Электронный терморегулятор для масляного радиатора

Статья о том, чем можно заменить механический терморегулятор масляного отопительного радиатора.

Достаточно часто в быту для отопления приходится пользоваться масляными радиаторами. Как правило, такие дни наступают осенью, когда на улице уже достаточно холодно, а службы коммунального хозяйства не спешат включать централизованное отопление в квартирах. Эти радиаторы не сжигают кислород воздуха в отличии от других типов отопительных электрических приборов.

Температура нагрева у таких радиаторов задается с помощью электромеханического регулятора, основой которого является биметаллическая пластина, – она управляет работой механического контакта. Этот контакт отключает нагреватель по достижении заданной температуры.

Когда такой регулятор приходит в негодность, отремонтировать его не удается почти в ста процентах случаев. Пользоваться же радиатором без регулятора температуры становится невозможно: либо надо вручную периодически его включать – выключать, либо сидеть и ждать, когда случится пожар. Избавиться от такой ситуации поможет полупроводниковый терморегулятор, описываемый в этой статье.

Полупроводниковые датчики температуры

Отличительной особенностью данного регулятора является то, что он не требует калибровки температуры, поскольку в нем применен датчик LM335AZ, откалиброванный уже при его изготовлении фирмой – производителем.

Таких калиброванных датчиков температуры выпускается несколько типов, например DS1621, DS1820 и некоторые другие. Эти датчики выдают показания температуры в цифровом виде, поэтому результат измерения доступен лишь микроконтроллерным устройствам, которые требуют программирования.

Аналоговый датчик температуры LM335AZ

Датчик LM335AZ выдает результат измерения в аналоговом виде (напряжение), что не требует применения микроконтроллеров и написания программ. Достаточно собрать несложную схему и устройство будет работать, как задумано. Схема описываемого терморегулятора приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Терморегулятор для масляного радиатора.

По принципу действия LM335AZ является одной из разновидностей полупроводникового управляемого стабилитрона, напряжение стабилизации которого зависит от температуры окружающей среды. Эта характеристика строго нормирована и составляет 10 мВ/°C. При этом температурный коэффициент напряжения (ТКН) положительный, то есть с увеличением температуры на каждый градус напряжение на выходе такого датчика возрастает на 10 мВ.

Фирма – изготовитель гарантирует, что при изменении температуры в пределах -40…+100 °C характеристика датчика линейна, а погрешность составляет не более чем ±1 °C. Такой точности вполне достаточно для регулирования температуры отопительного прибора. Следует отдельно заметить, что такие параметры будут достигнуты при токе через стабилитрон на уровне 0,45…5,0 мА.

Датчики LM335AZ оттарированы по температурной шкале Кельвина. Для перевода температуры из привычных нам всем градусов Цельсия придется воспользоваться следующей формулой: t °K = 273 + t °C. С учетом вышеупомянутого температурного коэффициента датчика 10 мВ/°C напряжение в милливольтах на его выходе будет в десять раз выше, чем показания в градусах.

Простой пример: если у нас в комнате настенный термометр показывает 25 градусов, то напряжение на выходе датчика LM335AZ составит (273 + 25 ) * 10 = 2980 мВ или 2,98 В. Нетрудно подсчитать, что если масляный радиатор будет разогреваться до 70 °C напряжение на выходе датчика LM335AZ составит (273 + 70) * 10 = 3430 мВ или 3,43 В. Получается, что для создания терморегулятора необходимо всего лишь померить напряжение на выходе датчика и сравнить его с опорным напряжением, которое и задает температуру нагрева.

После такого подробного рассмотрения датчика можно перейти к описанию принципиальной схемы терморегулятора, которая содержит небольшое количество деталей, проста в изготовлении и почти не требует наладки.

Блок питания терморегулятора

Блок питания терморегулятора собран по общеизвестной схеме с гасящим конденсатором. На схеме это C1. Параллельно ему установлен резистор R1, через который вышеуказанный конденсатор будет разряжаться после отключения устройства от сети.

