Автоматика для системы электроотопления частного дома |
Конечно же, на сегодняшний день, лучший способ отопления, - это газовый котел. Газ -самое дешевое топливо. Но здесь все не так просто. Чтобы пользоваться газом необходимо наличие газопровода низкого давления недалеко от вашей «усадьбы». И даже если газопровод есть, нужно еще разработать проект газоснабжения, подвести трубы, купить и установить оборудование. Все это стоит весьма недешево, и может даже превысить стоимость дома, который нужно отапливать. Поэтому, приходится либо пользоваться обычной «древнерусской» печкой, либо водяным котлом, на твердом топливе (дрова, уголь) или жидком (солярка, мазут). Но и здесь не все так просто. Уголь и дрова нужно заготавливать, и периодически подбрасывать в печь. Система на солярке или мазуте может работать автоматически, но жидкое топливо весьма недешево. Да и цена всего оборудования автономной котельной довольно высока.
Впрочем, возможны и другие варианты (солнечные батареи и геотермальные насосы рассматривать не буду из-за их заоблачной цены). Например, чтобы отапливать небольшой деревянный дом площадью 50-60 метр-ров, можно применить комбинированную систему, состоящую из очень недорогой газогенераторной печки типа «Булерьян» или «Профессор Бутаков» и набора электроконвекторов или инфракрасных обогревателей, - по одному в каждую комнату. Печку можно использовать для разогрева дома, а электронагреватели для поддержания температуры ночью, или в другое время, когда печка не используется. Важно только чтобы дом был хорошо утеплен, и тепло не вылетало на улицу через щели и прохудившуюся крышу.
В литературе можно встретить расчеты, согласно которым на 1м отапливаемой площади необходимо 100W энергии. Таким образом, на отопление дома в 50м2 нужно 5000W. Если посчитать стоимость киловатт-часа, и умножить её на число часов в месяце, то получается весьма внушительная сумма. Но, нужно учесть и то, что если дом хорошо утеплен, и предварительно протоплен печкой, то для поддержания заданной температуры при помощи терморегуляторов, расположенных в каждой комнате, можно выйти на режим, когда система электрообогрева будет включаться всего на несколько минут в час. В таком сочетании, по моим расчетам за прошлую зиму, отопление обошлось не дороже чем в квартире аналогичной площади (практически, среднее потребление электроэнергии при температуре минус 10-20°С «за бортом» составило не более 25W на квадратный метр). То есть, вчетверо ниже расчетного значения.
И все же, есть проблема. Пиковая нагрузка такой системы составит 5000W, да еще сюда добавить различное домашнее электрооборудование... Может получиться так, что пиковая нагрузка на сеть превысит допустимое значение, ведь зачастую в сельской местности на дом выделяют не более 5 KW. Чтобы избежать перегрузки сети нужно сделать так, чтобы все электронагреватели не могли включаться одновременно. То есть, электронная «обвязка» должна состоять не только из терморегуляторов, но и из логической схемы, исключающей возможность включения всех нагревателей одновременно.
Здесь рассматривается вариант на три комнаты, которые нужно отапливать. В каждой комнате установлен электрообогреватель, подключенный через там же установленный терморегулятор. Если это конвекторный нагреватель, его устанавливают как обычно, под окном. Инфракрасные «лучистые» нагреватели вешают под потолком (как ни странно, при этом нагревается пол, а не потолок). Терморегулятор располагают на противоположной стене относительно места установки нагревателя. Плюс, логический блок, который один на весь дом. Он последовательно переключает выходы терморегуляторов, исключая, таким образом, саму возможность их одновременного включения.
Принципиальная схема показана на рисунке.
В ней три одинаковых терморегулятора (Терморег 1, Терморег 2, Терморег 3) и логический таймер - переключатель на микросхемах D1-D3.
Схема терморегулятора с небольшими изменениями взята из Л.1. Терморегулятор рассчитан на нагрузку до 2,5 KW. Регулируют температуру переменным резистором R6, а подстроечными резисторами R8 и R7 предварительно выставляют пределы регулировки (оптимально, от +5°С до +25°С). Так как в терморегуляторе предусмотрена гальваническая развязка с сетью, его можно использовать и в помещениях с повышенной влажностью. Но в данном случае, это не так актуально. Хотя есть определенный плюс в том, что кабель, связывающий терморегуляторы с основным блоком не имеет связи с электросетью (его, например, ничего не опасаясь, можно разложить по плинтусам).
Термодатчик - LM335A2. Практически, он работает как стабилитрон, напряжение стабилизации которого четко и прецизионно зависит от температуры. Зависимость напряжения от температуры линейная, и составляет 0,01V на один градус по шкале Кельвина. То есть, при 0°С на нем 2,73V. При +5°С напряжение будет 2,78V, а при +25°С напряжение 2,98V. Напряжение на датчике стабильно, и не зависит от колебаний напряжения питания (практически это термозависимый стабилитрон).
