Теплоносій - це вода з високою температурою (не нижче 56°С), яка використовується в тепломережах для нагрівання приміщень, а також витрачається в квартирах і котеджах на побутові потреби. Відсутність гарячої води змушує нагрівати її на побутових електричних і газових плитах, що створює певні незручності, викликає перевитрата газу і електрики, порушення техніки безпеки. В деяких випадках можна підігрівати воду в простих ємкостях (котлах), встановивши у них електронагрівач. При досягненні заданої температури води в ємності потрібне оперативне відключення нагрівача, щоб вода не закипіла і не розірвала котел.
Класичний водопідігрівач виконаний за простою схемою: вимикач електромережі і ТЕН. В кращому разі, до них додано датчик тиску датчик (регулятор) температури. Датчик тиску захищає котел від підвищеного тиску води, а датчик температури спрацьовує від підвищення температури вище заданого межі.
В якості регулятора температури підігрівача часто використовується біметалічний, який мало чим відрізняється від регулятора праски. При досягненні заданої температури води датчик розмикає ланцюг живлення нагрівача, температура води природним шляхом або у результаті споживання і додавання холодної знижується, і контакти регулятора знову замикаються, включаючи підігрів. Простота такої схеми часто призводить до збоїв у роботі підігрівача через підгоряння контактів регулятора, які комутують великі струми.
Для підвищення надійності системи пропоную використовувати електронний регулятор температури (рис.1). Він дозволяє встановити бажану температуру теплоносія і підтримувати її в автоматичному режимі.
Всі датчики знаходяться в низьковольтної ланцюга і гальванічно розв'язані від мережі оптопарами і силовим трансформатором. Пристрій складається з:
- датчика температури (терморезистора) RK1 для контролю і підтримки температури води;
- оптронного лінійного підсилювача сигналу VU1, який дозволяє підвищити чутливість вхідний ланцюга;
- аналогового програмованого таймера на мікросхемі DA1;
- підсилювача потужності на транзисторі VT1;
- оптопари VU2 гальванічної розв'язки ланцюгів управління і ланцюгів живлення підігрівача;
- керуючого ключа на симисторе VS1;
- ланцюгів живлення на трансформаторі Т1 і діодному мосту VD3.
Оптоелектронні пристрої забезпечують гальванічну розв'язку вхідних і вихідних ланцюгів. У схемі використовуються два типи оптронів: VU1 - діодно-транзисторна оптопара і VU2 - діод-тиристорная. Оптопари мають великий коефіцієнт підсилення по струму, що дозволяє обійтися без додаткових ланцюгів посилення на вході таймера і в ланцюгах управління сімістором.
Чутливість терморезистора (зміна опору з температурою) при використання оптопари зростає з 2...5%/°С до 12...15%/°С. Діодно-трэнзисторная оптопара VU1 працює а лінійному режимі. Зміна випромінювання її світлодіода змінює опір колектор-эммитер внутрішнього транзистора VU1. який входить у времязадающую ланцюг таймера DA1. Відповідно змінюється час заряду конденсатора С2 зовнішньої ланцюга таймера.
Регулювання і установка температури виконуються змінними резисторами R1 і R7. що дозволяє підтримувати будь-які значення температури теп поносителя. Резистором R1 виставляється температура нагріву, R7 - потужність нагрівача. Початкова температура води впливає на опір терморезистора і, відповідно, тривалість позитивного імпульсу на виході таймера. При низькій температурі теплоносія тривалість імпульсу на виході максимальна. Застосування інтегрального таймера дозволяє досить просто виконати генератор імпульсів. Для роботи мікросхеми в режимі автогенератора висновки 2 і 6 з'єднуються між собою і підключаються до конденсатора С2. У сталому режимі інтервал Tj, протягом якого на виході таймера діє високий рівень, що визначається співвідношенням T1=0l69(RVUi+R3)C2. Коли внутрішній транзистор мікросхеми відкривається, конденсатор С2 розряджається через резистори R4 і R5, формуючи другий часовий інтервал Т2 з низьким рівнем на виході DA1. Його тривалість визначається за формулою: T2=0,69(R4+R5) C2. Значення Т2 не змінюється від температури. Загальний час імпульсу Т становить Т=Т,+Т2.