Больше всего эта разрядка нужна при настройке и изготовлении терморегулятора, – согласитесь, что не очень приятно получать электрические удары, по забывчивости схватившись за заряженный до сетевого напряжения конденсатор.

Резистор R2 снижает пусковой ток при подключении к сети, а в аварийных ситуациях работает как предохранитель. Его мощность должна быть не менее 1 Вт. При меньших мощностях этот резистор сгорает по причине разрушения резистивного слоя даже при полностью исправном устройстве.

Выпрямленное мостом напряжение с помощью стабилитрона VD2 ограничивается на уровне 12В, а конденсатор С4 сглаживает его пульсации. Конденсатор С6 предназначен для сглаживания импульсных и высокочастотных помех, поступающих из сети. Напряжение 12 В используется для питания микросхемы – компаратора, индикаторных светодиодов HL1, HL2 и светодиода симисторного оптрона U1.

Вторая ступень стабилизации выполнена на интегральном стабилизаторе 78L05, имеющем на выходе напряжение +5 В. Это напряжение используется для питания датчика температуры и получения опорного напряжения на входе компаратора. От стабильности данного напряжения зависит стабильность работы всего устройства в целом.

Датчик температуры ВК1 получает питание от стабилизатора DA2 через резистор R3. Напряжение с датчика через помехоподавляющий фильтр R4, C2, R5 поступает на неинвертирующий вход 3 компаратора (сравнивающего устройства) DA1.1.

На инвертирующий вход 2 компаратора также через помехоподавляющий фильтр R14, C3, R6 подается опорное напряжение, которое задает температуру нагрева.

Настройка прибора сводится к тому, чтобы при помощи подстроечного резистора R15 на левом по схеме выводе резистора R17 выставить напряжение, которое выдаст датчик при максимальной заданной температуре. Если ограничить нагрев на уровне 70 °С, то по шкале Кельвина это соответствует 343 °К, поэтому напряжение датчика будет 3, 43 В. При температуре, например, 80 °С на выходе датчика присутствует 3,53 В.

В свою очередь на правом по схеме выводе резистора R17 следует выставить напряжение в соответствии с нижней границей диапазона. Эта настройка осуществляется подбором резистора R18. Резистор R17 также может оказаться под руками не того номинала, как указан на схеме. Принимая во внимание, что при 0 °С (что соответствует 273 °К) на выходе датчика напряжение 2,73 В, можно для приблизительного расчета номиналов этих резисторов воспользоваться пропорцией R17/(3,43 – 2,73) = R18/2,73, из которой несложно подсчитать сопротивление любого резистора.

Принцип работы схемы

Теперь несколько слов о том, как работает схема. Напряжение с температурного датчика поступает на неинвертирующий вход компаратора 3. На инвертирующий вход 2 поступает напряжение с движка резистора R17. Пока напряжение на неинвертирующем входе выше, чем на инвертирующем, выходной транзистор компаратора открыт, поэтому светодиод симисторного оптрона U1 засвечен. Для индикации открытого состояния оптрона служит светодиод HL1 красного цвета. В свою очередь также открыт симистор VS1 и подключен нагреватель.

По мере прогревания радиатора напряжение на выходе датчика ВК1 возрастает. Как только это напряжение превысит напряжение на инвертирующем входе, закроется выходной транзистор компаратора и погаснет светодиод оптрона – нагрузка отключится.

После того, как радиатор несколько остынет, цикл нагрева повторится снова. На сколько остынет радиатор обусловлено шириной петли гистерезиса компаратора, которая зависит от сопротивления резистора R7. Конденсатор С5 предотвращает возбуждение компаратора на высоких частотах.

В корпусе микросхемы LM2903N содержится два компаратора. Поэтому можно на втором компараторе собрать индикатор, показывающий, что нагрев завершен, и напряжение в сети есть. Этот индикатор собран на DA1.2 и светодиоде HL1 зеленого цвета, который будет загораться в то время, когда нагреватель будет отключен.

