30.03.21

[Домашняя]

Предлагаемое устройство, будучи встроено в электроводонагреватель, обеспечивает поддержание необходимой температуры воды, не позволяет включить нагревательный элемент при ее отсутствии, и индицирует ее уровень, Стабилизация температуры осуществляется включением и выключением сетевого напряжения, подаваемого на нагреватель, в зависимости от температуры датчика — термистора. Включение симистора происходит в момент перехода сетевого напряжения через нуль, что исключает помехи радиоприему. Электроводонагреватель «Элтерм» ЭВБО-15/1.25 (15 литров, 1,25 кВт) очень удобен для установки на кухне садового дома, а также, при частых перебоях в подаче горячей воды и в городской квартире, однако ему свойственны некоторые недостатки. Во-первых, биметаллический контактный регулятор имеет очень большой гистерезис по температуре — вода или очень горячая или едва теплая. Установлен этот регулятор на корпусе довольно высоко и, когда уровень воды понижается, и тепловой контакт между водой и регулятором нарушается, вода нагревается еще больше. Во-вторых, аварийный выключатель, который отключает нагревательный элемент при отсутствии воды, имеет более чем посредственный тепловой контакт с нагревателем.  В результате до его срабатывания нагреватель успевает разогреться так, что пластмассовый корпус в месте крепления нагревателя размягчается и коробится. Третий недостаток — отсутствие указателя уровня воды. Предлагаемый автомат позволяет устранить эти недостатки. Схема устройства приведена на рис.1.

Она состоит из термостабилизатора (верхняя половина схемы) и светодиодного индикатора уровня (нижняя половина). Блок питания автомата собран на трансформаторе Т1, диодном мосте VD1, конденсаторах С1 и С2 и микросхемном стабилизаторе DA1 на 6 В. Диод VD2 совместно с транзисторами VT1 и VT2 образуют формирователь импульсов в момент прохождения сетевого напряжения через нуль. Компаратор DA2 служит для сравнения напряжения, поступающего с подстраиваемого резистивного делителя R6R7R8, с напряжением на термисторе R10. Выходной сигнал компаратора через оптрон U1 управляет симистором VS1, который и коммутирует нагрузку. Работает термостабилизатор так. Пока мгновенное напряжение сети по абсолютной величине превышает 25 В, транзистор VT1 включен и насыщен, транзистор VT2 закрыт. На базе транзистора VT3 напряжение близко к напряжению питания (+6 В), он закрыт. Светодиод оптрона U1 погашен, ток на управляющий электрод симистора VS1 не поступает. При снижении мгновенного напряжения сети до 25 В транзистор VT1 закры­вается, VT2 открывается и подает на базу транзистора VT3 отпирающее напряжение. Теперь ток через светодиод оптрона определяется состоянием компаратора DA2, которое, в свою очередь, определяется температурой термистора R10. Если его температура ниже необходимой, установленной подстроенным резистором R7, напряжение на инвертирующем входе 4 компаратора выше напряжения на неинвертирующем входе 3, и на выходе 9 компаратора появится напряжение, близкое к нулю. Через резистор R13, транзистор VT3 и светодиод оптрона U1 течет ток, включающий фотодинистор оптрона и симистор VS1. На нагреватель ЕК1ЕК2 подается напряжение сети, температура воды повышается. Включенное состояние водонагревателя индицируется светодиодами HL1 и HL2 красного цвета. После того, как температура воды достигнет необходимой величины, напряжение на термисторе уменьшится, и симистор перестанет включаться. Когда вода слегка остынет, снова включится нагреватель, поддерживая нужную температуру. Резистор R11 обеспечивает некоторый гистерезис по температуре включения и выключения нагревателя, а резистор R14 исключает включение светодиода оптрона за счет тока базы транзистора VT3. В схеме устройства отсутствует ограничительный резистор, обычно включаемый последовательно с фотодинистором оптрона для ограничения тока через него и управляющий электрод симистора. Дело в том, что, как указывалось выше, ток через светодиод оптрона может течь только при мгновенном напряжении сети, менее 25 В. Поэтому ток через фотодинистор оптрона и управляющий электрод симистора не может превышать 25 В/38 Ом = 0,67 А, что допустимо как для оптрона, так и для управляющего электрода симисто­ра (сопротивление нагревателя мощностью 1,25 кВт равно 38 Ом). Симистор включается в самом начале каждого полупериода напряжения сети, что исключает помехи радиоприему. Первый раз включение симистора происходит в конце полупериода, в котором выполнилось условие его включения. Индикатор уровня воды состоит из четырех однотипных узлов на транзисторах VT4-VT7 и светодиодах HL3-HL6. К контакту Х1 платы подключен датчик макси­мального уровня, к Х4 - минимального. Когда датчик находится в воде, ее проводимости оказывается достаточной для открывания соответствующего транзистора и включения зеленого светодиода в его коллекторной цепи. Если уровень воды ниже расположения датчика, транзистор закрыт, и светодиод не светится. Общим электродом для датчиков служат корпуса нагревательных элементов ЕК1 и ЕК2, с которыми соединен минус источника питания. Датчик нижнего уровня дополнен еще одним транзистором — VT8. Если уровень воды будет ниже нижнего дат­чика, транзистор VT7 закроется, a VT8 — включится. Двухцветный светодиод HL6 начнет светиться красным, предупреждая о том, что воды в водонагревателе осталось мало. Кроме того, напряжение, близкое к напряжению питания, через диод VD3 поступит на базу транзистора VT3 и закроет его. Оптрон U1, симистор VS1 и нагреватель ЕК1ЕК2 не будут включаться. SF1 — штатный аварийный выключатель электроводонагревателя. Почти все элементы автомата, включая трансформатор Т1 и симистор VS1 на теплоотводе, смонтированы на печатной плате размерами 55x187,5 мм (рис. 2).

