Весной, осенью (а иногда, и летом) в садовых домиках приходится использовать электрические обогреватели. Сэкономить в этом случае дачнику электроэнергию поможет предлагаемый здесь термостабилизатор, который будет поддерживать ночью в помещении пониженную температуру, а к утру доведет ее до "комфортного" значения.

Термостабилизатор (см. схему на рис. 1) содержит терморезисторный мост RK1, R6-R9, компаратор на операционном усилителе DA1 и цепь управления симистором VS1, выполненную несколько необычно.

Программируемый термостабилизатор

В термостабилизаторе применен блок питания с гасящим конденсатором С6. В выходную диагональ выпрямительного моста VD5 включены последовательно соединенные излучающий диод U1.1 оптрона U1, светодиод HL1, индицирующий включение нагревателя, и стабилитрон VD4, напряжение с которого подается для питания остальных элементов устройства. При закрытом транзисторе VT1 через излучающий диод оптрона течет пульсирующий ток с амплитудой около 32 мА. Пульсации напряжения на стабилитроне VD4 сглажены конденсатором С5. Своего максимального значения ток через излучающий диод достигает в моменты перехода сетевого напряжения через ноль, т. е. именно тогда, когда необходимо включать оптрон U1 и симистор VS1. Среднее значение тока на выходе моста составляет около 22 мА, что более чем достаточно для питания остальных элементов термостабилизатора.

При температуре терморезистора RK1 ниже установленной напряжение на неинвертирующем входе ОУ DA1 выше, чем на инвертирующем, напряжение на выходе ОУ близко к напряжению на плюсовом выводе конденсатора С5. Стабилитрон VD3 и транзистор VT1 закрыты. Через излучающий диод оптрона течет весь ток диодного моста VD5, оптрон включается и включает симистор VS1. На нагреватель поступает напряжение сети, светодиод HL1 своим свечением сигнализирует об этом. Первое включение симистора VS1 произойдет в произвольный момент времени, после чего он будет включаться в начале каждого полупериода, что обеспечит низкий уровень помех.

Когда температура терморезистора повысится до установленной, ОУ переключится и напряжение на его выходе станет близким к напряжению на минусовом выводе конденсатора С5. Откроются стабилитрон VD3 и транзистор VT1. Весь ток диодного моста VD5 пойдет через транзистор VT1 мимо излучающего диода оптрона U1 и светодиода HL1, причем большая часть по-прежнему потечет в стабилитрон VD4, а меньшая - через резистор R12 и стабилитрон VD3 на выход ОУ DA1. Оптрон U1 и симистор VS1 перестанут включаться в начале каждого полупериода, нагреватель будет отключен от сети.

Температура балансировки терморезисторного моста RK1, R6-R9, которую поддерживает термостабилизатор, зависит от напряжения на выходе 15 микросхемы DD1. При высоком уровне на этом выходе напряжение на движке переменного резистора R8 несколько больше, чем при низком. Баланс моста соответствует меньшему сопротивлению терморезистора RK1 (более высокий его температуре).

В момент включения термостабилизатора в сеть при разомкнутых контактах переключателя SA1 начинает работать генератор импульсов на элементах микросхемы DD1 с выводами 9, 11, 12, резисторе R3 и конденсаторе С2 [1]. Частота генерации составляет около 20 кГц и, независимо от исходного состояния триггеров, не более, чем через 16384 периода генератора (меньше 1 с) на выходе 15 микросхемы DD1 появится высокий логический уровень. Через диод VD1 он поступит на вход Z генератора и запретит его работу [2].Такой режим является основным для термостабилизатора.

Если теперь замкнуть контакты переключателя SA1, на вход R микросхемы DD1 поступит импульс и установит последний триггер счетчика микросхемы DD1 в нулевое состояние (все предыдущие триггеры к этому моменту уже находятся в нем). На выходе 15 появится низкий логический уровень. Длительность импульса выбрана равной 60 мс, что гарантирует начало работы счетчика только после окончания дребезга контактов переключателя. Подключение конденсатора C3 параллельно С2 приводит к уменьшению частоты генерации в 30 000 раз и установлению периода импульсов на входе счетчика микросхемы DD1 около 1,5 с.

