30.03.21

[Домашняя]

Обычное устройство для нагревания воды в условиях отсутствия центрального горячего водоснабжения (например, в дачном домике) состоит из бака на 5—20 л со встроенным электронагревателем (ТЭНом) мощностью 1—2 КВт. Использовать его без терморегулятора неудобно — приходится внимательно следить за тем, чтобы вода не закипела, да и получается она либо слишком горячая, либо наоборот — недогретая. На рисунке изображена схема термостата на этот случай.

Она только на вид кажется сложной, на самом деле отличается от схемы термостата для аквариума практически только тем, что в ней выбрано значительно более мощное электронное реле (до 10 А при естественном, без обдува, охлаждении) и введены дополнительные элементы (два маломощных электронных реле и два тумблера), в основном, для обеспечения различных режимов работы. Режимы эти следующие:

□          автоматический термостатирующий;

□          автоматический однократный с отключением по достижении нужной температуры ("режим электрочайника");

□          ручной с подключением ТЭНа напрямую к сети.

Сначала отвлечемся от режимов и посмотрим, как работает основная схема регулирования — которое заключается в том, что в схему введен резистор R4 небольшого номина­ла, шунтированный контактами маломощного реле К2. После включения питания, если температура еще ниже установленной, срабатывает не только основное мощное реле К1 (оно вместе с другими реле в данном случае включено в коллекторную цепь выходного транзистора микросхемы, а не в эмиттерную, как на рис, 15.2, — но это не меняет дела), но и реле К2 (токоограничивающих резисторов в реле этого типа нет, и с этой целью установлены резисторы R6 и R7). Контакты его замкнуты, и резистор R4 не участвует в работе схемы. По мере увеличения температуры напряжение на датчике падает и в какой-то момент выходной транзистор компаратора разрывает цепь питания К1 — нагреватель обесточивается, В тот же момент отключается реле К2, и резистор R4 включается в цепь делителя R2-R3-R4-R5, еще больше увеличивая разницу напряжений между выводами компаратора. По мере остывания воды напряжение на датчике повышается, и в какой-то момент компаратор снова срабатывает, подключая нагрузку через реле К1. Контакты К2 при этом опять шунтируют резистор R4, и это тоже увеличивает разницу напряжений, но в теперь "в другую сторону". Как видите, мы получили типичную гистерезисную характеристику— хотя мы здесь  используем электронное реле с zero-коррекцией, но коммутирует оно мощную нагрузку, и слишком частые изменения тока в маломощной деревенской сети в момент включения и выключения реле нам совершенно ни к чему. Резистор R4 несколько увеличивает нестабильность поддержания температуры — при приведенных на схеме номиналах разница между температурой включения и выключения составит от 1 до 1,5° (например, при установленной температуре в 35° нагреватель включится, когда температура упадет до 34°, а выключится, когда она достигнет 35,5°), однако нам более высокая стабильность в данном случае совершенно не требуется. Теперь разберемся с режимами. Сначала— с режимом "электрочайника" (однократным), для обеспечения которого в схему введено еще одно маломощное реле КЗ, включенное, как видите, довольно хитрым образом. Если тумблер S2 находится в положении "Автомат" (т. е. контакты его замкнуты), то реле К3 никак не участвует в работе схемы. Если же его переключить в режим "Однократный", то в момент достижения нужной температуры, вместе с отключением реле К1 (и, соответственно, нагрузки), реле КЗ, ранее включенное через диод VD1 и резистор R7 в ту же коллекторную цепь выходного транзистора микросхемы, также отключается, контакты его размыкаются, и вывод 4 компаратора оказывается подключенным через датчик температуры к потенциалу земли. Такое состояние схемы устойчиво, и для возобновления работы в режиме стабилизации температуры необходимо либо на некоторое время отключить напряжение питания, либо тумблером S2 переключить схему в режим "Термостат". А конденсатор С2 вместе с диодом VD1 служит для "правильного" запуска схемы при включении питания — если тумблер К4 разомкнут, то контакты реле КЗ должны замкнуться сразу после подачи напряжения питания, иначе компаратор не сработает. При подаче напряжения питания, как мы знаем, конденсатор представляет собой короткозамкнутый участок цепи, поэтому реле КЗ на небольшое время, пока конденсатор заряжается (примерно 100 мс), замкнет контакты. Диод VD1 на это время запирается и предохраняет от срабатывания реле К1 и К2. Если температура воды в момент включения превышает установленную, такое срабатывание реле будет кратковременным — только на время зарядки кон­денсатора С2. Если же температура ниже требуемой, то компаратор успеет сработать, диод VD1 откроется, и реле КЗ останется в замкнутом состоянии до момента отключения нагрузки. Кстати, опыт эксплуатации подобного устройства показал, что наиболее популярен именно режим "электрочайника", т. к. он позволяет экономить электроэнергию и не беспокоиться