Termostat pentru sudarea materialelor plastice

Descrierea proiectării simple și fiabile a unui regulator de temperatură pentru sudarea materialelor plastice, de exemplu, rame din plastic.

Termostate. Numirea și domeniul de aplicare

S-ar părea un lucru simplu regulator de temperatura, iar principalul său scop este menținerea unei temperaturi date. Dar există multe domenii de tehnologie sau pur și simplu gospodării în care trebuie menținută o temperatură stabilă și într-un interval destul de larg.

De exemplu, ar putea fi podea caldă, un acvariu cu pește de aur, un incubator pentru îndepărtarea puilor, un șemineu electric sau cazan în baie. În toate aceste cazuri, temperatura trebuie menținută diferit. De exemplu, pentru peștii de acvariu, în funcție de tipul lor, temperatura apei din acvariu poate fi în intervalul 22 ... 31 ° C, în incubator la 37 ... 38 ° C, și într-un șemineu electric sau cazan de aproximativ 70 ... 80 ° C.

Există, de asemenea, regulatoare de temperatură care mențin temperatura în intervalul de la o sută la o mie sau mai multe grade. Crearea unui regulator de temperatură cu o gamă cuprinsă între câteva grade și câteva mii este imposibilă; proiectarea se va dovedi a fi prea complicată și scumpă și chiar, cel mai probabil, nefuncțională. Prin urmare, de regulă, termostatele sunt produse pe un interval de temperatură destul de restrâns.

Multe procese folosesc și regulatoare de temperatură. Acest echipament de lipit, mașini de turnat prin injecție pentru modelarea produselor din plastic, echipamente pentru sudarea țevilor din plastic, atât de la modă recent, și nu mai puțin populare ferestre din plastic.

Controlerele moderne de temperatură ale producției industriale sunt destul de complexe și precise, realizate, de regulă, pe baza microcontrolerelor, au o indicație digitală a modurilor de operare și pot fi programate de către utilizator. Dar, destul de des, este nevoie de modele mai puțin complexe.

Acest articol va descrie construcția unui regulator de temperatură destul de simplu și fiabil, disponibil pentru fabricare într-o singură producție, de exemplu, în laboratoare electrice din fabrică. Câteva zeci din aceste dispozitive au fost utilizate cu succes în mașinile pentru sudarea cadrelor din plastic. Apropo, mașinile în sine au fost fabricate și într-un singur mediu de producție.

Descrierea schemei de circuite

Proiectarea termostatului este destul de simplă, datorită utilizării cipului K157UD2, care este un amplificator operațional dublu (OA). Un pachet DIP14 conține două amplificatoare independente care combină numai pini de putere obișnuiți.

Domeniul de aplicare al acestui cip este în principal echipament de amplificare a sunetului, cum ar fi mixere, traversări, magnetofoane și diverse amplificatoare. Prin urmare, amplificatoarele op sunt caracterizate printr-un nivel scăzut de zgomot, ceea ce face posibilă utilizarea acestuia ca amplificator pentru semnale termocupulare, al căror nivel este doar câteva zeci de milivoli. Cu același succes, cipul K157UD3 poate fi utilizat. În acest caz, nu sunt necesare modificări și setări.

În ciuda simplității circuitului, dispozitivul menține o temperatură la 180 ... 300 C ° cu o toleranță de cel mult 5%, ceea ce este suficient pentru sudarea plastică de înaltă calitate. Încălzire putere 400 watt. Schema regulatorului de temperatură este prezentată în figura 1.

Figura 1. Schema unui regulator de temperatură (făcând clic pe o imagine se va deschide un circuit la scară mai mare).