Наличие низкого логического уровня на выходе 15 DD1 приводит к уменьшению напряжения на движке резистора R8 и стабилизации более низкой температуры, чем в основном режиме.

Спустя примерно 7 ч после замыкания контактов переключателя SA1 на выходе 15 DD1 появится высокий логический уровень, генератор вновь будет остановлен и термостабилизатор перейдет в основной режим.

Для повторного запуска стабилизации пониженной температуры необходимо разомкнуть и вновь замкнуть контакты SA1. В основном режиме работы контакты SA1 лучше держать разомкнутыми. В этом случае после перерыва в подаче сетевого напряжения стабилизатор сразу переходит в основной режим.

Резистор R4 и диод VD2 подавляют импульсные помехи отрицательной полярности на входе Z микросхемы DD1, возникающие в момент перезарядки конденсатора C3. При отсутствии указанных элементов эти импульсы через диод VD1 проходят на выход 15 микросхемы и на терморезисторный мост, нарушая нормальную работу ОУ DA1. Собственный защитный диод микросхемы DD1, включенный параллельно VD2, имеет слишком большое сопротивление.

Резистор R10 обеспечивает небольшой гистерезис ОУ DA1, что также способствует его четкой работе. Резистор R13 устанавливает рабочий режим ОУ, а R14 уменьшает ток через светодиод HL1 до допустимого значения.

Терморезисторный мост рассчитан по рекомендациям, изложенным в статье [3]. В устройстве использован терморезистор ММТ-4 сопротивлением 15 кОм. В соответствии с таблицей, приведенной в [3], для интервала температур 15...25 °С сопротивление резистора R6 (Rдоп) должно составлять 10,3 кОм, был установлен резистор с номиналом 10 кОм. При температуре 15 °С сопротивление терморезистора составляет 18,1 кОм, коэффициент передачи делителя RK1R6 Kmin = 10/(10+18,1) = 0,356, а при 25 °С - 12,5 кОм и Kmax = 10/(10+12,5) = 0,444 соответственно. Именно такие коэффициенты передачи должен обеспечивать делитель R7-R9 при крайних положениях движка переменного резистора R8. Для расчета этого делителя необходимо задаться сопротивлением одного из его резисторов, например R8. Несложно определить, что для R8 = 22 кОм и указанных выше коэффициентов передачи сопротивление R9 должно быть равно 89 кОм, R7 - 139 кОм. Были установлены резисторы ближайших меньших номиналов, что с гарантией обеспечило необходимый интервал регулирования.

Для расчета сопротивления резистора R5 необходимо задаться изменением температуры при переходе из основного режима в режим пониженной температуры. Это значение было принято равным 4 °С. Из приведенного выше расчета следует, что при изменении температуры на 10 °С коэффициент передачи делителя R7-R9 должен измениться на Kmax-Kmin = = 0,444-0,356 = 0,088 соответственно, для изменения температуры на 4 °С коэффициент передачи должен измениться на DK = 0,088/10(4 = 0,0352. Несложный, но громоздкий вывод приводит к такой формуле для расчета сопротивления R5: R5 = R9(R7+R8)/(R7+R8+R9)((1/DK-1).

Подставляя численные значения в формулу, получим R5 = 1,46 МОм.

Приведенные формулы позволят рассчитать сопротивления резисторов R5- R9 при использовании другого терморезистора или для обеспечения иного температурного интервала или для изменения температуры, отличного от 4 °С.

При включении резистора R5 в соответствии со схемой рис. 1 он влияет на стабилизируемую температуру как в основном режиме работы, так и на пониженную температуру (с уменьшением сопротивления резистора R5 стабилизируемые уровни температуры почти симметрично раздвигаются относительно установленного резистором R8). Если желательно, чтобы при подключении резистора R5 температура в основном режиме не менялась, можно последовательно с ним установить диод, показанный на рис. 1 штриховыми линиями.

Все элементы термостабилизатора, кроме симистора VS1 и выходных гнезд Х1 и Х2, смонтированы на печатной плате размерами 80(65 мм (рис. 2). Плата рассчитана на установку резисторов МЛТ (R10 - КИМ), конденсаторов К73-17 (C3 на 63 В, С6 на 400 В), К50-16 (С5), КМ-5 и КМ-6 (остальные). Переменный резистор R8 - СП3-4аМ или СП3-4бМ. Диоды VD1, VD2 - любые кремниевые маломощные, стабилитроны VD3 и VD4 - любые малогабаритные на напряжение стабилизации 3,3...5,6 В и 7,5...8,2 В соответственно. Переключатель SA1 - П2К с фиксацией в нажатом состоянии.

