Описание простой и надежной схемы терморегулятора для системы отопления.

Российская зима сурова и холодна, и об этом знают все. Поэтому помещения, где находятся люди, должны отапливаться. Наиболее распространенным является центральное отопление либо индивидуальные газовые котлы.

Нередко возникают ситуации, когда ни то, ни другое не доступно: например в чистом поле стоит небольшое помещение насосной станции водопровода, и там круглосуточно дежурит машинист. Также это может быть караульная вышка или отдельно взятая комната в большом необитаемом здании. Таких примеров можно найти немало.

Во всех этих случаях приходится устраивать отопление при помощи электричества. Если помещение невелико, то вполне можно обойтись обычным масляным электрическим радиатором бытового назначения. Для комнаты побольше площадью около 15 - 20 квадратных метров чаще всего отопление устраивают водяное с помощью радиатора, сваренного из труб, который часто называют регистром.

Если пустить дело на самотек и не следить за температурой воды, то рано или поздно она просто закипит и дело может закончиться выходом из строя всего , прежде всего его нагревательного элемента. Чтобы такого досадного случая не произошло, температура нагрева управляется терморегулятором.

Один из возможных вариантов подобного устройства и предлагается в данной статье. Конечно, нынешняя зима уже на исходе, но не следует забывать, что сани лучше всего готовить летом.

Функционально устройство можно разделить на несколько узлов: собственно датчик температуры, и устройство управления нагрузкой. Далее следует описание отдельных частей, их схема и принцип работы.

Датчик температуры

Отличительной особенностью описываемой конструкции является то, что в качестве датчика температуры используется обычный биполярный транзистор, что позволяет отказаться от поиска и приобретения или датчиков различных типов, например ТСМ.

Работа такого датчика основана на том, что, как и у всех полупроводниковых приборов, параметры транзисторов в немалой степени зависят от температуры окружающей среды. В первую очередь это обратный ток коллектора, который с повышением температуры возрастает, что сказывается отрицательно на работе, например, усилительных каскадов. Их рабочая точка смещается настолько, что возникают значительные искажения сигнала, и в дальнейшем транзистор просто перестает реагировать на входной сигнал.

Такая ситуация присуща в основном схемам с фиксированным током базы. Поэтому, применяются схемы транзисторных каскадов с элементами обратной связи, которые стабилизируют работу каскада в целом, и в том числе снижают воздействие температуры на работу транзистора.

Такая температурная зависимость наблюдается не только у транзисторов, но и у диодов. Чтобы в этом убедиться достаточно с помощью цифрового мультиметра «прозвонить» любой диод в прямом направлении. Как правило, прибор покажет цифру близкую к 700. Это как раз прямое падение напряжения на открытом диоде, которое прибор показывает в милливольтах. Для кремниевых диодов при температуре 25 градусов Цельсия этот параметр составляет приблизительно 700 мВ, а для германиевых диодов около 300.

Если теперь этот диод немного подогреть, хотя бы паяльником, то эта цифра будет постепенно уменьшаться, поэтому считается, что температурный коэффициент напряжения у диодов -2мВ/град. Знак «минус» в данном случае указывает на то, что с повышением температуры прямое напряжение на диоде будет уменьшаться.

Такая зависимость также позволяет использовать диоды в качестве датчиков температуры. Если тем же прибором «прозвонить» переходы транзистора, то результаты будут очень похожи, поэтому транзисторы достаточно часто применяются в качестве датчиков температуры.

В нашем случае работа всего терморегулятора как раз и основана на этом «отрицательном» свойстве каскада с фиксированным током базы. Схема терморегулятора показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема терморегулятора (при нажатии на картинку откроется схема в большем масштабе).

Датчик температуры собран на транзисторе VT1 типа КТ835Б. Нагрузкой этого каскада является резистор R1, а резисторы R2, R3 задают . Фиксированное смещение, о котором упоминалось чуть выше, задается резистором R3 таким образом, чтобы напряжение на эмиттере транзистора при комнатной температуре составляло около 6,8 В. Поэтому на схеме в обозначении этого резистора присутствует звездочка (*). Особой точности тут добиваться не надо, лишь бы не было это напряжение намного меньше или больше. Измерения следует проводить относительно коллектора транзистора, который соединен с общим проводом источника питания.

