Описание простой и надежной конструкции терморегулятора для сварки пластмасс, например, пластиковых рам.

Терморегуляторы. Назначение и области применения

Казалось бы, простая вещь терморегулятор , и его основное назначение – поддержание заданной температуры. Но существует множество областей техники или просто домашнего хозяйства, где должна поддерживаться стабильная температура, причем в достаточно широком диапазоне.

Например, это может быть теплый пол , аквариум с золотыми рыбками, инкубатор для выведения птенцов, электрокамин или бойлер в ванной комнате . Во всех этих случаях температура должна поддерживаться разная. Например, для аквариумных рыбок, в зависимости от их вида, температура воды в аквариуме может находиться в диапазоне 22…31 C°, в инкубаторе в пределах 37…38 C°, а в электрокамине или бойлере около 70…80 C°.

Также существуют терморегуляторы, поддерживающие температуру в пределах от ста до тысячи с лишним градусов. Создавать терморегулятор с диапазоном от нескольких градусов, до нескольких тысяч нецелесообразно, конструкция получится слишком сложной и дорогой, и даже, скорее всего, неработоспособной. Поэтому, терморегуляторы выпускаются, как правило, на достаточно узкий температурный диапазон.

Во многих технологических процессах также используются терморегуляторы. Это паяльное оборудование, термопластавтоматы для литья пластмассовых изделий, оборудование для сварки пластиковых труб, столь модных в последнее время, и не менее востребованных пластиковых окон.

Современные терморегуляторы промышленного производства достаточно сложны и точны, выполнены, как правило, на основе микроконтроллеров, имеют цифровую индикацию режимов работы и могут программироваться пользователем. Но, достаточно часто возникает потребность в менее сложных конструкциях.

В этой статье будет описана конструкция достаточно простого и надежного терморегулятора , доступного для изготовления в условиях единичного производства, например в заводских электролабораториях. Несколько десятков именно таких устройств успешно применялись в станках для сварки пластиковых рам. Кстати, сами станки были также изготовлены в условиях единичного производства.

Описание принципиальной схемы

Конструкция терморегулятора достаточно проста, что обусловлено применением микросхемы К157УД2, которая представляет собой сдвоенный операционный усилитель (ОУ). В одном корпусе DIP14 содержатся два независимых ОУ, которые объединяют лишь общие выводы питания.

Область применения данной микросхемы в основном звукоусилительная аппаратура, такая как микшеры, кроссоверы, магнитофоны и различные усилители. Поэтому ОУ характеризуются пониженным уровнем шумов, что также позволяет использовать ее в качестве усилителя сигналов термопары, уровень которых составляет всего несколько десятков милливольт. С тем же успехом может быть использована микросхема К157УД3. При этом не потребуется никаких переделок и настроек.

Несмотря на простоту схемы, устройство поддерживает температуру в пределах 180…300 C° с допуском не более 5%, что вполне достаточно для качественной сварки пластмассы. Мощность нагревателя 400 Вт. Принципиальная схема терморегулятора показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема терморегулятора (при нажатии на картинку откроется схема в большем маштабе).

Функционально терморегулятор состоит из нескольких узлов: усилителя сигнала термопары на ОУ DA1.1, компаратора на ОУ DA1.2, устройства запуска симистора на транзисторе VT1 и выходного ключевого устройства, выполненного на симисторе T1. Этот симистор включает нагрузку, обозначенную на схеме как EK1.

Термопара

Измерение температуры производится с помощью термопары BK1. В конструкции применена термопара TYPE K с термо-ЭДС 4мкВ/°С. При температуре 100°C термопара развивает напряжение 4,095 мВ, при 200°С 8,137 мВ, а при 260°С 10,560 мВ. Эти данные взяты из таблицы градуировки термопар, составленной опытным путем. Измерения производились с компенсацией температуры холодного спая. Подобные термопары применяются в цифровых мультиметрах с измерителями температуры, например DT838. Также возможно применение проволочной термопары TMDT 2-38. Такие термопары в настоящее время есть в свободной продаже.

