Навесні, восени (а іноді, і влітку) в садових будиночках доводиться використовувати електричні обігрівачі. Заощадити в цьому випадку дачникові електроенергію допоможе пропонований тут термостабілізатори, який буде підтримувати вночі в приміщенні знижену температуру, а до ранку доведе її до "комфортного" значення.
Термостабілізатори (див. схему на рис. 1) містить терморезисторний міст RK1, R6-R9, компаратор на операційному підсилювачі DA1 і ланцюг управління сімістором VS1, виконану дещо незвично.
У термостабилизаторе застосовано блок живлення з гасить конденсатором С6. В вихідну діагональ випрямного моста VD5 включені послідовно сполучені випромінюючий діод U1.1 оптрон U1, світлодіод HL1, індиціюється включення нагрівача, і стабілітрон VD4, напруга з якого подається для харчування інших елементів пристрою. При закритому транзисторі VT1 через випромінюючий діод оптрона тече пульсуючий струм з амплітудою близько 32 мА. Пульсації напруги на стабілітроні VD4 згладжені конденсатором С5. Свого максимального значення струм через випромінюючий діод досягає в моменти переходу мережевої напруги через нуль, тобто саме тоді, коли необхідно включати оптрон U1 і симистор VS1. Середнє значення струму на виході моста становить близько 22 мА, що більш ніж достатньо для живлення інших елементів термостабілізатора.
При температурі терморезистора RK1 нижче встановленої напруга на неінвертуючому вході ОУ DA1 вище, ніж на інвертуючому, напруга на виході ОУ близько до напруги на плюсовому висновку конденсатора С5. Стабілітрон VD3 і транзистор VT1 закриті. Через випромінюючий діод оптрона тече весь струм діодного мосту VD5, оптрон включається і включає симистор VS1. На нагрівач надходить напруга мережі, світлодіод HL1 своїм світінням сигналізує про це. Перше включення симістора VS1 відбудеться в довільний момент часу, після чого він буде включатися до початку кожного напівперіоду, що забезпечить низький рівень перешкод.
Коли температура терморезистора підвищиться до встановленої, ОУ переключиться і напруга на його виході стане близькою до напруги на мінусовому виведення конденсатора С5. Відкриються стабілітрон VD3 і транзистор VT1. Весь струм діодного мосту VD5 піде через транзистор VT1 повз випромінюючого діода оптрон U1 і світлодіода HL1, причому більша частина, як і раніше потече в стабілітрон VD4, а менша - через резистор R12 і стабілітрон VD3 на вихід ОУ DA1. Оптрон U1 і сімістор VS1 перестануть включатися до початку кожного напівперіоду, нагрівач буде відключений від мережі.
Температура балансування терморезисторного мосту RK1, R6-R9, яку підтримує термостабілізатори, залежить від напруги на виході 15 мікросхеми DD1. При високому рівні на цьому виході напруга на движку змінного резистора R8 дещо більше, ніж при низькому. Баланс мосту відповідає меншого опору терморезистора RK1 (більш високий його температурі).
У момент включення термостабілізатора в мережу при розімкнутих контактах перемикача SA1 починає працювати генератор імпульсів на елементах мікросхеми DD1 з висновками 9, 11, 12, резисторі R3 і конденсаторі С2 [1]. Частота генерації становить близько 20 кГц і, незалежно від вихідного стану тригерів, не більш, ніж через 16384 періоду генератора (менше 1 с) на виході 15 мікросхеми DD1 з'явиться високий логічний рівень. Через діод VD1 він надійде на вхід Z генератора і заборонить його роботу [2].Такий режим є основним для термостабілізатора.
Якщо замкнути контакти перемикача SA1, на вхід R мікросхеми DD1 надійде імпульс і встановить останній тригер лічильника мікросхеми DD1 в нульове стан (всі попередні тригери до цього моменту вже знаходяться в ньому). На вихід 15 з'явиться низький логічний рівень. Тривалість імпульсу вибрано рівної 60 мс, що гарантує початок роботи лічильника тільки після закінчення брязкоту контактів перемикача. Підключення конденсатора C3 паралельно С2 призводить до зменшення частоти генерації в 30 000 разів і встановлення періоду імпульсів на вході лічильника мікросхеми DD1 близько 1,5 с.
