Thermostat für Elektrokessel

Beschreibung eines einfachen und zuverlässigen Temperaturreglerkreises für ein Heizsystem.

Der russische Winter ist hart und kalt, und jeder weiß davon. Daher müssen die Räumlichkeiten, in denen sich Personen befinden, beheizt werden. Am gebräuchlichsten sind Zentralheizungen oder einzelne Gaskessel.

Oft gibt es Situationen, in denen weder das eine noch das andere verfügbar ist: Auf einem sauberen Feld befindet sich beispielsweise ein kleiner Raum einer Wasserpumpstation, und der Fahrer ist rund um die Uhr im Einsatz. Es kann auch ein Wachturm oder ein separater Raum in einem großen unbewohnten Gebäude sein. Es gibt viele solcher Beispiele.

In all diesen Fällen ist es notwendig, die Heizung mit Strom zu arrangieren. Wenn der Raum klein ist, ist es durchaus möglich, einen herkömmlichen ölgefüllten elektrischen Heizkörper für den Hausgebrauch zu verwenden. Bei einem größeren Raum mit einer Fläche von etwa 15 bis 20 Quadratmetern wird die Warmwasserbereitung meist mit einem aus Rohren geschweißten Heizkörper angeordnet, der häufig als Register bezeichnet wird.

Wenn Sie die Dinge von selbst laufen lassen und die Wassertemperatur nicht überwachen, kocht sie früher oder später einfach und der Fall kann zum Scheitern führen ElektrokesselZuallererst sein Heizelement. Um ein solches unglückliches Ereignis zu verhindern, wird die Heiztemperatur von einem Thermostat geregelt.

Eine der möglichen Optionen für ein solches Gerät wird in diesem Artikel vorgeschlagen. Natürlich läuft dieser Winter schon aus, aber wir sollten nicht vergessen, dass Schlitten im Sommer am besten vorbereitet sind.

Funktionell kann das Gerät in mehrere Knoten unterteilt werden: den Temperatursensor selbst, Vergleichsgerät (Komparator) und eine Laststeuervorrichtung. Das Folgende ist eine Beschreibung der einzelnen Teile, ihres Diagramms und des Funktionsprinzips.

Temperatursensor

Ein charakteristisches Merkmal des beschriebenen Designs ist, dass es als Temperatursensor verwendet wird herkömmlicher Bipolartransistor, mit dem Sie die Suche und den Kauf abbrechen können Thermistoren oder Sensoren verschiedener Typen, zum Beispiel TCM.

Der Betrieb eines solchen Sensors beruht auf der Tatsache, dass wie bei allen Halbleiterbauelementen die Parameter von Transistoren in hohem Maße von der Umgebungstemperatur abhängen. Dies ist zuallererst der Rückwärtskollektorstrom, der mit zunehmender Temperatur zunimmt und den Betrieb von beispielsweise Verstärkungsstufen beeinflusst. Ihr Arbeitspunkt wird verschoben, so dass eine signifikante Signalverzerrung auftritt, und in Zukunft reagiert der Transistor einfach nicht mehr auf das Eingangssignal.

Diese Situation ist hauptsächlich Schaltungen mit einem festen Basisstrom inhärent. Daher werden Transistorkaskadenschaltungen mit Rückkopplungselementen verwendet, die den Betrieb der Kaskade als Ganzes stabilisieren und auch den Einfluss der Temperatur auf den Betrieb des Transistors verringern.

Eine solche Temperaturabhängigkeit wird nicht nur für Transistoren, sondern auch für Dioden beobachtet. Um dies zu überprüfen, reicht es mit einem Digitalmultimeter aus, eine Diode in Vorwärtsrichtung zu „klingeln“. In der Regel zeigt das Gerät einen Wert nahe 700 an. Dies ist nur ein direkter Spannungsabfall an der offenen Diode, den das Gerät in Millivolt anzeigt. Für Siliziumdioden bei einer Temperatur von 25 Grad Celsius beträgt dieser Parameter ungefähr 700 mV und für Germaniumdioden ungefähr 300 mV.

Wenn diese Diode nun zumindest mit einem Lötkolben leicht aufgewärmt wird, nimmt diese Zahl allmählich ab, weshalb angenommen wird, dass der Temperaturkoeffizient der Spannung der Dioden -2 mV / Grad beträgt. Das Minuszeichen zeigt in diesem Fall an, dass mit zunehmender Temperatur die Durchlassspannung an der Diode abnimmt.

Diese Abhängigkeit ermöglicht auch die Verwendung von Dioden als Temperatursensoren.Wenn der Transistor mit demselben Gerät „klingelt“, sind die Ergebnisse sehr ähnlich, weshalb Transistoren häufig als Temperatursensoren verwendet werden.

