Важная особенность предлагаемого терморегулятора - управляемый им нагреватель всегда включается и выключается только на целое число периодов сетевого напряжения. При этом в сети не образуется постоянная составляющая тока, которая может негативно повлиять на работоспособность трансформаторов и других электромагнитных приборов, подключённых к той же сети.
Зтот прибор отличается от ряда аналогов отсутствием гистерезиса в характеристике регулирования, благодаря чему достигается более точное поддержание заданной температуры, и пониженным уровнем создаваемых им коммутационных помех. Терморегулятор, функционирующий подобным образом, был описан в статье С. Бирюкова "Симисторный термостабилизатор" ("Радио", 1998, №4, с. 50, 51), но он имеет более сложный узел синхронизации с сетью и создаёт больше помех.
Рис. 1
Схема терморегулятора показана на рис. 1. При использовании симистора VS1 указанного на ней типа он может управлять нагревателем мощностью до 1 кВт. Датчиком температуры служит терморезистор RK1, который вместе с резисторами R1-R4 образует измерительный мост. Подстроечным резистором R1 балансируют мост при температуре, которую требуется поддерживать. Напряжение, снимаемое с диагонали моста, поступает на собранный на ОУ DA1 компаратор без обратной связи. Резистор R5 задаёт режим работы ОУ (потребляемый ток, максимальную скорость нарастания выходного напряжения).
Логический уровень напряжения на выходе компаратора становится низким, если температура среды, в которой находится терморезистор, превышает заданную, или высоким в противном случае. Сигнал с выхода ОУ подаётся на вход D триггера DD1.1. А на вход С того же триггера через диод VD3 и делитель напряжения R6R7 поступают импульсы, следующие с частотой сети. Переключение триггера возможно только нарастающими перепадами этих импульсов в моменты, когда мгновенное значение напряжения на нижнем по схеме проводе питающей сети по отношению к её верхнему проводу равно приблизительно 6 В и растёт. Поэтому интервалы времени между изменениями состояния триггера всегда кратны периоду сетевого напряжения, а сами изменения происходят вблизи перехода сетевого напряжения через ноль. Высокий логический уровень напряжения на выходе (выв. 1) триггера DD1.1 означает, что работа нагревателя разрешена, а низкий - запрещена.
Импульсы, сформированные цепью VD3R6R7, не только тактируют триггер, но и заряжают через диод VD2 конденсатор C1, напряжение на котором, ограниченное стабилитроном VD1 приблизительно до 9 В, используется для питания микросхем устройства.
На триггере DD1.2, который включён по схеме неинвертирующего повторителя сигнала, подаваемого на вход S, выполнен узел формирования импульсов управления симистором VS1. На этом входе в определённой пропорции суммируются сигнал, поступающий через диод VD4 с выхода триггера DD1.1, и выпрямленное диодным мостом VD5 напряжение между электродом 2 и управляющим электродом симистора. В результате на выходе (выв. 13) триггера DD1.2 высокий логический уровень напряжения присутствует только в том случае, если он такой же на выходе триггера DD1.1, а мгновенное абсолютное значение напряжения, приложенного к симистору VS1, превышает приблизительно 10 В.
Даже при наличии на выходе триггера DD1.1 разрешающего включение нагревателя сигнала симистор VS1 в начале каждого полупериода закрыт. В момент, когда мгновенное значение приложенного к нему через нагреватель сетевого напряжения достигнет 10 В, уровень на входе S и выходе триггера DD1.2 станет высоким, откроется транзистор VT1 и будет замкнута управляющая цепь симистора. Через промежуток времени, необходимый для открывания симистора, напряжение между его электродами упадёт до нескольких вольт. В результате станет низким и уровень напряжения на входе S триггера DD1.2 и его выходе. Открывший симистор и не требующийся более импульс закончится. Но симистор останется открытым до конца полупериода, когда значение текущего через него тока станет меньше тока удержания. Благодаря тому что длительность управляющего импульса автоматически поддерживается минимально достаточной для открывания симистора, повышается экономичность устройства.
В следующих полупериодах описанные процессы повторяются, пока в результате прогрева терморезистора RK1 уровень на выходе триггера DD1.1 не станет низким.
В момент подачи на устройство сетевого напряжения разряженный конденсатор C2 шунтирует эмиттерный переход транзистора VT1, что препятствует его кратковременному пробою и устраняет связанный с этим бросок коллекторного тока. Резистор R11 выравнивает потенциалы управляющего электрода и электрода 1 закрытого симистора, предотвращая его самопроизвольное открывание. Конденсатор C3 подавляет импульсные помехи.
