Termostato para soldagem de plásticos

Descrição do design simples e confiável de um regulador de temperatura para soldar plásticos, por exemplo, armações de plástico.

Termostatos. Nomeação e escopo

Parece uma coisa simples controlador de temperatura, e seu principal objetivo é manter uma determinada temperatura. Mas existem muitas áreas de tecnologia ou simplesmente residências onde uma temperatura estável deve ser mantida e em uma faixa bastante ampla.

Por exemplo, poderia ser piso quente, um aquário com peixes dourados, uma incubadora para remover pintinhos, uma lareira elétrica ou caldeira no banheiro. Em todos esses casos, a temperatura deve ser mantida diferente. Por exemplo, para peixes de aquário, dependendo do seu tipo, a temperatura da água no aquário pode estar na faixa de 22 ... 31 ° C, na incubadora dentro de 37 ... 38 ° C e em uma lareira ou caldeira elétrica cerca de 70 ... 80 ° C.

Também existem controladores de temperatura que mantêm a temperatura na faixa de cem a mil ou mais graus. Criar um controlador de temperatura com um intervalo de vários graus a vários milhares é impraticável; o design se tornará muito complicado, caro e até, muito provavelmente, inoperante. Portanto, os termostatos são produzidos, em regra, em uma faixa de temperatura bastante estreita.

Muitos processos também usam controladores de temperatura. Este equipamento de solda, máquinas de moldagem por injeção para moldar produtos de plástico, equipamentos para soldar tubos de plástico, tão na moda recentemente, e não menos populares janelas de plástico.

Os termostatos industriais modernos são bastante complexos e precisos, geralmente são baseados em microcontroladores, possuem indicação digital dos modos de operação e podem ser programados pelo usuário. Porém, muitas vezes há necessidade de projetos menos complexos.

Este artigo descreverá construção de um controlador de temperatura bastante simples e confiável, disponível para fabricação em uma única produção, por exemplo, em laboratórios elétricos de fábrica. Várias dezenas desses dispositivos foram utilizados com sucesso em máquinas para soldar armações de plástico. A propósito, as próprias máquinas também foram fabricadas em um único ambiente de produção.

Descrição do diagrama de circuito

O design do termostato é bastante simples, devido ao uso do chip K157UD2, que é um amplificador operacional duplo (OA). Um pacote DIP14 contém dois amplificadores operacionais independentes, que combinam apenas pinos de energia comuns.

O escopo deste chip é principalmente equipamento de amplificação de som, como mixers, crossovers, gravadores e vários amplificadores. Portanto, os amplificadores operacionais são caracterizados por um baixo nível de ruído, o que também possibilita usá-lo como um amplificador para sinais de termopares, cujo nível é de apenas algumas dezenas de milivolts. Com o mesmo sucesso, o chip K157UD3 pode ser usado. Nesse caso, não são necessárias alterações e configurações.

Apesar da simplicidade do circuito, o dispositivo mantém uma temperatura entre 180 ... 300 ° C com uma tolerância de não mais de 5%, o que é suficiente para soldagem de plástico de alta qualidade. Potência do aquecedor de 400 watts. O diagrama esquemático do controlador de temperatura é mostrado na Figura 1.

Figura 1. Diagrama esquemático de um regulador de temperatura (clicar na imagem abrirá um circuito de maior escala).

Funcionalmente, o termostato consiste em vários nós: um amplificador de sinal de termopar no amplificador operacional DA1.1, comparador no amplificador operacional DA1.2, lançadores triac no transistor VT1 e no dispositivo de chave de saída feito no triac T1. Este triac inclui uma carga, indicada no diagrama como EK1.

Termopar

Medição de temperatura usando um termopar BK1.O projeto usa um termopar TYPE K com uma temperatura térmica de 4 μV / ° C. A uma temperatura de 100 ° C, o termopar desenvolve uma tensão de 4.095 mV, a 200 ° C e 8.137 mV e a 260 ° C e 10.560 mV. Esses dados são obtidos de uma tabela de calibração de termopares compilada empiricamente. As medições foram feitas com compensação da temperatura da junção fria. Termopares similares são usados ​​em multímetros digitais com medidores de temperatura, por exemplo, DT838. O uso do termopar de fio TMDT 2-38 também é possível. Atualmente, esses termopares estão à venda.

Amplificador Thermo-EMF

O amplificador de sinal do termopar no amplificador operacional DA1.1 é projetado de acordo com um circuito amplificador diferencial. Essa inclusão do amplificador operacional permite eliminar a interferência no modo comum, necessária para amplificar um sinal fraco do termopar.