Funcțional, termostatul este format din mai multe noduri: un amplificator de semnal cu termopar pe op-amperul DA1.1, comparator pe amplificatorul de operare DA1.2, lansatoare triac pe tranzistorul VT1 și dispozitivul cu cheie de ieșire realizat pe triac T1. Acest triac include o sarcină, indicată în diagrama ca EK1.

termocuplu

Masurarea temperaturii folosind un termopar BK1.Proiectarea utilizează un termocuplu de tip K cu un termofem de 4 μV / ° C. La o temperatură de 100 ° C, termocupla dezvoltă o tensiune de 4,095 mV, la 200 ° C 8,137 mV și la 260 ° C 10,560 mV. Aceste date sunt preluate dintr-un tabel de calibrare a termocupului compilat empiric. Măsurătorile s-au făcut cu compensarea temperaturii joncțiunii la rece. Termoparele similare sunt utilizate în multimetre digitale cu contoare de temperatură, de exemplu DT838. Este posibilă utilizarea termocuplei de sârmă TMDT 2-38. Astfel de termocuple sunt în prezent în vânzare.

Amplificator termo-EMF

Amplificatorul de semnal cu termopar de pe amperul DA1.1 este proiectat în funcție de un circuit amplificator diferențial. Această includere a amplificatorului op vă permite să scăpați de interferențele în modul obișnuit, ceea ce este necesar pentru a amplifica un semnal slab de termopar.

Câștigarea amplificatorului diferențial este determinată de raportul de rezistență al rezistențelor R3 / R1, iar la valorile indicate în diagramă este 560. Astfel, la ieșirea amplificatorului la o temperatură de 260 ° C, tensiunea ar trebui să fie 10,560 * 560 = 5913,6 mV, sau 5,91 V. acest lucru implică faptul că R1 = R2 și R3 = R4.

Pentru a schimba câștigul, de exemplu atunci când utilizați un alt tip de termopar, va trebui să schimbați două rezistențe simultan. Cel mai adesea, acest lucru se realizează prin înlocuirea rezistențelor R3 și R4. La intrarea amplificatorului și în circuitul de feedback, sunt instalate condensatoarele C1 ... C4, al căror scop este protecția împotriva interferențelor și formarea răspunsului de frecvență necesar al amplificatorului.

Această schemă nu oferă o schemă de compensare a temperaturii joncțiunilor la rece. Acest lucru a făcut posibilă simplificarea semnificativă a circuitului, deși acesta nu este luat în considerare la măsurarea temperaturii elementului de încălzire în comparație cu simplificarea circuitului.

Dispozitiv de comparare - comparator

Monitorizarea temperaturii de încălzire se realizează cu ajutorul unui comparator (dispozitiv de comparare), efectuat pe sistemul de operare DA1.2. Pragul comparatorului este setat folosind rezistența de reglare R8, tensiunea din care prin intermediul rezistenței R7 este furnizată la intrarea neinvertitoare a comparatorului (pinul 2).

Folosind rezistențele R9 și R6, respectiv pragurile superioare și inferioare ale valorii de reglare a temperaturii sunt setate. Amplificarea a fost menționată puțin mai mare.

Logica comparatorului

În timp ce tensiunea la intrarea inversă este mai mică decât la cea care nu inversează, tensiunea de ieșire a comparatorului este ridicată (aproape + 12V). În cazul în care tensiunea de intrare inversă este mai mare decât ieșirea ne-inversare a comparatorului -12V, ceea ce corespunde unui nivel scăzut.

Dispozitiv de declanșare Triac

Dispozitivul de declanșare a triacului pe tranzistorul VT1 este realizat conform schemei generatorului de blocare clasic, care poate fi văzut în orice manual sau carte de referință. Singura sa diferență față de circuitul clasic este faptul că polarizarea la baza tranzistorului este furnizată de la ieșirea comparatorului, ceea ce vă permite să controlați funcționarea acestuia.

Când ieșirea comparatorului este ridicată, aproape + 12V, se aplică o compensare la baza tranzistorului, iar generatorul de blocare generează impulsuri scurte. Dacă ieșirea comparatorului este scăzută, -12V, o prejudecată negativă blochează tranzistorul VT1, astfel încât generarea impulsurilor se oprește.

