Теплоноситель — это вода с высокой температурой (не ниже 56°С), которая используется в теплосетях для нагрева помещений, а также расходуется в квартирах и коттеджах на бытовые нужды. Отсутствие горячей воды вынуждает нагревать ее на бытовых электрических и газовых плитах, что создает определенные неудобства, вызывает перерасход газа и электричества, нарушение техники безопасности. В некоторых случаях можно подогревать воду в простых емкостях (котлах), установив в них электронагреватель. При достижении заданной температуры воды в емкости требуется оперативное отключение нагревателя, чтобы вода не закипела и не разорвала котел.
Классический водоподогреватель выполнен по простой схеме: выключатель электросети и ТЭН. В лучшем случае, к ним добавлены датчик давления и датчик (регулятор) температуры. Датчик давления защищает котел от повышенного давления воды, а датчик температуры срабатывает от повышения температуры выше заданного предела.
В качестве регулятора температуры подогревателя часто используется биметаллический, который мало чем отличается от регулятора утюга. При достижении заданной температуры воды датчик размыкает цепь питания нагревателя, температура воды естественным путем или в результате потребления и добавления холодной снижается, и контакты регулятора вновь замыкаются, включая подогрев. Простота такой схемы часто приводит к сбоям в работе подогревателя из-за подгорания контактов регулятора, которые коммутируют большие токи.
Для повышения надежности системы предлагаю использовать электронный регулятор температуры (рис.1). Он позволяет установить
желаемую температуру теплоносителя и поддерживать ее в автоматическом режиме. Все датчики находятся в низковольтной цепи и гальванически развязаны от сети оптопарами и силовым трансформатором. Устройство состоит из:
-датчика температуры (терморезистора) RK1 для контроля и поддержания температуры воды;
- оптронного усилителя линейного сигнала VU1, который позволяет повысить чувствительность входной цепи;
- аналогового программируемого таймера на микросхеме DA1;
- усилителя мощности на транзисторе VT1;
- оптопары VU2 гальванической развязки цепей управления и цепей питания подогревателя;
- управляющего ключа на симисторe VS1; I
- цепей питания на трансформаторе Т1 и диодном мосте VD3.
Оптоэлектронные устройства обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных цепей. В схеме используются два типа оптронов: VU1 — диодно-транзисторная оптопара и VU2 — диодно-тиристорная. Оптопары имеют большой коэффициент усиления по току, что позволяет обойтись без дополнительных цепей усиления на входе таймера и в цепях управления симистором.
Чувствительность терморезистора (изменение сопротивления с температурой) при использовании оптопары возрастает с 2...5%/°С до 12...15%/°С. Диодно-трэнзисторная оптопара VU1 работает а линейном режиме. Изменение излучения ее светодиода изменяет сопротивление коллектор-эммитер внутреннего транзистора VU1. который входит во времязадающую цепь таймера DA1. Соответственно меняется время заряда конденсатора С2 внешней цепи таймера.
Регулирование и установка температуры выполняются переменными резисторами R1 и R7. что позволяет поддерживать любые значения температуры теп поносителя. Резистором R1 выставляется температура нагрева, R7 — мощность нагревателя. Начальная температура воды оказывает влияние на сопротивление терморезистора и, соответственно, на длительность положительного импульса на выходе таймера. При низкой температуре теплоносителя длительность импульса на выходе максимальна. Применение интегрального таймера позволяет довольно просто выполнить генератор импульсов. Для работы микросхемы в режиме автогенератора выводы 2 и 6 соединяются между собой и подключаются к конденсатору С2. В установившемся режиме интервал Tj, в течение которого на выходе таймера действует высокий уровень, определяется соотношением T1=0l69(RVUi+R3)C2. Когда внутренний транзистор микросхемы открывается, конденсатор С2 разряжается через резисторы R4 и R5, формируя второй временной интервал Т2 с низким уровнем на выходе DA1. Его длительность определяется по формуле: T2=0,69(R4+R5) C2. Значение Т2 не меняется от температуры. Общее время импульса Т составляет Т=Т,+Т2.
Скважность Q импульсов (Q=T/T1) при повышении температуры увеличивается, тем самым снижается напряжение на подогревателе и температура теплоносителя. Частоту генератора на таймере можно регулировать, изменяя напряжение на выводе 5 DA1. При понижении напряжения повышается частота генерации таймера, а мощность подогревателя снижается.