In unserem Fall basiert der Betrieb des gesamten Temperaturreglers genau auf dieser „negativen“ Eigenschaft der Kaskade mit festem Basisstrom. Die Temperaturreglerschaltung ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1. Schema des Thermostats (durch Klicken auf das Bild wird das Schema in größerem Maßstab geöffnet).

Der Temperatursensor ist an einem Transistor VT1 Typ KT835B montiert. Die Last dieser Kaskade ist der Widerstand R1, und die Widerstände R2, R3 sind eingestellt DC-Transistor-Betriebsmodus. Die oben erwähnte feste Vorspannung wird durch den Widerstand R3 so eingestellt, dass die Spannung am Emitter des Transistors bei Raumtemperatur etwa 6,8 V beträgt. Daher ist bei der Bezeichnung dieses Widerstands in der Schaltung ein Sternchen (*) vorhanden. Es ist hier nicht notwendig, eine bestimmte Genauigkeit zu erreichen, wenn nur diese Spannung nicht viel weniger oder mehr wäre. Die Messungen sollten relativ zum Kollektor des Transistors durchgeführt werden, der mit dem gemeinsamen Draht der Stromquelle verbunden ist.

Der Transistor der p-n-p-Struktur KT835B wurde nicht zufällig ausgewählt: Sein Kollektor ist mit einer Metallplatte des Gehäuses verbunden, die eine Öffnung zur Montage des Transistors am Kühler aufweist. Für dieses Loch ist der Transistor an einer kleinen Metallplatte befestigt, an der auch der Anschlussdraht befestigt ist.

Der resultierende Sensor wird mit Metallklammern am Heizungsrohr befestigt. Da der Kollektor, wie bereits erwähnt, an den gemeinsamen Draht der Stromquelle angeschlossen ist, muss keine isolierende Dichtung zwischen dem Rohr und dem Sensor installiert werden, was das Design vereinfacht und den Wärmekontakt verbessert.

Komparator

Zum Einstellen der Temperatur wird ein Komparator am Operationsverstärker OP1 Typ K140UD608 hergestellt. Über den Widerstand R5 wird die Spannung vom Emitter des Transistors VT1 an seinen invertierenden Eingang geliefert, und die Spannung vom Motor des variablen Widerstands R7 wird über den Widerstand R6 an den nicht invertierenden Eingang geliefert.

Diese Spannung legt die Temperatur fest, bei der die Last getrennt wird. Die Widerstände R8, R9 stellen den oberen und unteren Bereich zum Einstellen der Schwelle des Komparators und damit der Grenzen der Temperaturregelung ein. Die Verwendung des Widerstands R4 liefert die notwendige Hysterese des Komparators.

Laststeuergerät

Die Laststeuervorrichtung wird am Transistor VT2 und am Relais Rel1 hergestellt. Hier finden Sie eine Anzeige der Betriebsarten des Thermostats. Diese LEDs sind HL1 rot und HL2 grün. Rote Farbe bedeutet Erhitzen und grüne Farbe, dass die eingestellte Temperatur erreicht ist. Die parallel zur Relaisspule Rel1 geschaltete Diode VD1 schützt den Transistor VT2 vor Selbstinduktionsspannungen, die zum Zeitpunkt des Abschaltens an der Relaisspule Rel1 auftreten.

Moderne kleine Relais ermöglichen das Schalten ausreichend großer Ströme. Ein Beispiel für ein solches Relais ist das in Abbildung 2 gezeigte Tianbo-Relais.

Abbildung 2. Kleine Tianbo-Relais.

Wie in der Abbildung zu sehen ist, ermöglicht das Relais eine Stromumschaltung bis zu 16 A, wodurch Sie eine Last von bis zu 3 kW steuern können. Dies ist die maximale Last. Um den Betrieb der Kontaktgruppe etwas zu erleichtern, sollte die Lastleistung auf 2 ... 2,5 kW begrenzt werden. Solche Relais werden derzeit sehr häufig in Automobil- und Haushaltsgeräten eingesetzt, beispielsweise in Waschmaschinen. Gleichzeitig überschreiten die Abmessungen des Relais nicht die Größe der Streichholzschachtel!

Arbeit und Einstellung eines Temperaturreglers

Wie zu Beginn des Artikels gesagt wurde, beträgt die Spannung am Emitter des VT1-Transistors bei Raumtemperatur etwa 6,8 V, und bei Erwärmung auf 90 ° C fällt die Spannung auf 5,99 V ab. Für solche Experimente ist eine Tischlampe mit einem Metalllampenschirm als Heizung geeignet. und zur Temperaturmessung ein chinesisches Digitalmultimeter mit einem Thermoelement, beispielsweise DT838.Wenn der Sensor des zusammengebauten Geräts am Lampenschirm montiert ist und die Lampe über den Relaiskontakt eingeschaltet wird, kann der Betrieb des zusammengebauten Schaltkreises in einem solchen Aufbau überprüft werden.