Плата рассчитана на установку резисторов МЛТ, импортного аналога конденсатора К50-35 (С1), К53-16 (С2), который можно заменить на любой другой оксидный конденсатор, К73-17 (СЗ) на напряжение 400 В. Подстроечный резистор R7 — СПЗ-19а. Диоды VD2-VD4 — любые маломощные кремниевые, диодный мост VD1 — любой подходящий на ток не менее 100 мА, например КЦ407А, или четыре диода, однотипных с VD2-VD4. Микросхема DA1 — стабилизатор напряжения на 6 В, например, КР142ЕН5Г, КР1180ЕН6, КР1157ЕН6 с любыми суффиксами, КР1180ЕН6, 78L06, 78М06, 7806 Микросхему К554САЗ (DA2) можно заменить на К521САЗ с учетом различия в цоколёвке. Следует иметь в виду, что почти во всех справочниках прямой и инверсный входы этих микросхем перепутаны. Транзисторы могут быть любыми кремниевыми маломощными соответствующей структуры с h21Э не менее 50, например серий КТ3102 (VT1 и VT2) и КТ3107 (VT3-VT8). Оптрон U1 можно использовать серии АОУ160 с любым буквенным индексом, но при установке АОУ160Б и АОУ160В сопротивление резистора R13 следует уменьшить до 220 Ом. Светодиоды HL1-HL5 — любые указанного цвета свечения, например, АЛ307НМ (зеленые) и АЛ307БМ (красные). Двуцветный светодиод HL5 может быть типа АЛС331А, КИПД18А-М, КИПД19А-М, КИПД19Б-М, КИПД37А-М, КИПД37А1-М, LHG3392, можно также применить и два отдельных светодиода. Трансформатор Т1 использован от блока питания (адаптера) «Электроника Д2-37». Он имеет вторичную обмотку 2x9 В, которая использована целиком. Напряжение на конденсаторе С1 составляет около 22 В при номинальном напряжении сети. Столь высокая его величина обеспечивает работоспособность устройства при значительном снижении сетевого напряжения, типичном для сельской местности. Можно использовать любой маломощный трансформатор с напряжением на вторичной обмотке 12...18 В, однако на сколько вольт относительно верхнего предела этого диапазона будет ниже напряжение на вторичной обмотке, на столько же килоом следует снизить сопротивление резистора R1. Это необходимо для того, чтобы длительность импульсов на коллекторе VT2 была равна требуемой. Интересно отметить, что при напряжении питания 220 В она составляет около 500 мкс (±250 мкс относительно момента перехода через нуль) и увеличивается обратно пропорционально снижению напряжения сети. При этом начало, и конец импульса соответствуют мгновенному напряжению сети 25 В (по абсолютной величине). Симистор VS1 может быть использован любой на необходимый рабочий ток и класса не ниже 4 (рабочее напряжение 400 В и более), например, ТС112-16-4, фирмы Motorola серий МАС8, МАС9, МАС12, МАС15, МАС16 с любыми буквенными индексами. Размеры ребристого теплоотвода симистора 40x45x30 мм, число ребер равно 6. Выключатель SA1 — тумблер ТЗ, он установлен на имеющемся в нижней части водонагревателя кронштейне. Элементы индикатора включения нагревателя СЗ, R28, VD4, HL2 установлены на небольшой плате, закрепленной около нижнего нагревательного элемента. Термистор R10 автор использовал ММТ-46. Его можно заменить на ММТ-4а. При установке R10 указанного типа, но другого номинала (до 33 кОм) сопротивление резистора R9 должно быть чуть меньше половины номинального сопротивления термистора при температуре +20^סС. Термистор вставлен в рассверленный сверлом 4,2 мм латунный болт-держатель биметаллического регулятора температуры водонагревателя. Болт закреплен на стенке бака, на высоте 10…15 мм выше нагревателя и в стороне от него (на уровне нижнего датчика). Корпус термистора должен быть соединен с общим проводом. Все элементы устройства установлены под штатным кожухом водонагревателя. Для установки печатной платы сетевой выключатель и биметаллический регулятор температуры были сняты, а крепежное отверстие регулятора заглушено резиновой пробкой. К вертикальным ребрам жесткости корпуса водонагревателя вин­тами МЗ привернуты горизонтальные бруски 8x30x42 и 8x8x65 мм из органического стекла, а к ним тремя винтами М2,5 — печатная плата. Трансформатор на плате закреплен хомутиком из латуни толщиной 0,5 мм. В нижней части кожуха просверлены 20 отверстий диаметром 7 мм, служащих для вентиляции элементов устройства. Такие же 12 отверстий выполнены   в   верхней   части   кожуха, оставшееся от штатного выключателя отверстие ничем не закрыто. Конструкция датчиков уровня проиллюстрирована на рис 3.

