Юрий Ревич - Занимательная микроэлектроника

Схема собирается на небольшой макетной плате размерами примерно 30x100 мм и устанавливается в любом месте корпуса компьютера подальше от тепловыделяющих деталей. Прикрутив или приклеив вынесенный на скрученных проводах термистор к радиатору, далее необходимо разорвать цепь питания вентилятора (красный провод — не перепутайте с желтым, по которому идет сигнал числа оборотов), подключить его к выходу схемы, а также подключить схему к питанию 12 В (можно к любому желтому проводу из блока питания ПК, а можно и к красному проводу бывшего питания вентилятора со стороны материнской платы). В блок питания компьютера подобное устройство встраивается аналогично.

Обычное устройство для нагревания воды при отсутствии центрального горячего водоснабжения (например, в дачном домике) состоит из бака на 5—20 л со встроенным электронагревателем (ТЭНом) мощностью 1–2 кВт. Использовать его без терморегулятора неудобно — приходится внимательно следить за тем, чтобы вода не закипела, да и получается она либо слишком горячая, либо наоборот — недогретая.

На рис. 6.11 изображена схема термостата для нагревания воды. Она только на вид кажется сложной, на самом деле отличается от предыдущей схемы только тем, что работает не в пропорциональном (число оборотов плавно меняется с температурой), а в ключевом режиме (включено-выключено). Так как вода имеет большую тепловую инерционность, то пропорциональное регулирование тут ни к чему. Здесь мы познакомимся с компараторами (как мы знаем, это ОУ без обратной связи), а также с практическим применением оптоэлектронных (электронных) реле.

Рис. 6.11. Схема термостата для нагревания воды

Множество разных деталей обусловлено тем, что схема имеет несколько режимов работы:

• автоматический термостатирующий;

• автоматический однократный с отключением по достижении нужной температуры («режим электрочайника»);

• ручной с подключением ТЭНа напрямую к сети.

Сначала отвлечемся от режимов и посмотрим, как работает основная схема регулирования. Здесь имеется точно такой же, как в регуляторе оборотов, термисторный датчик с отрицательным коэффициентом. После включения питания, если температура еще ниже заданной, на выходе компаратора DA1 устанавливается уровень напряжения, близкий к нулю, причем усилительный транзистор здесь не нужен, поскольку компаратор 554САЗ специально приспособлен для подобных надобностей, и имеет на выходе довольно мощный (до 50 мА) транзистор с открытым коллекторным выводом.

В результате в первый момент срабатывает не только основное мощное реле К1, но и реле К2 (токограничивающпх резисторов в реле этого типа нет, и с этой целью установлены резисторы R6 и R7). Контакты его замкнуты, и резистор R4 не участвует в работе схемы. По мере увеличения температуры напряжение на датчике падает и в какой-то момент времени выходной транзистор компаратора разрывает цепь питания «обмотки» К1 — нагреватель обесточивается (на самом деле в электронных реле это не обмотка, а управляющий светодиод, как вы знаете из главы 3). В тог же момент времени отключается реле К2 и резистор R4 включается в цепь делителя R2, R3, R4, R5, еще больше увеличивая разницу напряжений между выводами компаратора. По мере остывания воды напряжение на датчике повышается и в какой-то момент компаратор снова срабатывает, подключая нагрузку через реле К1. Контакты К2 при этом опять шунтируют резистор R4 и это тоже увеличиваем разницу напряжений, но в теперь в другую сторону.

Подробности

Это обеспечивает т. н. гистерезис — небольшую разницу между напряжениями срабатывания и отпускания, которая необходима для того, чтобы схема не «дребезжала» в состоянии, близком к заданному порогу температуры. Наличие всей этой системы несколько увеличивает нестабильность поддержания температуры: при приведенных на схеме номиналах разница между температурой включения и выключения составит от 1 до 1,5° (например, при установленной температуре в 35° нагреватель включится, когда температура упадет до 34, а выключится — когда она достигнет 35,5°), однако нам более высокая стабильность в данном случае совершенно не требуется. В ключевых (пороговых) регуляторах гистерезис есть практически всегда, если нужно более точное регулирование, то целесообразнее пропорциональные регуляторы.

Теперь разберемся с режимами. Сначала рассмотрим «режим электрочайника» (автоматический однократный), для обеспечения которого в схему введено еще одно маломощное реле КЗ. включенное, как видите, довольно хитрым образом. Если тумблер S2 находится в положении «Автомат» (т. е. контакты его замкнуты), то реле КЗ никак не участвует в работе схемы. Если же S2 переключить в режим «Однократный» (разомкнуть его контакты), то в момент достижения нужной температуры, вместе с отключением реле К1 (и, соответственно, нагрузки), реле КЗ, ранее включенное через диод VD1 и резистор R7 в ту же коллекторную цепь выходного транзистора микросхемы, также отключается, контакты его размыкаются и вывод 4 компаратора оказывается подключенным через датчик температуры к потенциалу земли.

Такое состояние схемы устойчиво и для возобновления работы в режиме стабилизации температуры необходимо либо на некоторое время отключить напряжение питания, либо тумблером S2 переключить схему в режим «Термостат». А конденсатор С2 вместе с диодом VD1 служат для «правильного» запуска схемы при включении питания: если тумблер К4 разомкнут, то контакты реле КЗ должны замкнуться сразу после подачи напряжения питания, иначе компаратор не сработает. При подаче напряжения питания, как мы знаем, конденсатор представляет собой короткозамкнутый участок цепи, поэтому реле КЗ на небольшое время, пока конденсатор заряжается (примерно 100 мс), замкнет контакты. Диод VD1 на это время запирается и предохраняет от срабатывания реле К1 и К2. В случае, если температура воды в момент включения превышает установленную, такое срабатывание реле будет кратковременным (только на время зарядки конденсатора С2). Если же температура ниже требуемой, то компаратор успеет сработать, диод VD1 откроется, и реле К3 останется в замкнутом состоянии до момента отключения нагрузки. Кстати, опыт эксплуатации подобного устройства показал, что наиболее популярен именно режим «электрочайника», т. к. он позволяет экономить электроэнергию и не беспокоиться о том, что вы оставили включенный электроприбор без присмотра.

Ручной режим (резервный, на случай выхода автоматики из строя, чтобы при этом не остаться вовсе без горячей воды) обеспечивается просто: тумблер S1 в положении «Постоянно» подает сетевое питание напрямую на нагреватель (контакты К1 при этом шунтируются, схема обесточивается, а вся система работает так, будто никакой автоматики и не существует). В положении «Автомат» сетевое напряжение переключается на блок питания автоматики, а нагреватель теперь может включаться только контактами реле. Тумблер S1, естественно, должен выдерживать рабочий ток ТЭНа. Здесь подойдет импортный переключатель В1011, рассчитанный на ток до 16 А при напряжении 250 В или другой аналогичный. В крайнем случае можно использовать автомобильные переключатели, но это не очень корректно, т. к. на напряжения до 300 В они не рассчитаны.