о том, что вы оставили включенный электроприбор без присмотра. Ручной режим (резервный, на случай выхода автоматики из строя, чтобы в случае аварии не остаться вовсе без горячей воды) обеспечивается просто: тумблер S1 в положении "Постоянно" подает сетевое питание напрямую на нагреватель (контакты К1 при этом шунтируются, схема обесточивается, а вся система работает так, будто никакой автоматики и не существует). В положении "Автомат" сетевое напряжение переключается на блок питания автоматики, а нагреватель теперь может включаться только контактами реле. Тумблер S1, естественно, должен выдерживать рабочий ток ТЭНа (подойдет импортный переключатель В1011, рассчитанный на ток до 16 А при напряжении 250 В или другой аналогичный. В крайнем случае можно использовать автомобильные переключатели, но это не очень корректно, т. к. на напряжения до 300 В они, в принципе, не рассчитаны.). Когда сетевое напряжение поступает на нагрузку (неважно, через тумблер или контакты реле), горит включенная параллельно ей неоновая лампочка H1, по которой можно контролировать работу схемы. Лампочка может быть любого типа, только не забудьте, что резистор R8 должен иметь мощность не менее 0,5 Вт, т. к. работает при сетевом напряжении. Использованное симисторное реле PF240D25 (разводка его выводов на схеме не показана, все нарисовано прямо на его корпусе) в принципе допускает ток до 25 А, однако достаточно сильно греется уже при 10 А, поэтому возможную мощность ТЭНа лучше ограничить величиной 2 КВт, а в корпусе устройства сверху и снизу обязательно должны наличествовать вентиляционные отверстия. При этом реле К1 в рабочем положении корпуса должно быть расположено выше остальных деталей. Если вы хотите добиться большей мощности, то лучше использовать аналогичное реле типа D2425 с возможностью установки на дополнительный радиатор. Использовать здесь электромагнитное реле довольно затруднительно и не рекомендуется: придется включать мощный пускатель через промежуточное реле, и он отнюдь не будет услаждать ваш слух своим грохотом и жужжанием. А вот реле К2 и КЗ вполне можно заменить на маломощные электромеханические— например типа РЭС-60 или РЭС-49. Естественно, резисторы R6 и R7 в этом случае не требуются, а вот у конденсатора С2, возможно, придется раза в два увеличить емкость для более надежного включения устройства. В положении тумблера S1 "Автомат" сетевое напряжение поступает на простейший блок питания, сделанный по рис. 10.2. Как обычно, его можно извлечь из покупного блока со встроенной вилкой, мощности от него никакой не требуется (вся схема потребляет ток порядка 30 мА), поэтому можно выбирать любой на напряжение 10—15 В. Напряжение с него поступает на стабилизатор типа LM78L09 (в корпусе ТО-92, можно заменить на отечественный 142ЕН8Б или на аналогичный иного производителя), откуда стабилизированное напряжение +9 В поступает на питание схемы. Светодиод VD2 сигнализирует о включении схемы автоматики — его лучше выбирать зеленого свечения, чтобы обеспечить контраст с неоновой лампочкой. При указанных на схеме номиналах термостат обеспечивает установку температуры в диапазоне примерно 35—85°. Настройка его и калибровка ничем не отличаются от таковых для аквариумного термостата, кроме диапазона температур. В процессе настройки основную нагрузку можно не подсоединять, т. к. момент срабатывания и отключения вполне можно контролировать по неоновой лампочке, только следует учесть, что вовсе без нагрузки "неонка" может гореть даже при выключенном реле из-за токов утечки, и вам даже может показаться, что система не работает. Тогда придется все же подключить какую-то нагрузку— в качестве нее удобно использовать лампочку накаливания или даже просто двухваттный резистор сопротивлением около 20 кОм. С перемешиванием/теплоизоляцией здесь ситуация обратная, чем в аквариуме, т. к. перемешивание здесь обеспечить довольно сложно, но оно как раз и не очень требуется — во-первых, требования к точности поддержания температуры невысоки, во-вторых, нагреватель обычно настолько мощный, что вода сама неплохо перемешивается за счет конвекции, т. е. естественной циркуляции нагретых водных масс. Вот в процессе калибровки хорошее перемешивание обеспечить надо обязательно! А теплоизолировать бак для воды я настоятельно рекомендую: просто обернув его старым ватным одеялом, вы можете экономить до 70% электроэнергии, причем это касается не только данной конструкции, но и вообще всех водонагревателей. Можно сделать и "фирменную'’ теплоизоляцию из упаковочного пенопласта. В заключение отметим, что схемы для построения термостатов невысокого класса, подобных описанным, существуют, разумеется, и в интегральном исполнении, обычно они при этом совмещены с полупроводниковым датчиком температуры, который часто имеет и отдельный выход, что обеспечивает возможность измерения температуры. С такими устройствами все знакомы, например, по встроенным в компьютерные материнские платы системам контроля температуры процессора и регулирования оборотов вентилятора.