Transformatorul generatorului de blocare Tr1 este înfășurat pe un inel de ferită marca K10 * 6 * 4 fabricat din ferită NM2000. Toate cele trei înfășurări conțin 50 de rotații de sârmă PELSHO 0.13.

Înfășurarea se face prin transfer în trei fire simultan, astfel încât începutul și capătul înfășurărilor să fie diametral opuse. Acest lucru este necesar pentru a facilita instalarea transformatorului pe placă. Aspectul transformatorului este prezentat în figura 4 la sfârșitul articolului.

Funcționarea termostatului

Când termostatul este pornit până când termocupla este încălzită, tensiunea de ieșire DA1.1 este zero, sau doar câteva milivolți în plus sau minus.Acest lucru se datorează faptului că K157UD2 nu are concluzii pentru conectarea unei rezistențe de echilibrare a bordurilor, cu ajutorul cărora ar fi posibilă setarea cu exactitate a tensiunii de ieșire zero.

Dar, în scopurile noastre, aceste millivolți la ieșire nu sunt înfricoșători, deoarece comparatorul este reglat la o tensiune mai mare, de ordinul 6 ... 8 V. Prin urmare, la orice setare a comparatorului în această stare, ieșirea sa are un nivel ridicat, aproximativ + 12V, care pornește generatorul de blocare la tranzistor VT1. Impulsurile de la înfășurarea III a transformatorului Tr1 deschid triac T1, care include un element de încălzire EK1.

Împreună cu acesta, termocupla începe să se încălzească, astfel încât tensiunea la ieșirea amplificatorului DA1.1 crește pe măsură ce temperatura crește. Când această tensiune atinge valoarea setată de rezistența R8, comparatorul va trece într-o stare scăzută, ceea ce va opri generatorul de blocare. Prin urmare, triac T1 se va închide și va opri încălzitorul.

Împreună cu acesta, termocupla se va răci, tensiunea la ieșirea DA1.1 va scădea. Când această tensiune devine puțin mai mică decât tensiunea la motorul rezistenței R8, comparatorul va trece din nou la un nivel ridicat la ieșire și va porni din nou generatorul de blocare. Ciclul de încălzire se va repeta din nou.

Pentru controlul vizual al termostatului, sunt prevăzute leduri HL1 verde și HL2 roșu. Când elementul de lucru este încălzit, LED-ul roșu se aprinde, iar la atingerea temperaturii setate, cel verde se aprinde. Pentru a proteja LED-urile de tensiune inversă, diodele de protecție VD1 și VD2 de tip KD521 sunt conectate în paralel cu ele în sens invers.

Design. Placa de circuit

Aproape întregul circuit împreună cu sursa de alimentare sunt realizate pe o placă de circuit imprimat. Designul plăcii de circuit este prezentat în figura 2.

Figura 2. Placa de circuit a termostatului (când faceți clic pe imagine, circuitul se va deschide la scară mai mare).

Dimensiuni PCB 40 * 116 mm. Placa a fost realizată cu ajutorul tehnologiei de călcare cu laser folosind programul de desenare a tabloului de circuite 4. Dispozitivul de desenare a tabloului de circuit 4. Pentru a face o placă de circuit imprimată din desenul menționat anterior, trebuie făcuți mai mulți pași.

În primul rând, convertiți imaginea în format * .BMP, lipiți-o în fereastra de lucru a layout-ului sprint 4. În al doilea rând, pur și simplu trageți liniile pieselor tipărite. În al treilea rând, imprimați pe o imprimantă laser și continuați cu fabricarea plăcii de circuit tipărite. Procesul de fabricație a plăcilor a fost deja descris. într-unul din articole. Liniile verzi de pe placă indică cablarea înfășurărilor pe inelele de ferită. Acest lucru va fi discutat mai jos.

Pe lângă regulatorul de temperatură real, placa conține și o sursă de alimentare, care la prima vedere poate părea nerezonabil de complexă. Dar o astfel de soluție ne-a permis să scăpăm de problema găsirii și achiziționării unui transformator de rețea cu putere redusă și „tâmplărie” suplimentară pentru a o rezolva în acest caz. Circuitul de alimentare este prezentat în figura 3.