Наявність низького логічного рівня на виході 15 DD1 призводить до зменшення напруги на движку резистора R8 і стабілізації більш низької температури, ніж у основному режимі.
Приблизно через 7 год після замикання контактів перемикача SA1 на виході 15 DD1 з'явиться високий логічний рівень, генератор знову буде зупинений і термостабілізатори перейде в основний режим.
Для повторного запуску стабілізації зниженої температури необхідно розімкнути і знову замкнути контакти SA1. В основному режимі роботи контакти SA1 краще тримати розімкнутими. У цьому випадку після перерви в подачі мережевої напруги стабілізатор відразу переходить в основний режим.
Резистор R4 і діод VD2 пригнічують імпульсні перешкоди негативної полярності на вході Z мікросхеми DD1, що виникають у момент перезарядки конденсатора C3. При відсутності зазначених елементів ці імпульси через діод VD1 проходять на вихід 15 мікросхеми і на терморезисторний міст, порушуючи нормальну роботу ОУ DA1. Власний захисний діод мікросхеми DD1, включений паралельно VD2, має занадто великий опір.
Резистор R10 забезпечує невеликий гістерезис ОУ DA1, що також сприяє його чіткої роботи. Резистор R13 встановлює робочий режим ОУ, а R14 зменшує струм через світлодіод HL1 до допустимого значення.
Терморезисторний міст розрахований за рекомендаціями, викладеними в статті [3]. В пристрої використаний терморезистор ММТ-4 опором 15 кОм. Відповідно з таблицею, наведеною в [3], для інтервалу температур 15…25 °С опір резистора R6 (Rдоп) має становити 10,3 кОм, був встановлений резистор з номіналом 10 кОм. При температурі 15 °С опір терморезистора становить 18,1 кОм, коефіцієнт передачі дільника RK1R6 Kmin = 10/(10+18,1) = 0,356, а при 25 °С - 12,5 кОм і Kmax = 10/(10+12,5) = 0,444 відповідно. Саме такі коефіцієнти передачі має забезпечувати дільник R7-R9 при крайніх положеннях движка змінного резистора R8. Для розрахунку цього дільника необхідно задатися опором одного з його резисторів, наприклад R8. Нескладно визначити, що для R8 = 22 кОм і зазначених вище коефіцієнтів передачі опір R9 має бути одно 89 кОм, R7 - 139 кОм. Були встановлені резистори найближчих менших номіналів, що з гарантією забезпечило необхідний інтервал регулювання.
Для розрахунку опору резистора R5 необхідно задатися зміною температури при переході з основного режиму в режим зниженої температури. Це значення було прийнято рівним 4 °С. З наведеного вище розрахунку випливає, що при зміні температури на 10 °С коефіцієнт передачі подільника R7-R9 повинен змінитися на Kmax-Kmin = = 0,444-0,356 = 0,088 відповідно, для зміни температури на 4 °С коефіцієнт передачі повинен змінитися на DK = 0,088/10(4 = 0,0352. Нескладний, але громіздкий висновок призводить до такої формули для розрахунку опору R5: R5 = R9(R7+R8)/(R7+R8+R9)((1/DK-1).
Підставляючи чисельні значення у формулу, отримаємо R5 = 1,46 МОм.
Наведені формули дозволять розрахувати опору резисторів R5 - R9 при використання іншого терморезистора або для забезпечення температурного іншого інтервалу або для зміни температури, відмінного від 4 °С.
При включенні резистора R5 у відповідності зі схемою рис. 1 він впливає на стабилизируемую температуру як в основному режимі роботи, так і на понижену температуру (з зменшенням опору резистора R5 стабілізіруемие рівні температури майже симетрично щодо встановленого розсуваються резистором R8). Якщо бажано, щоб при підключенні резистора R5 температура в основному режимі не змінювалася, можна послідовно з ним встановити діод, показаний на рис. 1 штриховими лініями.
