Termostato para caldeira elétrica

Descrição de um circuito regulador de temperatura simples e confiável para um sistema de aquecimento.

O inverno russo é rigoroso e frio, e todo mundo sabe disso. Portanto, as instalações onde as pessoas estão localizadas devem ser aquecidas. O mais comum é o aquecimento central ou caldeiras a gás individuais.

Muitas vezes, há situações em que nem um nem outro está disponível: por exemplo, em um campo limpo, há uma pequena sala de uma estação de bombeamento de água e o motorista está de plantão o tempo todo. Também pode ser uma torre de guarda ou uma sala separada em um grande edifício desabitado. Existem muitos exemplos.

Em todos esses casos, é necessário organizar o aquecimento usando eletricidade. Se a sala for pequena, é bem possível usar um radiador elétrico a óleo convencional para uso doméstico. Para uma sala maior, com uma área de cerca de 15 a 20 metros quadrados, o aquecimento da água é mais frequentemente organizado usando um radiador soldado a partir de canos, que costuma ser chamado de registro.

Se você deixar as coisas por conta própria e não monitorar a temperatura da água, mais cedo ou mais tarde ela simplesmente ferverá e o estojo poderá terminar em falha de tudo caldeira elétricaPrimeiro de tudo, seu elemento de aquecimento. Para evitar um evento tão infeliz, a temperatura de aquecimento é controlada por um termostato.

Uma das opções possíveis para esse dispositivo é proposta neste artigo. É claro que este inverno já está se esgotando, mas não devemos esquecer que os trenós são mais bem preparados no verão.

Funcionalmente, o dispositivo pode ser dividido em vários nós: o próprio sensor de temperatura, dispositivo de comparação (comparador) e um dispositivo de controle de carga. A seguir, é apresentada uma descrição das partes individuais, seu diagrama e princípio de operação.

Sensor de temperatura

Uma característica distintiva do projeto descrito é que ele é usado como sensor de temperatura transistor bipolar convencional, que permite abandonar a pesquisa e a compra termistores ou sensores de vários tipos, por exemplo, TCM.

A operação de um sensor desse tipo baseia-se no fato de que, como todos os dispositivos semicondutores, os parâmetros dos transistores dependem em grande parte da temperatura ambiente. Em primeiro lugar, essa é a corrente do coletor reverso, que aumenta com o aumento da temperatura, o que afeta a operação de, por exemplo, estágios de amplificação. Seu ponto de operação é alterado para que ocorra distorção significativa do sinal e, no futuro, o transistor simplesmente deixa de responder ao sinal de entrada.

Essa situação é inerente principalmente a circuitos com corrente de base fixa. Portanto, são utilizados circuitos em cascata de transistor com elementos de realimentação que estabilizam a operação da cascata como um todo e também reduzem o efeito da temperatura na operação do transistor.

Essa dependência de temperatura é observada não apenas para transistores, mas também para diodos. Para verificar isso, usando um multímetro digital, basta "tocar" qualquer diodo na direção direta. Normalmente, o dispositivo mostra um valor próximo a 700. Essa é apenas uma queda direta de tensão no diodo aberto, que o dispositivo exibe em milivolts. Para diodos de silício a uma temperatura de 25 graus Celsius, esse parâmetro é de aproximadamente 700 mV e para diodos de germânio cerca de 300.

Se agora esse diodo estiver levemente aquecido, pelo menos com um ferro de solda, esse valor diminuirá gradualmente; portanto, considera-se que o coeficiente de temperatura da tensão dos diodos é de -2mV / deg. O sinal de menos nesse caso indica que, com o aumento da temperatura, a tensão direta no diodo diminuirá.

Essa dependência também permite o uso de diodos como sensores de temperatura.Se o transistor fizer a transição do "anel" com o mesmo dispositivo, os resultados serão muito semelhantes, portanto, os transistores são frequentemente usados ​​como sensores de temperatura.