Усилитель термо-ЭДС

Усилитель сигнала термопары на ОУ DA1.1 выполнен по схеме дифференциального усилителя. Такое включение ОУ позволяет избавиться от синфазных помех, что необходимо для усиления слабого сигнала термопары.

Коэффициент усиления дифференциального усилителя определяется соотношением сопротивления резисторов R3/R1 и при указанных на схеме номиналах составляет 560. Таким образом, на выходе усилителя при температуре 260°C напряжение должно составить 10,560*560 = 5913,6 мВ, или 5,91 В. При этом подразумевается, что R1 = R2 и R3 = R4.

Для того, чтобы изменить коэффициент усиления, например при использовании термопары другого типа, придется поменять сразу два резистора. Чаще всего это делается при помощи замены резисторов R3 и R4. На входе усилителя и в цепи обратной связи установлены конденсаторы C1…C4, назначение которых защита от помех и формирование необходимой частотной характеристики усилителя.

В данной схеме не предусмотрена схема компенсации температуры холодного спая. Это позволило значительно упростить схему, правда при измерении температуры нагревательного элемента не учитывается сравнению с упрощением схемы.

Сравнивающее устройство — компаратор

Контроль температуры нагрева осуществляется при помощи компаратора (сравнивающего устройства), выполненного на ОУ DA1.2. Порог срабатывания компаратора задается при помощи подстроечного резистора R8, напряжение с которого через резистор R7 подается на неинвертирующий вход компаратора (вывод 2).

С помощью резисторов R9 и R6 устанавливаются верхний и нижний пороги уставки температуры соответственно На инвертирующий вход компаратора, (вывод 3) через резистор R5 подается усиленное напряжение термопары. Об усилении было сказано чуть выше.

Логика работы компаратора

Пока напряжение на инвертирующем входе меньше, чем на неинвертирующем, на выходе компаратора высокий уровень напряжения (почти +12В). В случае, когда напряжение инвертирующего входа выше, чем неинвертирующего на выходе компаратора -12В, что соответствует низкому уровню.

Устройство запуска симистора

Устройство запуска симистора на транзисторе VT1 выполнено по схеме классического блокинг-генератора, которую можно увидеть в любом учебнике или справочнике. Единственным его отличием от классической схемы является то, что смещение на базу транзистора подано с выхода компаратора, что позволяет управлять его работой.

Когда на выходе компаратора высокий уровень, почти +12В, на базу транзистора подано смещение и блокинг-генератор вырабатывает короткие импульсы. Если на выходе компаратора низкий уровень, -12В, отрицательное смещение запирает транзистор VT1, поэтому генерация импульсов прекращается.

Трансформатор блокинг-генератора Тр1 намотан на ферритовом кольце марки К10*6*4 из феррита НМ2000. Все три обмотки содержат по 50 витков провода ПЭЛШО 0,13.

Намотка производится челноком сразу в три провода таким образом, чтобы начала и концы обмоток были диаметрально противоположны. Это необходимо для облегчения монтажа трансформатора на плате. Внешний вид трансформатора показан на рисунке 4 в конце статьи.

Работа терморегулятора

При включении терморегулятора, пока термопара не нагрета, на выходе DA1.1 напряжение равно нулю, или всего несколько милливольт в плюс или в минус. Это объясняется тем, что К157УД2 не имеет выводов для подключения подстроечного резистора балансировки, с помощью которого можно было бы точно выставить нулевое напряжение на выходе.

Но, для наших целей эти милливольты на выходе не страшны, поскольку компаратор настраивается на более высокое напряжение, порядка 6…8 В. Поэтому при любой настройке компаратора в таком состоянии на его выходе высокий уровень, около +12В, который запускает блокинг-генератор на транзисторе VT1. Импульсы с обмотки III трансформатора Тр1 открывают симистор Т1, который включает нагревательный элемент ЕК1.

Вместе с ним начинает нагреваться и термопара, поэтому напряжение на выходе усилителя DA1.1 увеличивается по мере роста температуры. Когда это напряжение достигнет значения, выставленного резистором R8, компаратор перейдет в состояние низкого уровня, который остановит работу блокинг-генератора. Поэтому симистор Т1 закроется и отключит нагреватель.