Figura 3. Sursa de alimentare pentru controlerul de temperatură (când faceți clic pe imagine, se va deschide o schemă mai mare).

Câteva cuvinte ar trebui spuse despre acest bloc separat. Circuitul a fost dezvoltat de V. Kuznetsov și a fost inițial destinat să alimenteze dispozitive de microcontroler, unde s-a dovedit a fi destul de fiabil în funcționare. Ulterior, a fost folosit pentru alimentarea termostatului.

Schema este destul de simplă. Tensiunea de rețea prin condensatorul de stingere C1 și rezistența R4 sunt furnizate podului redresor VDS1, format din diode 1N4007. Ondularea tensiunii redresate este netezită de condensatorul C2, tensiunea este stabilizată de analogul unei diode zener realizate pe un tranzistor VT3, o diodă zener VD2 și o rezistență R3. Rezistorul R4 limitează curentul de încărcare al condensatorului C2 când dispozitivul este conectat la rețea, iar rezistența R5 descarcă condensatorul C1 când este deconectat de la rețea. Tranzistor VT3 tip KT815G, diodă Zener VD2 tip 1N4749A cu tensiune de stabilizare de 24V, putere 1W.

Tensiunea de pe condensatorul C2 este utilizată pentru a alimenta un oscilator push-pull realizat pe tranzistoarele VT1, VT2. Circuitele de bază ale tranzistoarelor sunt controlate de un transformator Tr1. Dioda VD1 protejează tranzițiile de bază ale tranzistoarelor de impulsurile negative de auto-inducție ale înfășurărilor transformatorului Tr1. Tranzistoare VT1, VT2 tip KT815G, diodă VD1 KD521.

Un transformator de putere „Tr2” este inclus în circuitele de colectare ale tranzistoarelor, de la înfășurările de ieșire IV și V ale căror tensiuni sunt obținute pentru a alimenta întregul circuit. Tensiunea impulsului la ieșirea transformatorului este rectificată de diode de înaltă frecvență de tip FR207, netezită de cele mai simple filtre RC, apoi stabilizată la nivelul 12V de diodele Zener VD5, VD6 de tipul 1N4742A. Tensiunea lor de stabilizare este de 12V, puterea este de 1W.

Etaparea înfășurărilor este prezentată în diagramă ca de obicei: punctul indică începutul înfășurării. Dacă în timpul asamblării, fazajul nu este amestecat, atunci sursa de alimentare nu necesită nicio ajustare, începe să funcționeze imediat.

Proiectarea transformatoarelor Tr1 și Tr2 este prezentată în figura 4.

Figura 4. Vederea ansamblului plăcii.

Ambele transformatoare (figura 3) sunt realizate pe inele de ferită din ferită de cea mai comună marcă НМ2000. Transformatorul Tr1 conține trei înfășurări identice de 10 rotiri pe un inel cu dimensiunea K10 * 6 * 4 mm. Înfășurările sunt înfășurate de o navetă în trei fire simultan. Marginile ascuțite ale inelului trebuie să fie vopsite cu șmirghel, iar inelul însuși ar trebui să fie învelit cu un strat de bandă adezivă obișnuită. Pentru rezistență mecanică, transformatorul este înfășurat cu un fir PEV suficient de gros - 2 0,33, deși poate fi utilizat și un fir mai subțire.

Transformerul Tr2 este de asemenea realizat pe inel. Dimensiunea sa este K10 * 16 * 6 mm: la o frecvență de funcționare de 40 kilohertz, 7 wați de putere pot fi îndepărtați dintr-un astfel de inel. Înfășurările I și II sunt înfășurate cu un fir PELSHO - 0,13 în două fire și conțin 44 de rotații. Pe deasupra acestor înfășurări este o înfășurare de feedback III, care conține 3 rotații de sârmă PEV - 2 0,33. Folosirea unui fir atât de gros asigură transformatorul la placă.