нал прямоугольной формы с выхода 3 DA1 через ограничительный резистор R6 поступает на вход усилителя мощности на транзисторе VT1. Резистор R8 в цепи его коллектора ограничивает импульсный ток через светодиод оптопары VU2. Применение транзистора VT1 с большим коэффициентом усиления позволяет формировать выходной сигнал транзисторного ключа с минимальными искажениями. Этот сигнал поступает на светодиод оптопары VU2, усиливается фотодинистором и управляет работой регулятора мощности на симисторе VS1. Открывающие VS1 импульсы обеих полярностей формируются диодным мостом VD4. Оптопара VU2 обеспечивает гальваническую развязку низковольтных и высоковольтных цепей устройства.
Если динистор оптопары открыт, включение симистора происходит в начале попупериода сетевого напряжения, когда ток через управляющий электрод достигает порогового значения, что снижает уровень помех симисторного преобразователя.
Для повышения точности установки температуры мост и таймер питаются стабилизированным напряжением от стабилизатора DA2. Диод VD2 защищает микросхему стабилизатора от возможного пробоя обратным напряжением. Конденсаторы СЗ и С5 устраняют пульсации выпрямленного напряжения, конденсатор С1 устраняет помехи, возникающие при регулировке резистора R1. Конденсатор Сб. установленный параллельно нагрузке, снижает уровень помех симисторного преобразователя. Контакты датчика давления Р замыкают базу VT1 на корпус, прекращая нагрев теплоносителя при аварийном давлении в подогревателе.
В устройстве используются широко распространенные радиокомпоненты. Постоянные резисторы — типа МЛТ-0,125. переменные — СП-Ill, терморезистор — ММТ-4. Конденсаторы оксидные — К50-38,
высоковольтный (С6) — К73-17. остальные —КМ. Таймер—серии 555. Трансформатор питания применен с напряжением вторичной обмотки 10...12 В. Выключатель SA1 — автоматический, на ток 25 А. Датчик давления использован от автомобиля "Жигули".
Устройство собрано на печатной плате, чертеж которой показан на рис.2. Регулятор температуры R1 и регулятор мощности R7 для удобства пользования устанавливаются на передней панели прибора. Датчик давления Р и терморезистор RK1 монтируются в корпусе водоподогревателя с помощью резьбового или сварочного соединения.
Электронагреватель (ТЭН) закрепляется фланцем через резиновую прокладку на небольшом расстоянии от дна резервуара подогревателя. Сливной кран должен находиться выше нагревателя, а врезка подачи холодной воды — сверху Датчик давления устанавливается в любом удобном месте, а терморезистор — чуть ниже сливного крана.
Регулировку схемы можно выполнить, используя вместо резервуара с водой электрочайник. Это позволит ускорить наладочные работы. Вилка чайника подключается к выводам ТЭН" и корпусу схемы Датчик температуры RK1 помещается в кипящую воду, и через несколько минут регулятором температуры R1 добиваются погасания светодиода индикации нагрева HL1. Напряжение на подогревателе при этом упадет почти до нуля. Положение движка R1 (100°С) фиксируется. Дополнительно напряжение и мощность на нагрузке можно откорректировать изменением сопротивления R7. Движок R7 перед калибровкой температуры устанавливается в положение максимальной мощности. После охлаждения терморезистора до комнатной температуры резистором R1 выставляют максимальное напряжение на нагрузке и фиксируется положение движка (+25°С). Между крайними значениями температур наносятся промежуточные.
Провода, подходящие к нагревателю и симистору, должны иметь сечение 4...5 мм2 (соответствующее току нагрузки 25...30 А). Провода к датчикам для исключения наводок необходимо проложить отдельно от сетевых проводов. Резервуар подогревателя следует заземлить.
По яркости свечения светодиода HL1 можно визуально определить мощность в нагрузке. Погасание светодиода указывает на отключение подогревателя или критическое давление в резервуаре.
Литература
1. М.А. Шустов. 450 полезных схем радиолюбителям, 2007.
2. Г. Шрайбер. 400 новых радиоэлектронных схем. 2006.
|