Вместо микросхемы К561ТМ2 в устройстве можно применить аналогичную серии К176. В последнем случае для повышения надёжности устройства в качестве VD2 желательно использовать диод с барьером Шотки, например, КД923А.
Операционный усилитель К140УД12 может быть заменён на КР140УД1208, MC1776CP1, а также на КР140УД12 с учётом отличий в типе корпуса и назначении выводов.
Вместо симистора КУ208Г можно установить прибор той же серии с индексами Г1, Д1 или другой симистор, рассчитанный на нужный коммутируемый ток и напряжение в закрытом состоянии не менее 400 В. Например, использование симистора ТС106-10-4 позволит увеличить мощность нагревателя до 2 кВт, а зарубежных симисторов MAC16D, BTA216-500B - до 3 кВт. При этом должны быть соответствующим образом выбраны плавкая вставка FU1 и теплоотвод симистора. При мощности нагревателя до 1000 Вт симистору нужен теплоотвод с площадью охлаждающей поверхности не менее 150 см2.
Вместо транзистора КТ605А можно использовать КТ520А, КТ969А, КТ6135А, КТ6105А, КТ6107А, КТ6139А, КТ940А, КТ9179А, 2N6517, MPSA44, MPSA45, KSP44, KSP45, BF844, ZTX458, а также любые транзисторы из серий КТ604, КТ605. Замена диода КД209А и диодного моста КЦ407А - аналогичные приборы, рассчитанные на обратное напряжение не ниже 400 В. Можно, например, использовать диоды КД109В, КД221В, КД221Г, КД243Г-КД243Ж, КД105Б- КД105Д, КД209 с любыми индексами, 1N4004-1N4007. Диодный мост может быть КЦ422Г или DB104-DB107. Диоды КД521А заменяются любыми маломощными кремниевыми диодами, а стабилитрон КС191Ц - КС191Ж, 1N5529, 1 N4103, BZX55C9V1.
Конденсатор C3 - К73-17 или другой ёмкостью 0,1 .0,22 мкФ, пригодный для работы при переменном напряжении 220 В, 50 Гц. Терморезистор RK1 может быть любым с отрицательным ТКС, например, КМТ-1, КМТ-4, КМТ-10, КМТ-11, ММТ-1, ММТ-4.
Рис. 2
Внешний вид собранного устройства показан на рис. 2. Так как установленные на его плате элементы связаны с сетью, имеющей опасное для жизни напряжение 220 В, при налаживании и эксплуатации терморегулятора следует соблюдать меры электробезопасности. Плату необходимо поместить в корпус из диэлектрического материала, ручка движка подстроечного резистора также должна быть изолирована. Перед первым включением устройства следует проверить правильность и качество монтажа.
Налаживание терморегулятора сводится к установке пределов регулирования температуры путём подборки резисторов R1 и R2. При номиналах, указанных на схеме, эти пределы получаются очень широкими, поэтому желательно либо использовать в качестве R1 прецизионный многооборотный подстроечный резистор (например, СП3-37а), либо сузить пределы до необходимых для конкретного применения регулятора. Так, если требуется поддерживать в интервале 2.4 °C температуру в погребе, резистор R1 может иметь сопротивление 220 кОм, а R2 - 240 кОм.
В случае использования терморезистора RK1 как выносного датчика температуры следует учитывать, что он электрически связан с электросетью.
Его необходимо защитить от случайных прикосновений, поместив, например, в корпус из изоляционного материала. С платой прибора вынесенный терморезистор соединяют витой парой проводов, длина которых не должна превышать одного-двух метров. Недопустимо погружать терморезистор в жидкость. Исключение из этого правила может быть сделано только при надёжной гидроизоляции самого терморезистора и подходящих к нему проводов.
Рис. 3
Рассмотренный терморегулятор можно использовать для управления компрессором холодильника, если внести в его схему изменения, показанные на рис. 3. Поскольку компрессор, в отличие от нагревателя, нужно включать, когда температура в холодильной камере выше заданной, и выключать, когда она ниже, инвертирующий и неинвертирующий входы ОУ DA1 поменялись местами. Введена положительная обратная связь через резистор R12, что создаёт гистерезис, необходимый для предотвращения слишком частых включений и выключений компрессора. При желании ширину зоны гистерезиса можно изменить, подбирая резистор R12.
Рис. 4
Поскольку компрессор холодильника представляет собой индуктивную нагрузку, для повышения надёжности управления им рекомендуется, как показано на рис. 4, подключить параллельно симисторуVS1 RC-цепь.
Автор: К. Гаврилов, г. Новосибирск