Всі елементи термостабілізатора, крім симістора VS1 і вихідних гнізд Х1 і Х2, змонтовані на друкованій платі розмірами 80(65 мм (рис. 2). Плата розрахована на встановлення резисторів МЛТ (R10 - КІМ), конденсаторів К73-17 (C3 на 63, С6 на 400 В), К50-16 (С5), КМ-5 КМ-6 (решта). Змінний резистор R8 - СП3-4аМ або СП3-4бМ. Діоди VD1, VD2 - будь-які малопотужні кремнієві, стабілітрони VD3 і VD4 - будь-які малогабаритні на напругу стабілізації 3,3…5,6 і 7,5…8,2 В відповідно. Перемикач SA1 - П2К з фіксацією в натиснутому стані.
При відсутності зазначеного опору резистора R10 допустимо змінити схему в відповідно до рис. 3.
Транзистор VT1 - будь-який кремнієвий малопотужний структури p-n-p. Замість діодних мостів КЦ407А підійдуть будь-які діоди на робочий струм не менше 100 мА, для заміни VD6 годяться діоди з робочою напругою не менше 300 Ст. Динисторный оптрон серії АОУ103 припустимо використовувати з буквеними індексами Б і В, симистор КУ208 - В і Р.
Конденсатор С6 замінимо на будь металлопленочный, наприклад К73-16, на номінальну напругу не менше 400 Ст.
Світлодіод - будь видимого світла. Потрібно лише звернути увагу на його установку: світлодіод повинен бути максимально винесений за межі плати, а його лінза направлена в ту ж сторону, що і вісь змінного резистора.
Сімістор встановлений на ребристому тепловідвід розмірами 60x50x25 мм. При цьому можна застосувати нагрівач потужністю до 1 кВт.
Конструктивне оформлення термостабілізатора таке, як і в [4].
При налагоджуванні пристрою слід встановити час стабілізації зниженою температури підбіркою резистора R3 і, при необхідності, конденсатора C3. Для цього висновку 12 мікросхеми DD1 і до мінусового висновку конденсатора С5 необхідно підключити вольтметр постійного струму і при замкнутих контактах перемикача SA1 порахувати число імпульсів за 1…2 хв. Далі, за результатами вимірювань, знайти період імпульсів і помножити його на 16384 - це і буде час роботи термостабілізатора в режимі зниженої температури. Відповідно з необхідною зміною цього часу уточнюють опір резистора R3.
Градуювання шкали температури змінного резистора R8 виробляють без підключення нагрівача, змінюючи температуру в приміщенні. Встановивши температуру в кімнаті, наприклад, 20 °С і, обертаючи движок змінного резистора, наносять мітку "20" для того положення ручки, при якому відбуваються вмикання і вимикання світлодіода. Так само слід розставити мітки в інших точках. Градуювання полегшує лінійність шкали.
Вибір елементів терморезисторного мосту у відповідності з наведеним вище розрахунком підтвердив його досить високу точність. В основному режимі інтервал температур стабілізації склав 16…27 °С, в режимі зниженої температури -12…23 °С. Проте пристрій стабілізує на 0,5…0,8 °С меншу температуру, ніж це повинно бути з розрахунку. Справа в тому, що терморезистор розігрівається минаючим струмом. Щоб зменшити саморозігрів, бажано використовувати терморезистор з великим опором і зменшити напругу харчування.
У термостабилизаторе напругу живлення було обрано мінімально можливим. При меншій напрузі на виході першого елемента генератора мікросхеми DD1 (вивід 10, див. [1]) з'являється "зазубрина" і лічильник починає працювати неправильно. В водночас на висновки 11 і 12 фронти і спади імпульсів чіткі та круті, що зайвий раз підтверджує небажаність використання сигналу з виходу першого інвертора генератора [1].
Примітка: У статті [3] виявлені друкарські помилки - формула (5) має виглядати так: Rдоп = (R1R2 + R2R3 - 2R1R3) / (R1 + R3 - 2R2), а верхня формула останньої колонки статті так: B = ln (R1/R2) / (1/T1 - 1/T2).
Література
Автор: С. Бірюков, р. Москва