabilizovaný 12V usměrňovač. Spotřeba proudu v obvodu není větší než 200 mA, takže je vhodný jakýkoli transformátor s výkonem nejvýše 5 W a výstupním napětím 15 ... 17 V.

Napájecí obvod je znázorněn na obrázku 3. Diodový můstek je také vyroben na diodách 1N4007 a regulátor napětí je + 12 V na integrovaném stabilizátoru typu 7812. Spotřeba energie je malá, takže není nutné instalovat stabilizátor na radiátor.

Obrázek 3. Napájení termostatu.

Konstrukce termostatu je libovolná, většina částí je namontována na desce s plošnými spoji, je lepší, pokud je tam také namontován zdroj energie. Tranzistorové čidlo je připojeno pomocí stíněného dvouvodičového kabelu, zatímco kolektor tranzistoru je připojen přes obrazovku.

Je žádoucí, aby na konci kabelu byl tříkolíkový konektor a jeho protějšek na desce. Na desku můžete také nainstalovat svorkovnici malé velikosti, i když je to méně výhodné než konektor. Takové připojení výrazně usnadní instalaci senzoru a celého zařízení jako celku v místě použití.

Hotové zařízení by mělo být umístěno v plastovém pouzdře a venku nainstalovat odpor pro nastavení teploty R7 a LED HL1 a HL2. Je lepší, když jsou tyto díly také připájeny na desce a jsou pro ně vytvořeny otvory.

Připojení k elektrické síti a připojení topení se provádí přes svorkovnici, která by měla být upevněna uvnitř plastového pouzdra. Pro ochranu celého zařízení jako celku by mělo být připojení provedeno podle PUE pomocí ochranného zařízení.

Několik z těchto termostatů bylo vyrobeno a všechny vykazovaly přijatelnou přesnost regulace teploty a velmi vysokou spolehlivost, protože s takovou jednoduchostí obvodu vlastně není co zlomit.

Boris Aladyshkin