O ganho do amplificador diferencial é determinado pela razão da resistência dos resistores R3 / R1 e pelos valores indicados no diagrama é 560. Assim, na saída do amplificador a uma temperatura de 260 ° C, a tensão deve ser 10,560 * 560 = 5913,6 mV, ou 5,91 V. isso implica que R1 = R2 e R3 = R4.

Para alterar o ganho, por exemplo, ao usar um tipo diferente de termopar, você precisará alterar dois resistores ao mesmo tempo. Na maioria das vezes, isso é feito substituindo os resistores R3 e R4. Na entrada do amplificador e no circuito de realimentação, os capacitores C1 ... C4 são instalados, cujo objetivo é a proteção contra interferências e a formação da resposta de freqüência necessária do amplificador.

Esse esquema não fornece um esquema de compensação de temperatura na junção fria. Isso tornou possível simplificar significativamente o circuito, embora isso não seja levado em consideração ao medir a temperatura do elemento de aquecimento em comparação com a simplificação do circuito.

Dispositivo de comparação - comparador

O monitoramento da temperatura de aquecimento é realizado usando um comparador (dispositivo de comparação), realizado no OS DA1.2. O limiar do comparador é definido usando o resistor de sintonização R8, a tensão a partir da qual, através do resistor R7, é fornecida à entrada não inversora do comparador (pino 2).

Utilizando os resistores R9 e R6, os limites superior e inferior do ponto de ajuste de temperatura são ajustados respectivamente.A tensão do termopar amplificado é alimentada através do resistor R5 através da entrada inversora do comparador (pino 3). A amplificação foi mencionada um pouco mais alta.

A lógica do comparador

Enquanto a tensão na entrada inversora é menor do que na não inversora, a tensão de saída do comparador é alta (quase + 12V). No caso em que a tensão da entrada inversora é maior que a saída não inversora do comparador -12V, o que corresponde a um nível baixo.

Triac trigger device

O dispositivo de disparo triac no transistor VT1 é feito de acordo com o esquema do gerador de bloqueio clássico, que pode ser visto em qualquer livro ou livro de referência. Sua única diferença em relação ao circuito clássico é que o viés para a base do transistor é fornecido a partir da saída do comparador, o que permite controlar sua operação.

Quando a saída do comparador é alta, quase + 12V, um deslocamento é aplicado à base do transistor e o gerador de bloqueio gera pulsos curtos. Se a saída do comparador for baixa, -12V, uma polarização negativa trava o transistor VT1, para que a geração de pulsos pare.

O transformador do gerador de bloqueio Tr1 é enrolado em um anel de ferrite da marca K10 * 6 * 4 feito de ferrite NM2000. Todos os três enrolamentos contêm 50 voltas de fio PELSHO 0,13.

O enrolamento é feito por lançadeira em três fios ao mesmo tempo, de modo que o início e o fim dos enrolamentos sejam diametralmente opostos. Isso é necessário para facilitar a instalação do transformador na placa. A aparência do transformador é mostrada na Figura 4 no final do artigo.

Operação do termostato

Quando o termostato é ligado até o termopar ser aquecido, a tensão de saída DA1.1 é zero ou apenas alguns milivolts em mais ou menos.Isso se deve ao fato de o K157UD2 não ter conclusões para conectar um resistor de balanceamento de compensação, com o qual seria possível definir com precisão a tensão zero na saída.

Mas, para nossos propósitos, esses milivolts de saída não são assustadores, pois o comparador é ajustado para uma tensão mais alta, da ordem de 6 ... 8 V. Portanto, em qualquer configuração do comparador nesse estado, sua saída tem um nível alto, em torno de + 12V, que inicia o gerador de bloqueio. transistor VT1. Os pulsos do enrolamento III do transformador Tr1 abrem o triac T1, que inclui um elemento de aquecimento EK1.

Junto com ele, o termopar começa a aquecer, de modo que a tensão na saída do amplificador DA1.1 aumenta com o aumento da temperatura. Quando essa tensão atingir o valor definido pelo resistor R8, o comparador entrará em um estado baixo, o que interromperá o gerador de bloqueio. Portanto, o triac T1 fechará e desligará o aquecedor.

Junto com ele, o termopar esfria, a tensão na saída do DA1.1 diminui. Quando essa tensão se torna ligeiramente menor que a tensão no motor do resistor R8, o comparador entra novamente em um nível alto na saída e liga o gerador de bloqueio novamente. O ciclo de aquecimento será repetido novamente.