Транзистор структуры p-n-p КТ835Б выбран не случайно: его коллектор соединен с металлической пластиной корпуса, которая имеет отверстие для крепления транзистора на радиатор. За это отверстие транзистор крепится к небольшой металлической пластине, к которой также крепится подводящий провод.

Получившийся датчик крепится с помощью металлических хомутов к трубе системы отопления. Поскольку, как уже отмечалось, коллектор соединен с общим проводом источника питания, между трубой и датчиком не потребуется ставить изолирующую прокладку, что упрощает конструкцию и улучшает тепловой контакт.

Компаратор

Для задания температуры служит компаратор, выполненный на операционном усилителе ОР1 типа К140УД608. Через резистор R5 на его инвертирующий вход подается напряжение с эмиттера транзистора VT1, а на неинвертирующий вход через резистор R6 подается напряжение с движка переменного резистора R7.

Это напряжение задает температуру, при которой будет отключаться нагрузка. Резисторами R8, R9 задаются верхний и нижний диапазон установки порога срабатывания компаратора, а следовательно пределы регулирования температуры. С помощью резистора R4 обеспечивается необходимый гистерезис срабатывания компаратора.

Устройство управления нагрузкой

Устройство управления нагрузкой выполнено на транзисторе VT2 и реле Rel1. Здесь же находится индикация режимов работы терморегулятора. Это светодиоды HL1 красного цвета, и HL2 зеленого. Красный цвет означает нагрев, а зеленый, что заданная температура достигнута. Диод VD1, включенный параллельно обмотке реле Rel1, защищает транзистор VT2 от напряжений самоиндукции, возникающих на катушке реле Rel1 в момент отключения.

Современные малогабаритные реле позволяют коммутировать достаточно большие токи. Примером такого реле может служить реле фирмы Tianbo, показанное на рисунке 2.

Рисунок 2. Малогабаритное реле фирмы Tianbo.

Как видно на рисунке реле допускает коммутацию тока до 16А, что позволяет управлять нагрузкой мощностью до 3Квт. Это максимальная нагрузка. Чтобы несколько облегчить режим работы контактной группы, мощность нагрузки следует ограничить на уровне 2…2,5 КВт. Такие реле в настоящее время применяются очень широко в автомобильной и бытовой технике, например, в стиральных машинах. При этом габариты реле не превышают размеров спичечного коробка!

Работа и наладка терморегулятора

Как было сказано в начале статьи, при комнатной температуре напряжение на эмиттере транзистора VT1 около 6,8 В, а при нагревании до 90°C напряжение понижается до 5,99 В. Для проведения подобных опытов в качестве нагревателя подойдет настольная лампа с металлическим абажуром, а для измерения температуры китайский цифровой мультиметр с термопарой, например DT838. Если датчик собранного устройства укрепить на абажуре, а лампу включить через контакт реле, то можно будет на такой установке проверить работу собранной схемы.

Работа компаратора построена таким образом, что если напряжение на инвертирующем входе (напряжение термодатчика) выше, чем напряжение на входе неинвертирующем (напряжение уставки температуры), на выходе компаратора напряжение близко к напряжению источника питания, в данном случае его можно назвать логической единицей. Поэтому транзисторный ключ VT2 открыт, реле включено, и контакты реле включают нагревательный элемент.

По мере разогрева отопительной системы нагревается и датчик температуры VT1. Напряжение на его эмиттере с ростом температуры понижается, и когда оно станет равно, а точнее чуть меньше, чем напряжение, установленное на движке переменного резистора R7, компаратор переходит в состояние логического нуля, поэтому транзистор запирается и реле отключается.

Нагревательный элемент обесточивается, и радиатор начинает остывать. Транзисторный датчик VT1 также остывает, а напряжение на его эмиттере повышается. Как только это напряжение станет выше, чем установлено резистором R7 компаратор перейдет в состояние высокого уровня, реле включится и процесс повторится снова.