Они представляют собой Г-образные отрезки прутка, диаметром 3,5 мм из нержавеющей стали. Четыре отрезка 1 разной длины пропущены в отверстия в стенке 2 бака, просверленные выше максимального уровня воды, и плотно вставлены в отверстия упомянутого выше бруска 3 (8x30x42 мм) Контакт с токоведущими дорожками печатной платы 4 осуществляется за счет узких латунных полосок 5, припаянных к плате. Высота установки нижнего среза датчиков примерно соответствует положению светодиодов на плате. Светодиоды HL3-HL6 расположены в одну вертикальную линию, a HL1 и HL2 — вынесены из нее. Вообще говоря, один из двух последних светодиодов избыточен, но HL1 удобен при настройке, а переключение HL2 демонстрирует работоспособность всех элементов термостабилизатора и полезно для контроля его исправности. Напротив светодиодов в кожухе просверлены отверстия диаметром 5 мм. Проверяют и градуируют регулятор без симистора. Термистор помещают в воду с температурой +45°С. Его изолятор не должен быть в воде. При вращении оси резистора R7 и подходе к крайнему левому положению светодиод HL1 должен загораться. Если это не так, подбирают резистор R8. При такой регулировке нижний предел температуры составит около 25^ס С. Для окончательной регулировки устройства в него наливают воду с температурой, которую необходимо стабилизировать, и подбирают положение движка R7 на грани включения светодиода HL1. Описанный выше автомат разрабатывался для установки в электроводонагреватель с двумя нагревательными элементами— ЕК1 и ЕК2. В устройствах более позднего выпуска установлен один нагревательный элемент. Поскольку в устройстве с одним нагревательным элементом полезный объем воды больше (ее допустимый уровень может быть ниже), печатная плата по своей длине была увеличена до 240 мм. Рисунок платы в основном сохранен, лишь увеличен шаг установки светодиодов HL3-HL6 с 50 до 67,5 мм. Кроме того, использован трансформатор питания ТП-121-4. сопротивление резистора R1 уменьшено до 10 кОм. Из имевшихся в наличии термисторов выбран КМТ-46 сопротивлением 22 кОм, при этом R6=8,2 кОм, R7=4,7 кОм, R8=13 кОм, R9=8,2 кОм, R11=1 МОм. Элементы цепи индикации включения нагревательного элемента С3. R28 VD4 HL2 установлены между светодиодами HL4 и HL5. Светодиод HL1 не выведен на лицевую сторону кожуха, и после настройки его можно удалить и установить на его место перемычку.

Схемотехника №5 2002г стр. 54