Para controle visual do termostato, são fornecidos os LEDs HL1 verde e HL2 vermelho. Quando o elemento de trabalho é aquecido, o LED vermelho acende e, quando a temperatura definida é atingida, o verde acende. Para proteger os LEDs da tensão reversa, os diodos de proteção VD1 e VD2 do tipo KD521 são conectados em paralelo com eles na direção oposta.

Construção. Placa de circuito

Quase todo o circuito, juntamente com a fonte de alimentação, é feito em uma placa de circuito impresso. O design da placa de circuito é mostrado na Figura 2.

Figura 2. Placa de circuito do termostato (quando você clica na figura, o circuito será aberto em uma escala maior).

Dimensões do PWB 40 * 116 mm. A placa foi fabricada com a tecnologia de passar a laser usando o programa da placa de circuito sprint layout 4. Para criar uma placa de circuito impresso a partir da figura acima, várias etapas devem ser tomadas.

Primeiro, converta a imagem no formato * .BMP, insira-a na janela de trabalho do layout sprint 4. Em segundo lugar, basta desenhar uma linha ao redor das faixas impressas. Em terceiro lugar, imprima em uma impressora a laser e continue com a fabricação da placa de circuito impresso. O processo de fabricação da placa já foi descrito. em um dos artigos. As linhas verdes na placa indicam a fiação dos enrolamentos nos anéis de ferrite. Isso será discutido abaixo.

Além do controlador de temperatura real, a placa também contém uma fonte de energia que, à primeira vista, pode parecer excessivamente complexa. Mas essa solução tornou possível se livrar do problema de pesquisar e adquirir um transformador de rede de baixa potência e “carpintaria” adicional para sua fixação no caso. O circuito da fonte de alimentação é mostrado na Figura 3.

Figura 3. A fonte de alimentação do controlador de temperatura (quando você clicar na imagem, um circuito de maior escala será aberto).

Algumas palavras devem ser ditas sobre esse bloco separadamente. O circuito foi desenvolvido por V. Kuznetsov e foi originalmente projetado para alimentar dispositivos de microcontroladores, onde provou ser bastante confiável em operação. Posteriormente, foi usado para alimentar o termostato.

O esquema é bastante simples. A tensão da rede elétrica através do capacitor de resfriamento C1 e do resistor R4 é fornecida à ponte retificadora VDS1, composta pelos diodos 1N4007. A ondulação da tensão retificada é suavizada pelo capacitor C2, a tensão é estabilizada pelo análogo de um diodo zener feito em um transistor VT3, um diodo zener VD2 e um resistor R3. O resistor R4 limita a corrente de carga do capacitor C2 quando o dispositivo está conectado à rede e o resistor R5 descarrega o capacitor de lastro C1 quando desconectado da rede. Transistor VT3 tipo KT815G, diodo Zener VD2 tipo 1N4749A com tensão de estabilização de 24V, potência 1W.

A tensão no capacitor C2 é usada para alimentar um oscilador push-pull feito nos transistores VT1, VT2. Os circuitos de base dos transistores são controlados por um transformador Tr1. O diodo VD1 protege as transições de base dos transistores dos pulsos de auto-indução negativos dos enrolamentos do transformador Tr1. Transistores VT1, VT2 tipo KT815G, diodo VD1 KD521.

Um transformador de "potência" Tr2 está incluído nos circuitos coletores dos transistores, a partir dos enrolamentos de saída IV e V, cujas voltagens são obtidas para alimentar todo o circuito. A tensão de pulso na saída do transformador é retificada por diodos de alta frequência do tipo FR207, suavizados pelos filtros RC mais simples, e depois estabilizada no nível de 12V pelos diodos Zener VD5, VD6 do tipo 1N4742A. Sua tensão de estabilização é de 12V, a potência é de 1W.

A fase dos enrolamentos é mostrada no diagrama como de costume: o ponto indica o início do enrolamento. Se durante a montagem o faseamento não for misturado, a fonte de alimentação não precisará de nenhum ajuste; ela começará a funcionar imediatamente.

O design dos transformadores Tr1 e Tr2 é mostrado na Figura 4.

Figura 4. Vista do conjunto da placa.