Der Komparator arbeitet so, dass, wenn die Spannung am invertierenden Eingang (Spannung des Temperatursensors) höher ist als die Spannung am Eingang des nichtinvertierenden (Spannung des Temperatursollwerts), die Spannung am Ausgang des Komparators nahe an der Spannung der Stromquelle liegt, in diesem Fall kann sie als logische Einheit bezeichnet werden. Daher ist der Transistorschalter VT2 offen, das Relais ist eingeschaltet und die Relaiskontakte enthalten ein Heizelement.

Während sich das Heizsystem erwärmt, erwärmt sich auch der Temperatursensor VT1. Die Spannung an seinem Emitter nimmt mit zunehmender Temperatur ab, und wenn sie gleich oder etwas kleiner als die am Motor des variablen Widerstands R7 installierte Spannung wird, geht der Komparator in einen Zustand logischer Null, so dass der Transistor verriegelt und das Relais ausgeschaltet wird.

Das Heizelement ist stromlos und der Kühler beginnt abzukühlen. Der Transistorsensor VT1 kühlt ebenfalls ab und die Spannung an seinem Emitter steigt an. Sobald diese Spannung höher als die durch den Widerstand R7 eingestellte wird, geht der Komparator in einen hohen Zustand über, das Relais schaltet sich ein und der Vorgang wird erneut wiederholt.

Ein wenig über die Funktionsweise der Anzeigeschaltung, genauer gesagt über den Zweck ihrer Elemente. Die rote LED HL1 leuchtet zusammen mit der Relaisspule Rel1 auf und zeigt an, dass das Heizsystem heizt. Zu diesem Zeitpunkt ist der Transistor VT2 offen und die HL2-LED schaltet durch die Diode D2, das grüne Licht ist aus.

Wenn die eingestellte Temperatur erreicht ist, schließt der Transistor das Relais und schaltet es aus und damit die rote LED HL1. Gleichzeitig umgeht ein geschlossener Transistor die HL2-LED nicht mehr, die aufleuchtet. Die Diode D2 ist erforderlich, damit die HL1-LED und damit das Relais nicht über die HL2-LED aufleuchten können. Alle LEDs sind geeignet, daher ist ihr Typ nicht angegeben. Als Dioden D1, D2 sind weit verbreitete importierte Dioden 1N4007 oder inländische KD105B gut geeignet.

Thermostatstromversorgung

Der Stromverbrauch der Schaltung ist gering, sodass jedes in China hergestellte Netzteil als Stromversorgung verwendet oder ein stabilisierter 12-V-Gleichrichter zusammengebaut werden kann. Die Stromaufnahme der Schaltung beträgt nicht mehr als 200 mA, daher ist jeder Transformator mit einer Leistung von nicht mehr als 5 W und einer Ausgangsspannung von 15 ... 17 V geeignet.

Die Stromversorgungsschaltung ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Diodenbrücke besteht ebenfalls aus 1N4007-Dioden, und der Spannungsregler beträgt +12 V an einem integrierten Stabilisator vom Typ 7812. Der Stromverbrauch ist gering, sodass Sie den Stabilisator nicht am Kühler installieren müssen.

Abbildung 3. Thermostatstromversorgung.

Das Design des Thermostats ist beliebig, die meisten Teile sind auf einer Leiterplatte montiert, es ist besser, wenn das Netzteil auch dort montiert ist. Der Transistorsensor wird über ein abgeschirmtes Zweileiterkabel angeschlossen, während der Kollektor des Transistors über einen Bildschirm angeschlossen wird.

Es ist wünschenswert, dass sich am Ende des Kabels ein dreipoliger Stecker und sein Gegenstück auf der Platine befindet. Sie können auch einen kleinen Klemmenblock auf der Platine installieren, obwohl dies weniger praktisch ist als der Anschluss. Eine solche Verbindung erleichtert die Installation des Sensors und des gesamten Geräts am Einsatzort erheblich.

Das fertige Gerät sollte in ein Kunststoffgehäuse gelegt werden und außen ein Temperatureinstellwiderstand R7 und die LEDs HL1 und HL2 installiert werden. Es ist besser, wenn diese Teile auch auf die Platine gelötet sind und Löcher in das Gehäuse für sie gemacht werden.

Der Anschluss an das Stromnetz und die Heizung erfolgt über die Klemmleiste, die im Kunststoffgehäuse befestigt werden sollte. Um das gesamte Gerät als Ganzes zu schützen, sollte die Verbindung gemäß PUE unter Verwendung von Schutzausrüstung hergestellt werden.

Mehrere dieser Temperaturregler wurden hergestellt, und alle zeigten eine akzeptable Genauigkeit der Temperaturregelung sowie eine sehr hohe Zuverlässigkeit, da bei einer solchen Einfachheit der Schaltung tatsächlich nichts zu brechen ist.

Boris Aladyshkin