Программируемый термостабилизатор

При отсутствии резистора R10 указанного сопротивления допустимо изменить схему в соответствии с рис. 3.

Программируемый термостабилизатор

Транзистор VT1 - любой кремниевый маломощный структуры p-n-p. Вместо диодных мостов КЦ407А подойдут любые диоды на рабочий ток не менее 100 мА, для замены VD6 годятся диоды с рабочим напряжением не менее 300 В. Динисторный оптрон серии АОУ103 допустимо использовать с буквенными индексами Б и В, симистор КУ208 - В и Г.

Конденсатор С6 заменим на любой металлопленочный, например К73-16, на номинальное напряжение не менее 400 В.

Светодиод - любой видимого свечения. Нужно лишь обратить внимание на его установку: светодиод должен быть максимально вынесен за пределы платы, а его линза направлена в ту же сторону, что и ось переменного резистора.

Симистор установлен на ребристом теплоотводе размерами 60x50x25 мм. При этом можно применить нагреватель мощностью до 1 кВт.

Конструктивное оформление термостабилизатора такое, как и в [4].

При налаживании устройства следует установить время стабилизации пониженной температуры подборкой резистора R3 и, при необходимости, конденсатора C3. Для этого к выводу 12 микросхемы DD1 и к минусовому выводу конденсатора С5 необходимо подключить вольтметр постоянного тока и при замкнутых контактах переключателя SA1 посчитать число импульсов за 1...2 мин. Далее, по результатам измерений, найти период импульсов и умножить его на 16384 - это и будет время работы термостабилизатора в режиме пониженной температуры. В соответствии с необходимым изменением этого времени уточняют сопротивление резистора R3.

Градуировку шкалы температуры переменного резистора R8 производят без подключения нагревателя, меняя температуру в помещении. Установив температуру в комнате, например, 20 °С и, вращая движок переменного резистора, наносят метку "20" для того положения ручки, при котором происходят включение и выключение светодиода. Так же следует расставить метки в других точках. Градуировку облегчает линейность шкалы.

Выбор элементов терморезисторного моста в соответствии с приведенным выше расчетом подтвердил его достаточно высокую точность. В основном режиме интервал температур стабилизации составил 16...27 °С, в режиме пониженной температуры -12...23 °С. Однако устройство стабилизирует на 0,5...0,8 °С меньшую температуру, чем это должно быть по расчету. Дело в том, что терморезистор разогревается проходящим током. Чтобы уменьшить саморазогрев, желательно использовать терморезистор с большим сопротивлением и уменьшить напряжение питания.

В термостабилизаторе напряжение питания было выбрано минимально возможным. При меньшем напряжении на выходе первого элемента генератора микросхемы DD1 (вывод 10, см. [1]) появляется "зазубрина" и счетчик начинает работать неправильно. В то же время на выводах 11 и 12 фронты и спады импульсов четкие и крутые, что лишний раз подтверждает нежелательность использования сигнала с выхода первого инвертора генератора [1].

Примечание: В статье [3] обнаружены опечатки - формула (5) должна выглядеть так: Rдоп = (R1R2 + R2R3 - 2R1R3) / (R1 + R3 - 2R2), а верхняя формула последней колонки статьи так: B = ln (R1/R2) / (1/T1 - 1/T2).

Литература

  • Бирюков С. Генераторы и формирователи импульсов на микросхемах КМОП. - Радио, 1995, № 7, с. 36, 37; № 9 с. 54, 55.
  • Алешин П. Стабильный одновибратор. - Радио, 1993, № 8, с. 40.
  • Алешин П. Линеаризация терморезисторного моста. - Радио, 1997, № 11, с. 58, 59.
  • Бирюков С. Симисторный термостабилизатор. - Радио, 1998, № 4, с. 50, 51.
  • Автор: С.Бирюков, г.Москва

    Добавить комментарий

    Защитный код
    Обновить

    Навигация

    Инструкции по эксплуатации

    Copyright © 2017 Электрические принципиальные схемы.