Немного о работе схемы индикации, точнее о назначении ее элементов. Светодиод HL1 красного цвета включается вместе с обмоткой реле Rel1, и указывает на то, что происходит нагрев отопительной системы. В это время транзистор VT2 открыт, и через диод D2 шунтирует светодиод HL2, зеленый свет погашен.

Когда заданная температура будет достигнута, транзистор закроется и отключит реле, а вместе с ним красный светодиод HL1. В то же время закрытый транзистор перестанет шунтировать светодиод HL2, который зажжется. Диод D2 необходим для того, чтобы светодиод HL1, а вместе с ним и реле не могли включиться через светодиод HL2. Светодиоды подойдут любые, поэтому их тип не указан. В качестве диодов D1, D2 вполне подойдут широко распространенные импортные диоды 1N4007 или отечественные КД105Б.

Блок питания терморегулятора

Потребляемая схемой мощность невелика, поэтому в качестве блока питания можно использовать любой сетевой адаптер китайского производства, либо собрать стабилизированный выпрямитель на 12В. Ток потребления схемы не более 200мА, поэтому подойдет любой трансформатор мощностью не более 5Вт и выходным напряжением 15…17В.

Схема блока питания показана на рисунке 3. Диодный мост выполнен также на диодах 1N4007, а стабилизатор напряжения +12В на интегральном стабилизаторе типа 7812. Потребляемая мощность невелика, поэтому устанавливать стабилизатор на радиатор не потребуется.

Рисунок 3. Блок питания терморегулятора.

Конструкция терморегулятора произвольная, большая часть деталей смонтирована на печатной плате, лучше, если там же будет смонтирован и блок питания. Транзисторный датчик присоединяется с помощью экранированного двухжильного кабеля, при этом коллектор транзистора соединяется посредством экрана.

Желательно, чтобы на конце кабеля был трехконтактный разъем, а на плате ответная его часть. Можно также на плате установить малогабаритную клеммную колодку, хотя это менее удобно, нежели разъем. Такое соединение значительно облегчит установку датчика и всего устройства в целом на месте применения.

Готовое устройство следует разместить в пластиковом корпусе, а снаружи установить резистор установки температуры R7 и светодиоды HL1 и HL2. Лучше, если эти детали также будут распаяны на плате, а в корпусе для них сделаны отверстия.

Подсоединение к силовой сети и подключение нагревателя осуществляется через клеммник, который следует укрепить внутри пластмассового корпуса. Для защиты всего устройства в целом подключение следует производить согласно ПУЭ, используя аппаратуру защиты.

Подобных терморегуляторов было изготовлено несколько штук и все они показали приемлемую точность регулирования температуры, а также очень высокую надежность, ведь при такой простоте схемы ломаться собственно говоря нечему.

Работу газового или электрического котла можно оптимизировать, если задействовать внешнее управление агрегатом. Для этой цели предназначены выносные терморегуляторы, имеющиеся в продаже. Понять, что это за приборы и разобраться в их разновидностях поможет данная статья. Также в ней будет рассмотрен вопрос, как собрать термореле своими руками.

Назначение терморегуляторов

Любой электрический или газовый котел оборудован комплектом автоматики, отслеживающей нагрев теплоносителя на выходе из агрегата и отключающей основную горелку при достижении заданной температуры. Снабжены подобными средствами и твердотопливные котлы. Они позволяют поддерживать температуру воды в определенных пределах, но не более того.

При этом климатические условия в помещениях или на улице не учитываются. Это не слишком удобно, домовладельцу приходится постоянно подбирать подходящий режим работы котла самостоятельно. Погода может изменяться в течении дня, тогда в комнатах становится жарко либо прохладно. Было бы гораздо удобнее, если автоматика котла ориентировалась на температуру воздуха в помещениях.

Чтобы управлять работой котлав зависимости от фактической температуры, используются различные термореле для отопления. Будучи подключенным к электронике котла, такое реле отключает и запускает нагрев, поддерживая необходимую температуру воздуха, а не теплоносителя.