No nosso caso, a operação de todo o regulador de temperatura baseia-se precisamente nessa propriedade "negativa" da cascata com uma corrente de base fixa. O circuito do controlador de temperatura é mostrado na Figura 1.

Figura 1. Esquema do termostato (clicar na imagem abrirá o esquema em uma escala maior).

O sensor de temperatura é montado em um transistor VT1 tipo KT835B. A carga dessa cascata é o resistor R1 e os resistores R2, R3 configurados modo de operação do transistor dc. A polarização fixa, que foi mencionada acima, é definida pelo resistor R3, de modo que a tensão no emissor do transistor à temperatura ambiente é de cerca de 6,8 V. Portanto, um asterisco (*) está presente na designação desse resistor no circuito. Não é necessário obter uma precisão particular aqui, se apenas essa tensão não fosse muito menor ou maior. As medições devem ser feitas em relação ao coletor do transistor, que está conectado ao fio comum da fonte de energia.

O transistor da estrutura p-n-p KT835B não foi escolhido por acaso: seu coletor é conectado a uma placa de metal do gabinete, que possui uma abertura para montagem do transistor no radiador. Para esse orifício, o transistor é conectado a uma pequena placa de metal à qual o fio condutor também é conectado.

O sensor resultante é conectado usando braçadeiras de metal ao tubo de aquecimento. Como, como já observado, o coletor está conectado ao fio comum da fonte de energia, não é necessário instalar uma junta isolante entre o tubo e o sensor, o que simplifica o projeto e melhora o contato térmico.

Comparador

Para definir a temperatura, um comparador feito no amplificador operacional tipo OP1 K140UD608. Através do resistor R5, a tensão do emissor do transistor VT1 é fornecida à sua entrada inversora, e a tensão do motor do resistor variável R7 é fornecida à entrada não inversora através do resistor R6.

Essa tensão define a temperatura na qual a carga será desconectada. Os resistores R8, R9 definem a faixa superior e inferior para definir o limiar do comparador e, portanto, os limites do controle de temperatura. O uso do resistor R4 fornece a histerese necessária do comparador.

Dispositivo de controle de carga

O dispositivo de controle de carga é feito no transistor VT2 e no relé Rel1. Aqui está uma indicação dos modos de operação do termostato. Esses LEDs são HL1 vermelho e HL2 verde. Cor vermelha significa aquecimento e cor verde em que a temperatura definida é atingida. O diodo VD1, conectado em paralelo à bobina do relé Rel1, protege o transistor VT2 das tensões de autoindução que ocorrem na bobina do relé Rel1 no momento do desligamento.

Os modernos relés de tamanho pequeno permitem alternar correntes suficientemente grandes. Um exemplo desse relé é o relé Tianbo mostrado na Figura 2.

Figura 2. Relés Tianbo de tamanho pequeno.

Como pode ser visto na figura, o relé permite comutação de corrente de até 16A, o que permite controlar uma carga de até 3 kW. Esta é a carga máxima. Para facilitar um pouco a operação do grupo de contatos, a potência de carga deve ser limitada a 2 ... 2,5 kW. Atualmente, esses relés são amplamente utilizados em aparelhos automotivos e domésticos, por exemplo, em máquinas de lavar. Ao mesmo tempo, as dimensões do relé não excedem o tamanho da caixa de fósforos!

Trabalho e ajuste de um regulador de temperatura

Como foi dito no início do artigo, à temperatura ambiente, a tensão no emissor do transistor VT1 é de cerca de 6,8 V e, quando aquecida a 90 ° C, a tensão cai para 5,99 V. Para tais experiências, um candeeiro de mesa com um abajur de metal é adequado como aquecedor. e para medir a temperatura, um multímetro digital chinês com um termopar, por exemplo, DT838.Se o sensor do dispositivo montado estiver montado no abajur e a lâmpada acender através do contato do relé, será possível verificar a operação do circuito montado nessa configuração.

