Терморегулятор для бытового электрического обогревателя

С наступлением холодов источниками тепла часто становятся бытовые электрические обогреватели и тепловентиляторы. Некоторые модели обогревателей не снабжены терморегулятором, а в моделях, где они есть, срок службы их часто невелик — один-два года. Ведь производители из Юго-Восточной Азии, а как правило, это их изделия, не могут похвастаться качеством выпускаемой продукции. Между тем надежный и несложный терморегулятор можно сделать самостоятельно.

Внешний вид устройства показан на фото рис. 1. Для того чтобы не вскрывать и не изменять конструкцию стандартного промышленного изделия — тепловентилятора, терморегулятор собран в корпусе адаптера сетевого питания.
На рис. 2 приведена схема описываемого устройства. Его центральным элементом является микросхема ТС620С производства фирмы Microchip.
Фирма MicrochipTechnology Inc. знаменита своими PIC-микроконтроллерами. В последнее время рынок электронных компонентов динамично развивается, и Microchip не остается в стороне, увеличивая номенклатуру выпускаемых изделий и выходя на новые для себя области рынка электронной техники. Одной из таких областей является рынок аналоговой техники и, в частности, датчики температуры.
Микросхема ТС620 является датчиком температуры с возможностью программирования контролируемой температуры за счет изменения номинала двух внешних резисторов [1—3]. Эта микросхема предназначена для использования в устройствах управления температурой. На рис. 3 представлена ее функциональная схема. В одном корпусе интегральной микросхемы КМОП объединены: датчик температуры (терморезистор); генератор опорного напряжения; два компаратора; триггер. ТС620 позволяет значительно уменьшить число дискретных элементов, необходимых для изготовления терморегулятора. При его изготовлении можно также применить микросхему ТС621. В отличии от ТС620, к ТС621 подключается внешний терморезистор (у микросхемы используется вывод 1). Эту микросхему удобно использовать для дистанционного контроля температуры.

Рис.2. Схема терморегулятора для бытового электрического обогревателя

В представленном устройстве без дополнительных изменений в принципиальной схеме и печатной плате можно применить микросхему ТС620ССОА или ТС620СЕОА. Логика работы микросхемы ТС620 показана на рис. 4. Микросхема имеет два логических выхода (HIGH и LOW), каждый из которых программируется одним внешним резистором  (Rlow  и  Rhigh)- для выходов LOW и HIGH активным является высокий уровень. Дополнительный выход CONTROL устанавливается в 1, когда температура превышает верхний предел (Thigh) и сбрасывается в 0, когда температура падает ниже нижнего предела (Tlow) Этот выход в данном устройстве используется для управления реле К1, которое своими контактами К1.1 включает и отключает тепловентилятор или другой нагревательный прибор. В качестве К1 применяется малогабаритное реле на 12 В Bestar BS-115-12V. Оно позволяет коммутировать нагрузку с током до 10 А, т. е. к данному терморегулятору возможно подключение бытового обогревательного прибора с

потребляемой мощностью до 2 кВт.
Стоит отметить, что микросхема ТС621 обеспечивает те же выходные функции за исключением того, что логические уровни на выходах LOW и HIGH инвертированы.
Сопротивление резисторов программирования ТС620/621 рассчитывается следующим образом:

R_low/high=0,5997T2,1312

где R_low/high — сопротивление резистора в Ом; Т — величина контролируемой температуры в градусах Кельвина.
Например, для температуры 22°С сопротивление резистора составит:

R_low/high=0,5997(22+273,15)2,1312 = 110177 Ом.

В авторском варианте предлагаемой конструкции терморегулятора отслеживаются две фиксированные температуры: минимальная +21,8 °С и максимальная +28 °С. Различие значений максимальной и минимальной температуры (гистерезис) необходим для того, чтобы на пороге срабатывания регулятора небольшие колебания температуры не приводили к многократным включениям и выключениям нагревательного прибора. Производитель микросхем фирма Microchip рекомендует, чтобы значение максимальной контролируемой температуры отличалось от минимальной не менее, чем на пять градусов. При необходимости для изменения значений контролируемых температур необходимо при изготовлении устройства заменить номиналы резисторов R6 и R7 согласно табл. 1. Для точной подгонки их номинала каждый из них при установке на печатную плату набирается из двух последовательно соединенных резисторов. Для бытового обогревательного прибора резисторы R6 и R7 достаточно подобрать с допуском не более 1 %. Для более оперативного и плавного изменения контролируемых температур, но при увеличении габаритов устройства, можно вместо постоянных резисторов R6 и R7 установить соединенные последовательно переменные и постоянные резисторы необходимого номинала.

Микросхемы ТС620/ТС621 выпускаются в разных корпусах и могут применяться в зависимости от исполнения в температурном диапазоне от -40 до +125 °С (табл. 2). Напряжение питания микросхемы может быть от 4,5 до 18 В.

Примечание: X* — этот суффикс может быть С или Н.

В обозначении микросхемы буква С обозначает, что для выхода CONTROL активным является высокий уровень, Н — низкий уровень.