Ambos os transformadores (Figura 3) são feitos em anéis de ferrite de ferrita da marca mais comum НМ2000. O transformador Tr1 contém três enrolamentos idênticos de 10 voltas em um anel do tamanho K10 * 6 * 4 mm. Os enrolamentos são enrolados por uma lançadeira em três fios ao mesmo tempo. As bordas afiadas do anel devem ser embotadas com lixa e o próprio anel deve ser envolvido com uma camada de fita adesiva comum. Para resistência mecânica, o transformador é enrolado com um fio PEV - 2 0,33 suficientemente espesso, embora também possa ser usado um fio mais fino.

O transformador Tr2 também é feito no anel. Seu tamanho é K10 * 16 * 6 mm: a uma frequência operacional de 40 kilohertz, 7 watts de potência podem ser removidos de um anel desse tipo. Os enrolamentos I e II são enrolados com um fio PELSHO - 0,13 em dois fios e contêm 44 voltas. No topo desses enrolamentos, há um enrolamento de realimentação III, que contém 3 voltas do fio PEV - 2 0,33. O uso de um fio tão grosso também prende o transformador à placa.

Os enrolamentos secundários IV e V também são enrolados em dois fios e contêm 36 voltas de fio costurado-2 0,2. De acordo com o diagrama da Figura 3, esses enrolamentos são selados na placa mesmo sem continuidade: o início de ambos os enrolamentos é selado em um fio comum e as extremidades dos enrolamentos são simplesmente conectadas aos diodos VD3 e VD4. A posição relativa dos enrolamentos pode ser vista na Figura 4.

Na figura da placa de circuito (Figura 2 no início do artigo), os enrolamentos de todos os transformadores são mostrados por linhas verdes. O início e o fim dos enrolamentos em anéis de diâmetro pequeno são diametralmente opostos; portanto, você deve primeiro soldar os três fios do início no quadro e, em seguida, tocar naturalmente os enrolamentos com um testador, as extremidades dos enrolamentos.

Perto dos caminhos de impressão em que o transformador Tr2 está vedado, você pode ver pontos que mostram o início dos enrolamentos I, II e III. O enrolamento de saída, como mencionado acima, é vedado mesmo sem continuidade: inicia-se em um fio comum e termina nos diodos do retificador.

Se esta opção da fonte de alimentação parecer complicada ou simplesmente não quiser mexer com ela, isso poderá ser feito de acordo com o esquema mostrado na Figura 5.

Figura 5. A fonte de alimentação é uma versão simplificada.

Nesta fonte de alimentação, você pode usar um transformador de potência abaixador com uma capacidade não superior a 5 watts com uma tensão de saída de 14 a 15 V. O consumo de energia é pequeno, portanto o retificador é feito de acordo com um circuito de meia onda, o que possibilitou obter uma tensão de saída bipolar de um enrolamento. Transformadores de amplificadores de antena "poloneses" são bastante adequados.

Verificação antes da montagem final

Como já mencionado, um dispositivo montado corretamente não precisa de ajuste, mas é melhor verificá-lo antes da montagem final. Antes de tudo, a operação da fonte de energia é verificada: a tensão nos diodos zener deve ser de 12 V. É melhor fazer isso antes que o microcircuito seja instalado na placa.

Depois disso, você deve conectar um termopar e definir a tensão de cerca de 5 ... 5,5 V no motor do resistor R8Em vez de um triac, conecte um LED ao enrolamento de saída do gerador de bloqueio através de um resistor com uma resistência de 50 ... 100 Ohms. Após o dispositivo ser conectado, esse LED deve acender, o que indica a operação do gerador de bloqueio.

Depois disso, você deve aquecer o termopar com pelo menos um ferro de soldar - o LED deve apagar. Portanto, resta apenas finalmente montar o dispositivo e ajustar a temperatura necessária com um termômetro. Isso deve ser feito quando o triac e o aquecedor já estiverem conectados.

Falando em triac. Obviamente, você pode usar o KU208G doméstico, mas nem todos esses triacs são lançados; é necessário escolher pelo menos um dentre vários itens. Importados muito melhores são importados BTA06 600A. A corrente máxima admissível de tal triac 6A, uma voltagem reversa de 600V, que é suficiente para uso no regulador de temperatura descrito.

O triac é montado em um pequeno radiador, parafusado na placa com parafusos com racks de plástico com 8 mm de altura. Os LEDs HL1 e HL2 são instalados no painel frontal, os resistores R6, R8, R9 também são instalados no painel. Para conectar o dispositivo à rede, aquecedor e termopar, são usados ​​conectores de terminal ou simplesmente blocos terminais.

Boris Aladyshkin