Виды термореле

Обычный терморегулятор представляют собой небольшой электронный блок, устанавливаемый на стене в подходящем месте и присоединенный к источнику тепла проводами. На передней панели есть только регулятор температуры, это самая дешевая разновидность прибора.

Кроме нее, существуют и другие виды термореле:

• программируемые: ммеют жидкокристаллический дисплей, подключаются с помощью проводов либо используют беспроводную связь с котлом. Программа позволяет задать изменение температуры в определенные часы суток и по дням в течение недели;
• такой же прибор, только снабженный модулем GSM;
• автономный регулятор с питанием от собственной батареи;
• беспроводное термореле с выносным датчиком для управления процессом нагрева в зависимости от температуры окружающей среды.

Примечание. Модель, где датчик расположен снаружи здания, обеспечивает погодозависимое регулирование работой котельной установки. Способ считается наиболее эффективным, так как источник тепла реагирует на изменение погодных условий еще до того, как они повлияют на температуру внутри здания.

Многофункциональные термореле, которые можно программировать, существенно экономят энергоносители. В те часы суток, когда дома никого нет, поддерживать высокую температуру в комнатах нет смысла. Зная рабочее расписание своей семьи, домовладелец всегда может запрограммировать реле температуры так, чтобы в определенные часы температура воздуха снижалась, а за час до прихода людей включался нагрев.

Бытовые терморегуляторы, укомплектованные GSM – модулем, способны обеспечить дистанционное управление котельной установкой посредством сотовой связи. Бюджетный вариант – отправка уведомлений и команд в виде SMS – сообщений с мобильного телефона. Продвинутые версии приборов имеют собственные приложения, устанавливаемые на смартфон.

Как собрать термореле самостоятельно?

Приборы для регулирования отопления, имеющиеся в продаже, достаточно надежны и нареканий не вызывают. Но при этом они стоят денег, а это не устраивает тех домовладельцев, кто хоть немного разбирается в электротехнике или электронике. Ведь понимая, как должно функционировать такое термореле, можно собрать и подключить его к теплогенератору своими руками.

Конечно, сделать сложный программируемый прибор под силу далеко не каждому. Кроме того, для сборки подобной модели необходимо закупить комплектующие, тот же микроконтроллер, цифровой дисплей и прочие детали. Если вы в этом деле человек новый и разбираетесь в вопросе поверхностно, то стоит начать с какой-нибудь простой схемы, собрать и запустить ее в работу. Достигнув положительного результата, можно замахнуться на что-то более серьезное.

Для начала надо иметь представление, из каких элементов должно состоять термореле с регулировкой температуры. Ответ на вопрос дает принципиальная схема, представленная выше и отражающая алгоритм действия прибора. Согласно схеме, любой терморегулятор должен иметь элемент, измеряющий температуру и отправляющий электрический импульс в блок обработки. Задача последнего – усилить либо преобразовать этот сигнал таким образом, чтобы он послужил командой исполнительному элементу – реле. Дальше мы представим 2 простые схемы и поясним их работу в соответствии с этим алгоритмом, не прибегая к специфическим терминам.

Схема со стабилитроном

Стабилитрон – это тот же полупроводниковый диод, пропускающий ток лишь в одну сторону. Отличие от диода заключается в том, что у стабилитрона имеется управляющий контакт. Пока к нему подводится установленное напряжение, элемент открыт и ток идет по цепи. Когда его величина становится ниже предельной, цепь разрывается. Первый вариант – это схема термореле, где стабилитрон играет роль логического управляющего блока:

Как видите, схема разделена на две части. С левой стороны изображена часть, предшествующая управляющим контактам реле (обозначение К1). Здесь измерительным блоком является термический резистор (R4), его сопротивление уменьшается с ростом температуры окружающей среды. Ручной регулятор температуры – это переменный резистор R1, питание схемы – напряжение 12 В. В обычном режиме на управляющем контакте стабилитрона присутствует напряжение более 2.5 В, цепь замкнута, реле включено.

Совет. Блоком питания 12 В может служить любой прибор из недорогих, имеющихся в продаже. Реле – герконовое марки РЭС55А или РЭС47, термический резистор – КМТ, ММТ или им подобный.