В устройстве применен бестрансформаторный источник питания с емкостным балластом Бестрансформаторный источник предпочтительнее трансформаторного, так как, обладая высоким выходным сопротивлением, он не боится коротких замыканий в низковольтных цепях При замыканиях ток в нагрузке ограничивается относительно небольшим значением, не приводящим к возгоранию устройства.
Требования пожарной безопасности для круглосуточно работающего без надзора устройства являются самыми главными. Кроме того, сам по себе конденсатор надежнее трансформатора в отношении пожарной безопасности, особенно трансформатора самодельного. Да и габариты источника питания с гасящим конденсатором значительно меньше, чем у трансформаторного источника питания.
Емкость балластного конденсатора вычисляется по формуле [4]:
С = 3,5_{Iн max}/(U_c-0,7U_н),
где I_{н max} — максимальный ток нагрузки, мА; U_c — минимальное напряжение сети, В; U_н — напряжение в нагрузке, В; С — емкость балластного конденсатора, мкФ.
В описываемом устройстве максимальный потребляемый ток нагрузки составляет 50 мА, расчетная емкость балластного конденсатора
С = 3,5x50/(200-0,7x13)  = 0,92 мкФ.
Выбираем ближайшее большее стандартное значение емкости, равное 1 мкФ. В качестве балластного в описываемой конструкции использован конденсатор К73-17 на напряжение 400 В. Резистор R1 обеспечивает безопасность пользователя, разряжая  конденсатор С1 при отключении терморегулятора от сети. Стабилитрон VD4 предохраняет элементы устройства от броска напряжения в начальный момент при включении в сеть.
Для визуального наблюдения за контролируемой температурой и работой терморегулятора в устройстве применены четыре светодиода VD2, VD8—VD10. Горящий светодиод VD2 показывает, что устройство включено в сеть 220 В. VD10 и VD9 сигнализируют о превышении, соответственно, минимальной и максимальной температуры. Свечение VD8 указывает на то, что напряжение 220 В подано на нагревательный прибор. Ток через светодиоды составляет около 6 мА. Такого тока более чем достаточно для хорошей яркости свечения большинства светодиодов, не говоря уже о светодиодах с повышенной светоотдачей, например таких, как КИПД36А2-К, L-56BYD, L-1513SRC-F.
Были изготовлены два варианта терморегулятора: в корпусе от тройника для сети 220 В, а также в корпусе от адаптера сетевого питания (рис. 5). Достоинство первого варианта состоит в том, что устройство не привязано конструктивно к нагревательному прибору. Вилкой терморегулятор включают в розетку сети 220 В, а в его розетку включается вилка тепловентилятора. Во втором варианте устройство жестко привязано к нагревательному прибору. При изготовлении терморегулятора необходимо уделить внимание качеству контактов вилки ХР1 и розетки XS1 (в варианте 1), используемых в устройстве. Они должны быть рассчитаны на применение в цепи с током не менее 10 А, иначе из-за повышенного переходного сопротивления будет происходить разогрев контактов вилки и розетки, что может привести к повышению температуры внутри корпуса терморегулятора и, следовательно, к ошибкам при контроле температуры в помещении. Поэтому, как видно из рис. 5, терморезистор при применении микросхемы ТС621 вынесен наружу и залит эпоксидной смолой.
Устройство собрано на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита (рис. 6). В терморегуляторе можно применить транзисторы серий КТ815 (VT1) и КТ3102 (VT2— VT4) с любым буквенным индексом. Транзисторы VT2—VT4 заменимы также на любые кремневые маломощные п-р-п транзисторы, например, отечественные серий КТ345 и КТ503 или импортные ВС546, ВС547 и 2N2222A. В качестве стабилитрона VD4, кроме указанного на схеме BZX85C13, подойдет любой другой имеющий напряжение стабилизации 13...15 В, например, Д814Г, КС814Д, КС515Г или В2Х85С15. Диоды серии КД102 можно заменить малогабаритными диодами серий КД103, КД503, КД509 или КД522. Оксидные конденсаторы С2 и СЗ — К50-35 или импортные аналоги.

Конденсатор С4 — К10-176. Резистор R1 можно использовать МЛТ, ОМЛТ, С2-33 и т. п. мощностью 0,25 Вт, резисторы R2—R12 должны иметь мощность 0,125 Вт. В качестве микросхемы DA1 можно применять любые интегральные стабилизаторы с выходным напряжением от 5 до 9 В. Если в устройстве применяется микросхема ТС620Н, то элементы VT2, R4 и R5 не устанавливают, а точки А и Б, указанные на принципиальной схеме, соединяют перемычкой. Светодиоды VD9 и VD10 будут работать в инверсном режиме.
Разводка выводов микросхемы DA1 и транзисторов VT1—VT4 показана на рис. 7.

Внимание! Приступая к изготовлению и налаживанию данного устройства следует помнить, что его детали гальванически связаны с сетью. Поэтому после включения устройства в сеть не дотрагивайтесь руками до выводов его деталей. При наладке устройства нельзя пользоваться измерительными приборами в металлических корпусах, так как в результате их корпуса могут соединиться с сетью 220 В, что может привести к поражению электрическим током и выходу из строя как терморегулятора, так и измерительных приборов.
В заключение хочется отметить, что микросхемы ТС620/621 найдут применение во многих областях человеческой деятельности. Это, например, управление вентилятором в компьютере, компрессором в холодильнике, использование в качестве датчика температуры в системе охлаждения двигателя и обогрева салона автомобиля и т. д.

Александр Павлов, Pavlov@lmail.loniis.ru

Литература:
1.  Wes Freeman. Solid-State Tempe-rature Sensors. AN3.— Data Sheet, Microchip Technology Inc., 2001.
2. Dual Trip Point Temperature Sensors.— Data Sheet, Microchip Technology Inc., 2002.
3.  TC620/TC621.— Data Sheet, Micro-chip Technology Inc., 2002.
4.  С. Бирюков. Расчет сетевого источника питания с гасящим конденсатором.— Радио, 1997, № 5, с. 48—50.