Шпаруватість імпульсів Q (Q=T/T1) при підвищенні температури збільшується, тим самим знижується напруга на підігрівачі і температура теплоносія. Частоту генератора на таймері можна регулювати, змінюючи напругу на виводі 5 DA1. При зниженні напруги підвищується частота генерації таймера, а потужність підігрівача знижується.
Сигнал прямокутної форми з виходу 3 DA1 через обмежувальний резистор R6 надходить на вхід підсилювача потужності на транзисторі VT1. Резистор R8 в ланцюзі його колектора обмежує імпульсний струм через світлодіод оптопари VU2. Застосування транзистора VT1 з великим коефіцієнтом підсилення дозволяє формувати вихідний сигнал транзисторного ключа з мінімальними спотвореннями. Цей сигнал надходить на світлодіод оптопари VU2, посилюється фотодинистором і управляє роботою регулятора потужності на симисторе VS1. Відкривають VS1 імпульси обох полярностей формуються діодним мостом VD4. Оптопара VU2 забезпечує гальванічну розв'язку низьковольтних і високовольтних ланцюгів пристрою.
Якщо діністор оптопари відкритий, включення симістора відбувається на початку попупериода мережевої напруги, коли струм через керуючий електрод досягає порогового значення, що знижує рівень перешкод симисторного перетворювача.
Для підвищення точності установки температури міст і таймер харчуються стабілізованою напругою від стабілізатора DA2. Діод VD2 захищає мікросхему стабілізатора від можливого зворотним напругою пробою. Конденсатори C3 і С5 усувають пульсації випрямленої напруги, конденсатор С1 усуває перешкоди, виникають при регулюванні резистора R1. Конденсатор Сб. встановлений паралельно навантаженні, знижує рівень перешкод симисторного перетворювача. Контакти датчика тиску Р замикають базу VT1 на корпус, припиняючи нагрівання теплоносія при аварійному тиску в підігрівнику.
У пристрої використовуються широко поширені радіокомпоненти. Постійні резистори - типу МЛТ-0,125. змінні - СП-Ill, терморезистор - ММТ-4. Оксидні конденсатори - К50-38, високовольтний (С6) - К73-17. решта-КМ. Таймер-серії 555. Трансформатор харчування застосований з напругою вторинної обмотки 10...12 Ст. Вимикач SA1 - автоматичний, на струм 25 А. Датчик тиску використаний від автомобіля "Жигулі".
Пристрій зібрано на друкованій платі, креслення якої показаний на рис.2.
Регулятор температури R1 і регулятор потужності R7 для зручності користування встановлюються на передній панелі приладу. Датчик тиску Р і терморезистор RK1 монтуються в корпусі водопідігрівача з допомогою різьбового або зварювального з'єднання.
Електронагрівач (ТЕН) закріплюється фланцем через гумову прокладку на невеликій відстані від дна резервуара підігрівача. Зливний кран повинен знаходитися вище нагрівача, а врізка подачі холодної води - зверху Датчик тиску встановлюється в будь-якому зручному місці, а терморезистор - трохи нижче зливного крана.
Регулювання схеми можна виконати, використовуючи замість резервуара з водою електрочайник. Це дозволить прискорити налагоджувальні роботи. Вилка чайника підключається до виводів ТЕН" та корпусу схеми Датчик температури RK1 поміщається в киплячу воду, і через кілька хвилин регулятором температури R1 домагаються згасання світлодіоди індикації нагріву HL1. Напруга на підігрівачі при цьому впаде майже до нуля. Положення движка R1 (100°С) фіксується. Додатково напруга і потужність на навантаженні можна відкоригувати зміною опору R7. Движок R7 перед калібруванням температури встановлюється в положення максимальної потужності. Після охолодження до кімнатної терморезистора температури резистором R1 виставляють максимальна напруга на навантаженні і фіксується положення движка (+25°С). Між крайніми значеннями температур наносяться проміжні.
Дроти, що підходять до нагрівника і симистору, повинні мати переріз 4...5 мм2 (відповідне струму навантаження 25...30 А). Дроти до датчиків для виключення наведень необхідно прокласти окремо від мережевих дротів. Резервуар підігрівача слід заземлити.
По яскравості світіння світлодіода HL1 можна візуально визначити потужність навантаженні. Погасання світлодіода вказує на відключення підігрівника або критичний тиск в резервуарі.
Література
Автор: Ст. Коновалов, м Іркутськ