O comparador opera de tal maneira que, se a tensão na entrada inversora (tensão do sensor de temperatura) for maior que a tensão na entrada do não inversor (tensão do ponto de ajuste de temperatura), a tensão na saída do comparador é próxima à tensão da fonte de energia, neste caso, pode ser chamada de unidade lógica. Portanto, a chave do transistor VT2 está aberta, o relé está ligado e os contatos do relé incluem um elemento de aquecimento.

À medida que o sistema de aquecimento aquece, o sensor de temperatura VT1 também esquenta. A tensão em seu emissor diminui com o aumento da temperatura e, quando se torna igual ou um pouco menor que a tensão instalada no motor do resistor variável R7, o comparador entra em um estado de zero lógico, de modo que o transistor é bloqueado e o relé é desligado.

O elemento de aquecimento é desenergizado e o radiador começa a esfriar. O sensor de transistor VT1 também esfria e a tensão em seu emissor aumenta. Assim que essa tensão se tornar maior que a definida pelo resistor R7, o comparador entrará em um estado alto, o relé será ligado e o processo será repetido novamente.

Um pouco sobre a operação do circuito de exibição, mais precisamente, sobre a finalidade de seus elementos. O LED vermelho HL1 acende junto com a bobina do relé Rel1 e indica que o sistema de aquecimento está aquecendo. Nesse momento, o transistor VT2 está aberto e o LED HL2 passa pelo diodo D2, a luz verde está apagada.

Quando a temperatura definida é atingida, o transistor fecha e desliga o relé e, com ele, o LED vermelho HL1. Ao mesmo tempo, um transistor fechado não irá mais ignorar o LED HL2, que acenderá. O diodo D2 é necessário para que o LED HL1 e, com ele, o relé, não possam acender através do LED HL2. Quaisquer LEDs são adequados, portanto, seu tipo não é especificado. Como diodos D1, D2, os diodos importados amplamente utilizados 1N4007 ou KD105B doméstico são bastante adequados.

Fonte de alimentação do termostato

A energia consumida pelo circuito é pequena, então você pode usar qualquer adaptador CA de origem chinesa como fonte de alimentação ou montar um retificador de 12V estabilizado. O consumo de corrente do circuito não é superior a 200mA, portanto, qualquer transformador com potência não superior a 5W e tensão de saída de 15 a 17V é adequado.

O circuito da fonte de alimentação é mostrado na Figura 3. A ponte de diodos também é feita nos diodos 1N4007 e o regulador de tensão é de + 12V em um estabilizador integral do tipo 7812. O consumo de energia é pequeno, portanto, não é necessário instalar o estabilizador no radiador.

Figura 3. Fonte de alimentação do termostato.

O design do termostato é arbitrário; a maioria das peças é montada em uma placa de circuito impresso; é melhor que a fonte de alimentação também seja montada lá. O sensor do transistor é conectado usando um cabo de dois fios blindado, enquanto o coletor do transistor é conectado através de uma tela.

É desejável que exista um conector de três pinos na extremidade do cabo e seu equivalente na placa. Você também pode instalar um bloco de terminais de tamanho pequeno na placa, embora isso seja menos conveniente que o conector. Essa conexão facilitará muito a instalação do sensor e de todo o dispositivo como um todo no local de uso.

O dispositivo acabado deve ser colocado em uma caixa de plástico e instalar um resistor de ajuste de temperatura R7 e os LEDs HL1 e HL2 no exterior. É melhor que essas peças também sejam soldadas na placa e que sejam feitos orifícios para o caso.

A conexão à rede elétrica e ao aquecedor é conectada através da régua de terminais, que deve ser fixada dentro da caixa de plástico. Para proteger todo o dispositivo como um todo, a conexão deve ser feita de acordo com o PUE, usando equipamento de proteção.

Vários desses controladores de temperatura foram fabricados, e todos mostraram precisão aceitável no controle de temperatura, além de uma confiabilidade muito alta, porque com essa simplicidade do circuito, na verdade não há nada para quebrar.

Boris Aladyshkin