Несколько слов о деталях. Резисторы R9, R12 предназначены для обеспечения режимов работы оптронного фотосимистора, а цепочка R8, C9 предназначена для подавления выбросов напряжения на симисторе VS1. Импортный симистор, указанный на схеме, с успехом может быть заменен отечественными ТС 112-16 или ТС 125-22. С такими симисторами возможно коммутировать нагрузку мощностью до 2,5 КВт. Для их установки понадобится небольшой радиатор, от которого симистор следует изолировать с помощью слюдяных или керамических прокладок.

Конструкция регулятора произвольна: если позволяет конструкция масляного радиатора, то его можно установить внутри. Также можно изготовить терморегулятор в виде отдельного блока. В этом случае, конечно, потребуется поместить его в какой-нибудь корпус. Наружу корпуса следует вывести светодиоды HL1, HL2 и ручку переменного резистора R17, с помощью которого можно в некоторых пределах регулировать температуру нагрева. Светодиоды HL1, HL2 могут быть любого типа, при этом HL1 зеленого цвета, а HL2 красного.

Устройство изготовлено на печатной плате, возможный вариант которой показан на рисунке 2.

Рисунок 2. Печатная плата терморегулятора.

Для установки на плате применены следующие типы деталей: оксидные конденсаторы отечественные К50-35 или импортные, конденсаторы С1 и С9 пленочные типа К73-17, остальные конденсаторы малогабаритные керамические. Оксидные конденсаторы должны быть с допустимой температурой не менее +105 °С, которая указывается на корпусе конденсаторов.

Постоянные резисторы типа МЛТ 0,125 или импортные. Подстроечный резистор R1 типа СП5-28Б либо другой многооборотный – с его помощью верхняя граница нагрева будет установлена более точно.

Переменный резистор R17 проволочный типа ППБ-3В. Его назначение установка температуры нагрева. Лучше всего установить этот резистор на место старого электромеханического регулятора.

Датчик температуры LM335AZ, если позволяет конструкция радиатора, следует установить на то место, где раньше был установлен электромеханический датчик. При этом старый датчик, естественно, придется снимать. Соединение датчика с печатной платой лучше всего выполнить витой парой проводов. Это позволит значительно снизить влияние помех на работу всего устройства в целом.

Когда регулятор будет выполнен в виде отдельного блока светодиоды HL1, HL2 устанавливаются непосредственно на плате. А если плату удастся спрятать внутри обогревателя, то для установки светодиодов понадобится просверлить отверстия в корпусе обогревателя. Сами светодиоды в этом случае следует разместить на пластине из изолирующего материала, например, стеклотекстолита или гетинакса.

Налаживание устройства несложно. В первую очередь следует проверить монтаж на соответствие схеме и отсутствие дефектов в виде замыканий дорожек на плате или их обрыва. После этого убедиться в наличии напряжения +12 В на стабилитроне VD1 и напряжения +5 В на выходе стабилизатора DA2.

После этих проверок с помощью подстроечного резистора R15 установить на левом по схеме выводе переменного резистора R17 напряжение 3,43 В. В правильной работе регулятора можно убедиться, вращая переменный резистор R17. При этом следует обращать внимание на светодиодные индикаторы.

Все измерения следует проводить относительно минусового вывода конденсатора С4 при помощи цифрового мультиметра, например, типа DT838 или ему подобного.

Не следует забывать, что конструкция не имеет гальванической развязки с электрической сетью. Поэтому надо быть внимательным и осторожным, а лучше всего воспользоваться развязывающим трансформатором. Но мощность такого трансформатора не достаточна для питания масляного радиатора, поэтому на время наладки (пока все лежит на столе и доступно) нагревательный элемент можно заменить обычной лампочкой мощностью 25…100 Ватт.

Температурный датчик в процессе настройки можно нагревать просто паяльником или только что упомянутой лампой. При этом контрольная лампа будет гаснуть при достижении установленной температуры, и зажигаться после некоторого остывания датчика. Степень остывания датчика зависит от гистерезиса компаратора, о чем было написано выше.

Борис Аладышкин