Как только температура возрастет выше установленного предела, сопротивление R4 упадет, напряжение станет меньше, чем 2.5 В, стабилитрон разорвет цепь. Следом то же самое сделает и реле, отключив силовую часть, чья схема показана справа. Тут простое термореле для котла снабжено симистором D2, что вместе с замыкающими контактами реле служит исполнительным блоком. Через него проходит напряжение питания котла 220 В.

Схема с логической микросхемой

Эта схема отличается от предыдущей тем, что вместо стабилитрона в ней задействована логическая микросхема К561ЛА7. Датчиком температуры по-прежнему служит терморезистор (обозначение – VDR1), только теперь решение о замыкании цепи принимает логический блок микросхемы. Кстати, марка К561ЛА7 производится еще с советских времен и стоит сущие копейки.

Для промежуточного усиления импульсов задействован транзистор КТ315, с той же целью в конечном каскаде установлен второй транзистор – КТ815. Данная схема соответствует левой части предыдущей, силовой блок здесь не показан. Как нетрудно догадаться, он может быть аналогичным – с симистором КУ208Г. Работа такого самодельного термореле проверена на котлах ARISTON, BAXI, Дон.

Заключение

Самостоятельно подключить термореле к котлу – дело несложное, на эту тему в интернете имеется масса материалов. А вот изготовить его своими руками с нуля не так и просто, кроме того, нужен измеритель напряжения и тока, чтобы произвести настройку. Покупать готовое изделие или браться за его изготовление самому – решение принимать вам.

Автономный обогрев частного дома позволяет выбирать индивидуальные температурные режимы, что очень комфортно и экономно для жильцов. Чтобы каждый раз не при смене погоды на улице не задавать другой режим в помещении, можно использовать терморегулятор или термореле для отопления, который можно установить и на радиаторы и на котёл.

Автоматическая регулировка тепла в помещении

Для чего это нужно

• Самым распространённым на территории Российской Федерации является , на газовых котлах. Но такая, с позволения сказать, роскошь, доступна далеко не во всех районах и местностях. Причины тому самые банальные – отсутствие ТЭЦ или центральных котельных, а так же газовых магистралей поблизости.
• Приходилось ли вам когда-либо побывать отдалённом от густонаселённых районов жилом доме, насосной или метеостанции в зимнюю пору, когда единственным средством сообщения являются сани с дизельным двигателем? В таких ситуациях очень часто устраивают отопление своими руками при помощи электричества.

• Для небольших помещений, например, одна комната дежурного на насосной станции, достаточно – его хватит для самой суровой зимы, но для большей площади уже потребуется отопительный котёл и система радиаторов. Чтобы сохранить нужную температуру в котле, предлагаем вашему вниманию самодельное регулирующее устройство.

Температурный датчик

• В этой конструкции не нужны терморезисторы или различные датчики типа ТСМ , здесь вместо них задействован биполярный обыкновенный транзистор. Как и всех полупроводниковых приборов, его работа в большой степени зависит от окружающей среды, точнее, от её температуры. С повышением температуры ток коллектора возрастает, а это негативно сказывается на работе усилительного каскада – рабочая точка смещается вплоть до искажения сигнала и транзистор попросту не реагирует на входной сигнал, то есть, перестает работать.

• Диоды тоже относятся к полупроводникам , и повышение температуры отрицательно сказывается и на них. При t25⁰C «прозвонка» свободного кремниевого диода покажет 700мВ, а у перманентного – около 300мВ, но если температура повышается, то соответственно будет понижаться прямое напряжение прибора. Так, при повышении температуры на 1⁰C напряжение будет понижаться на 2мВ, то есть, -2мВ/1⁰C.

• Такая зависимость полупроводниковых приборов позволяет использовать их в качестве температурных датчиков. На таком отрицательном каскадном свойстве с фиксированным базовым током и основана вся схема работы терморегулятора (схема на фото вверху).
• Температурный датчик смонтирован на транзисторе VT1 типа КТ835Б , нагрузка каскада – резистор R1, а режим работы по постоянному току транзистора задают резисторы R2 и R3. Чтобы напряжение на транзисторном эмиттере при комнатной температуре было 6,8В, фиксированное смещение задаётся резистором R3.