Вместе с ним будет остывать термопара, напряжение на выходе DA1.1 будет понижаться. Когда это напряжение станет несколько ниже, чем напряжение на движке резистора R8, компаратор вновь перейдет в состояние высокого уровня на выходе и снова включит блокинг-генератор. Цикл нагрева повторится снова.

Для визуального контроля работы терморегулятора предусмотрены светодиоды HL1 зеленого цвета и HL2 красного. Когда происходит нагрев рабочего элемента, светится красный светодиод, а при достижении заданной температуры зажигается зеленый. Для защиты светодиодов от обратного напряжения параллельно им во встречном направлении включены защитные диоды VD1 и VD2 типа КД521.

Конструкция. Печатная плата

Практически вся схема вместе с источником питания выполнена на одной печатной плате. Конструкция платы показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Печатная плата терморегулятора (при нажатии на картинку откроется схема в большем маштабе).

Размеры печатной платы 40*116 мм. Плата была сделана по лазерно – утюжной технологии при помощи программы рисования плат sprint layout 4. Чтобы из упомянутого рисунка сделать печатную плату следует пройти несколько шагов.

Во-первых, преобразовать рисунок в формат *.BMP, вставить его в рабочее окно sprint layout 4. Во-вторых, рисунок просто обвести линиями печатных дорожек. В-третьих, напечатать на лазерном принтере, и приступать к изготовлению печатной платы. Процесс изготовления плат уже был описан в одной из статей . Зелеными линиями на плате показана распайка обмоток на ферритовых кольцах. Об этом будет рассказано чуть ниже.

Кроме собственно терморегулятора на плате содержится и источник питания, который на первый взгляд может показаться необоснованно сложным. Но такое решение позволило избавиться от проблемы поиска и приобретения маломощного сетевого трансформатора и дополнительных «плотницких работ» по его креплению в корпусе. Схема блока питания показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Блок питания терморегулятора (при нажатии на картинку откроется схема в большем маштабе).

Об этом блоке следует сказать несколько слов отдельно. Схема была разработана В. Кузнецовым, и первоначально предназначалась для питания микроконтроллерных устройств, где и показала себя достаточно надежной в работе. Впоследствии она была использована и для питания терморегулятора.

Схема достаточно проста. Сетевое напряжение через гасящий конденсатор C1 и резистор R4 подается на выпрямительный мост VDS1, выполненный из диодов 1N4007. Пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются конденсатором C2, напряжение стабилизируется аналогом стабилитрона выполненного на транзисторе VT3, стабилитроне VD2 и резисторе R3. Резистор R4 ограничивает зарядный ток конденсатора C2 при включении устройства в сеть, а резистор R5 разряжает балластный конденсатор C1 при отключении от сети. Транзистор VT3 типа КТ815Г, стабилитрон VD2 типа 1N4749A с напряжением стабилизации 24В, мощность 1Вт.

Напряжение на конденсаторе C2 используется для питания двухтактного автогенератора, выполненного на транзисторах VT1, VT2. Базовые цепи транзисторов управляются при помощи трансформатора Тр1. Диод VD1 защищает базовые переходы транзисторов от отрицательных импульсов самоиндукции обмоток трансформатора Тр1. Транзисторы VT1, VT2 типа КТ815Г, диод VD1 КД521.

В коллекторные цепи транзисторов включен «силовой» трансформатор Тр2, с выходных обмоток IV и V которого получаются напряжения для питания всей схемы. Импульсные напряжения на выходе трансформатора выпрямляются высокочастотными диодами типа FR207, сглаживаются простейшими RC – фильтрами, после чего стабилизируются на уровне 12В стабилитронами VD5, VD6 типа 1N4742A. Их напряжение стабилизации 12В, мощность 1Вт.

Фазировка обмоток показана на схеме как обычно: точка указывает начало обмотки. Если при сборке фазировку не перепутать, то источник питания не требует никакой наладки, начинает работать сразу.

Конструкция трансформаторов Тр1 и Тр2 показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Вид платы в сборе.