Înfășurările secundare IV și V sunt de asemenea înfășurate în două fire și conțin 36 de rotații de cusut de sârmă-2 0,2. Conform diagramei din figura 3, aceste înfășurări sunt sigilate pe bord chiar și fără continuitate: începuturile ambelor înfășurări sunt sigilate împreună pe un fir comun, iar capetele înfășurărilor sunt pur și simplu conectate la diodele VD3 și VD4. Poziția relativă a înfășurărilor poate fi văzută în figura 4.

În figura plăcii de circuit (figura 2 la începutul articolului), înfășurările tuturor transformatoarelor sunt afișate prin linii verzi. Începuturile și capetele înfășurărilor pe inele cu diametru mic sunt diametral opuse, așa că mai întâi ar trebui să lipiți cele trei fire ale începutului în tablă și apoi, apelând în mod natural înfășurările cu un tester, capetele înfășurărilor.

În apropierea căilor de imprimare unde este etanșat transformatorul Tr2, puteți vedea puncte care arată începutul înfășurărilor I, II și III. Înfășurarea de ieșire, așa cum s-a menționat mai sus, este sigilată chiar și fără continuitate: începe împreună pe un fir comun, iar capetele la diodele redresoare.

Dacă această opțiune a sursei de alimentare pare complicată sau pur și simplu nu dorește să te încurci cu ea, atunci poate fi făcută conform schemei prezentate în figura 5.

Figura 5. Sursa de alimentare este o versiune simplificată.

În această sursă de alimentare, puteți utiliza un transformator de descărcare cu o capacitate de cel mult 5 wați cu o tensiune de ieșire de 14 ... 15 V. Consumul de energie este mic, deci redresorul se face conform unui circuit cu jumătate de undă, ceea ce a făcut posibilă obținerea unei tensiuni de ieșire bipolară dintr-o înfășurare. Transformatoarele de la amplificatoarele antenei „poloneze” sunt destul de potrivite.

Verificare înainte de asamblare finală

După cum am menționat deja, un dispozitiv asamblat corespunzător nu are nevoie de ajustare, dar este mai bine să îl verificați înainte de asamblarea finală. În primul rând, se verifică funcționarea sursei de alimentare: tensiunea la diodele zener trebuie să fie de 12 V. Este mai bine să faceți acest lucru înainte ca microcircuitul să fie instalat pe placă.

După aceea, ar trebui să conectați un termopar și să setați tensiunea de aproximativ 5 ... 5.5 V pe motorul rezistenței R8În loc de triac, conectați un LED la înfășurarea de ieșire a generatorului de blocare printr-o rezistență cu o rezistență de 50 ... 100 Ohmi. După conectarea dispozitivului, acest LED ar trebui să se aprindă, ceea ce indică funcționarea generatorului de blocare.

După aceea, ar trebui să încălziți termocupla cu cel puțin un fier de lipit - LED-ul ar trebui să se stingă. Deci, rămâne doar să asamblați în sfârșit dispozitivul și să setați temperatura dorită cu un termometru. Acest lucru trebuie făcut atunci când triacul și încălzitorul sunt deja conectați.

Vorbind de triac. Desigur, puteți utiliza KU208G intern, dar nu toate aceste triacuri sunt lansate, trebuie să alegeți cel puțin unul dintre mai multe piese. Importate mult mai bine sunt importate BTA06 600A. Curentul maxim admisibil al unui astfel de triac 6A, o tensiune inversă de 600V, care este suficient pentru utilizarea în regulatorul de temperatură descris.

Triac este montat pe un calorifer mic, care este înșurubat pe tablă cu șuruburi cu rafturi din plastic de 8 mm înălțime. LED-urile HL1 și HL2 sunt instalate pe panoul frontal, rezistențele R6, R8, R9 sunt instalate și acolo. Pentru conectarea dispozitivului la rețea, încălzitorul și termocupla, se utilizează conectori terminali sau pur și simplu blocuri terminale.

Boris Aladyshkin