Совет. По этой причине на схеме R 3 помечен знаком * и особой точности здесь добиваться не следует, только бы не было больших перепадов. Эти измерения можно провести относительно транзисторного коллектора, соединённым источником питания с общим приводом.

• Транзистор p-n-p КТ835Б подобран специально, его коллектор соединяется с металлической корпусной пластинкой, имеющей отверстие для крепления полупроводника на радиатор. Именно за это отверстие прибор крепится к пластине, к которой ещё прикреплён подводной провод.
• Собранный датчик крепиться к трубе отопления при помощи металлических хомутов , и конструкцию не нужно изолировать какой-либо прокладкой от трубы отопления. Дело в том, что коллектор соединён одним проводом с источником питания – это значительно упрощает весь датчик и делает контакт лучше.

Компаратор

• Компаратор, смонтированный на операционный усилитель ОР1 типа К140УД608, задаёт температуру. На инвертируемый вход R5 подаётся напряжение с эмиттера VT1, а через R6 – на неинвертируемый вход поступает напряжение с движка R7.
• Такое напряжение определяет температуру для отключения нагрузки. Верхний и нижний диапазон для установки порога на срабатывание компаратора задаются при помощи R8 и R9. Нужный постерезис срабатывания компаратора обеспечивает R4.

Управление нагрузкой

• На VT2 и Rel1 сделано устройство управления нагрузкой и индикатор режима работы терморегулятора находится здесь же – красный цвет при нагреве, а зелёный – достижение необходимой температуры. Параллельно обмотке Rel1 включен диод VD1 для защиты VT2 от напряжения, вызванного самоиндукцией на катушке Rel1 при отключении.

Совет. На рисунке выше видно, что допустимая коммутация тока реле 16A, значит, допускает управление нагрузкой до 3кВт. Используйте прибор для мощности 2-2,5кВт, чтобы облегчить нагрузку.

Блок питания

• Произвольная инструкция позволяет для настоящего терморегулятора в виду его небольшой мощности задействовать в качестве блока питания дешёвый китайский адаптер. Также можно самому собрать выпрямитель на 12В, с током потребления схемы не более 200мА. Для этой цели сгодится трансформатор мощностью до 5Вт и выходом от 15 до 17В.
• Диодный мостик сделан на диодах 1N4007, а стабилизатор на напряжения на интегральном типа 7812. В виду небольшой мощности устанавливать стабилизатор на батарею не требуется.

Наладка терморегулятора

• Для проверки датчика можно использовать самую обыкновенную настольную лампу с абажуром из металла. Как было отмечено выше, комнатная температура позволяет выдерживать напряжение на эмиттере VT1 около 6,8В, но если повысить её до 90⁰C, то напряжение упадёт до 5,99В. Для замеров можно использовать обычный китайский мультиметр с термопарой типа DT838.
• Компаратор работает следующим образом: если напряжение термодатчика на инвертирующем входе выше напряжения на неинвертирущем, то на выходе оно будет равнозначным с напряжением источника питания – это будет логическая единица. Поэтому VT2 открывается и реле включается, перемещая релейные контакты в режим нагрева.
• Температурный датчик VT1 греется по мере нагревания отопительного контура и с повышением температуры понижается напряжение на эмиттере. В тот момент, когда оно опускается немного ниже напряжения, которое задано на движке R7, получается логический ноль, что приводит к запиранию транзистора и отключению реле.
• В это время напряжение на котёл не поступает и система начинает остывать, что также влечёт за собой остывание датчика VT1. Значит, напряжение на эмиттере повышается и как только оно переходит границу, установленную R7, реле запускается заново. Такой процесс будет повторяться постоянно.
• Как вы понимаете, цена такого устройства невысока, зато позволяет выдерживать нужную температуру при любых погодных условиях. Это очень удобно в тех случаях, когда в помещении нет постоянных жителей, следящих за температурным режимом, или когда люди постоянно сменяют друг друга и к тому же заняты работой.