Оба трансформатора (рисунок3) выполнены на ферритовых кольцах из феррита самой распространенной марки НМ2000. Трансформатор Тр1 содержит три одинаковых обмотки по 10 витков на кольце типоразмера К10*6*4 мм. Обмотки намотаны челноком сразу в три провода. Острые кромки кольца следует притупить наждачной бумагой, а само кольцо обмотать слоем обычного скотча. Для механической прочности трансформатор намотан достаточно толстым проводом ПЭВ – 2 0,33, хотя можно и применить и более тонкий провод.

Трансформатор Тр2 выполнен также на кольце. Его размер К10*16*6 мм: при рабочей частоте 40 килогерц с такого кольца можно снять мощность 7 ватт. Обмотки I и II намотаны проводом ПЭЛШО – 0,13 в два провода и содержат 44 витка. Поверх этих обмоток расположена обмотка обратной связи III, которая содержит 3 витка провода ПЭВ – 2 0,33. Применение такого толстого провода обеспечивает также крепление трансформатора на плате.

Вторичные обмотки IV и V также намотаны в два провода и содержат по 36 витков провода ПЭВ – 2 0,2. Согласно схеме на рисунке 3 эти обмотки запаиваются на плате даже без прозвонки: начала обеих обмоток запаиваются вместе на общий провод, а концы обмоток просто к диодам VD3 и VD4. Взаимное расположение обмоток можно увидеть на рисунке 4.

На рисунке печатной платы (рисунок 2 в начале статьи) обмотки всех трансформаторов показаны зелеными линиями. Начала и концы обмоток на кольцах малого диаметра расположены диаметрально противоположно, поэтому сначала следует запаять в плату три провода начала, а потом, естественно прозвонив обмотки тестером, концы обмоток.

Возле печатных дорожек, куда запаивается трансформатор Тр2, можно увидеть точки, показывающие начала обмоток I, II, и III. Выходная обмотка, как было сказано выше, запаивается даже без прозвонки: начала вместе на общий провод, а концы к диодам выпрямителя.

Если такой вариант источника питания покажется сложным или просто не захочется с ним возиться, то его можно сделать по схеме, показанной на рисунке 5.

Рисунок 5. Блок питания – упрощенный вариант.

В этом блоке питания можно использовать понижающий сетевой трансформатор мощностью не более 5 ватт с выходным напряжением 14…15 В. Потребляемая мощность невелика, поэтому выпрямитель выполнен по однополупериодной схеме, что позволило получить от одной обмотки двухполярное выходное напряжение. Вполне подходят трансформаторы от «польских» антенных усилителей.

Проверка перед окончательной сборкой

Как уже было сказано, правильно собранное устройство в наладке не нуждается, но лучше перед окончательной сборкой его проверить. Прежде всего, проверяется работа источника питания: напряжения на стабилитронах должны быть по 12 В. Лучше это сделать до того как на плату установлена микросхема.

После этого следует подключить термопару, а на движке резистора R8 выставить напряжение примерно 5…5,5 В. Вместо симистора к выходной обмотке блокинг-генератора подключить светодиод через резистор сопротивлением 50…100 Ом. После того, как устройство будет включено в сеть, этот светодиод должен зажечься, что говорит о работе блокинг-генератора.

После этого следует погреть термопару хотя бы паяльником – светодиод должен погаснуть. Значит, осталось только окончательно собрать устройство и выставить требуемую температуру при помощи термометра. Делать это следует тогда, когда уже подключен симистор и нагреватель.

Кстати, о симисторе. Конечно, можно использовать отечественный КУ208Г, но эти симисторы запускаются не все, приходится выбирать из нескольких штук хотя бы один. Гораздо лучше подходят импортные BTA06 600A. Максимально допустимый ток такого симистора 6А, обратное напряжение 600В, что вполне достаточно для применения в описываемом терморегуляторе.

Симистор установлен на небольшой радиатор, который привернут к плате винтами с пластмассовыми стойками высотой 8 мм. Светодиоды HL1 и HL2 установлены на передней панели, там же установлены резисторы R6, R8, R9. Для подключения устройства к сети, нагревателя и термопары используются клеммные соединители, или просто клеммники .

Борис Аладышкин