Вместе с резистором R4 термодатчик VD1 образует параметрический стабилизатор, регулируемый под воздействием температуры. Напряжение с него поступает на прямой вход операционного усилителя А1, на котором сделан компаратор. Цепочка C1-R2-R1 служит для подавления помех и наводок, которые могут наводиться на датчик (особенно при использовании ИК-обогревателей).
На инверсный вход А2 поступает опорное напряжение от цепи R6-R7-R8 и параметрического стабилизатора на стабилитроне VD2. Изменением этого опорного напряжения настраивают терморегулятор на определенную температуру переключения. Органом установки температуры является переменный резистор R6. Пределы его регулировки ограничены подстроечными резисторами R7 и R8. Причем, R7 устанавливает нижнее значение температуры, a R8 - верхнее. Резисторы взаимозависимы, так как в некоторой степени шунтируют друг друга. Поэтому, при налаживании нужно устанавливать верхний и нижний предел, действуя методом последовательных приближений, начиная с установки верхнего предела. Затем, - нижнего. И так несколько раз, пока не будет достигнут необходимый диапазон регулировки.
Нижнюю температуру +5°С я выбрал таковой для того чтобы можно было перевести дом на энергосберегающий режим, в то же время, исключающий повреждение морозом мебели и прочих предметов имеющихся в доме, в то время, когда в нем длительное время никто не живет. Затем, чтобы перевести дом на «жилой» режим нужно растопить печку, и после того как будет достигнуто 20°С, перейти на электрообогрев, переведя терморегуляторы в положение +20°С.
Небольшой гистерезис, необходимый для исключения пульсации регулятора создается резистором R9. Конденсатор С4 исключает самовозбуждение на высоких частотах.
Когда температура ниже заданной, напряжение на VD1 таково, что напряжение на прямом входе операционного усилителя ниже напряжения на его инверсном входе (установленного резистором R6). Операционный усилитель, при этом, работая как компаратор, устанавливается в состояние низкого напряжения на выходе (вернее, отрицательного напряжения, применительно к ОУ). Если в это время транзистор VT1 открыт (то есть, на его базу поступает напряжение достаточное для открывания), то потечет ток через светодиод оптопары U1, откроется симистор
VS1 и подключит к электросети нагреватель. В процессе работы нагревателя температура в помещении будет повышаться. Как только температура достигнет заданной и едва превысит её, напряжение на прямом входе А1 станет выше напряжения на его инверсном входе. На выходе А1 установится высокое напряжение. Ток через светодиод оптопары U1 прекратится и нагреватель выключится.
В моей системе три одинаковых терморегулятора, по числу обогреваемых комнат. Управляются они общим таймером - переключателем на микросхемах D1-D3. Управление осуществляется поочередным открыванием транзисторов VT1.
Терморегуляторы с таймером соединяются трехпроводным кабелем. Причем, только один из проводов используется для управления, а два других - питание. Таким образом, низковольтные части схем терморегуляторов питаются от источника питания таймера.
Таймер позволяет установить несколько режимов работы. Выключатель S4 выключает все питание низковольтной схемы, как таймера так и терморегуляторов. При этом все нагреватели так же выключаются, так как закрываются симисторные ключи, через которые на них поступает питание. Это одновременное выключение всех нагревателей.
Состояние управления каждого нагревателя тоже можно изменять. Для этого есть переключатели S1, S2 и S3. У каждого из них три положения «всегда», «очередь» и «выкл». В положении «всегда» на работу данного терморегулятора таймер никак не влияет. Это помещение получает внеочередной обогрев. В положении «очередь» терморегулятор включается согласно очередности, которую создает таймер. В положении «выкл» - данный терморегулятор, а вместе с ним и нагреватель, выключены.
Скорость переключения терморегуляторов устанавливается переменным резистором R15, который регулирует тактовую частоту таймера. Генератор на элементах микросхемы D1 генерирует импульсы частотой от 3 до 25 Гц. Частоту регулируют переменным резистором R15. Эти импульсы поступают на счетчик D2. Это двоичный 13-разрядный счетчик, который делит частоту импульсов на 16384. В результате на выходе счетчика D2 образуются импульсы следующие с периодом от 10 минут до 1 часа. А регулируется этот период переменным резистором R15.
С выхода D2 импульсы поступают надвоично-десятичный счетчик D3, который собственно и служит переключателем терморегуляторов. Цепь R16-C11 служит для устранения коротких паразитных импульсов, которые бывают на выходах некоторых экземпляров счетчиков К561. Причина появления этих импульсов мне до конца не ясна. Возможно это какой-то производственный дефект микросхемы, но цепь R16-C11 эффективно с ним борется.
Счетчик К561ИЕ8 рассчитан на 10 положений (0-9). В данном случае нужно только три положения, поэтому счет ограничен на 3-х путем соединения вывода 7 (выход «3») с выводом 15 (вход «R») счетчика. Как только счетчик достигает положения «3» единица с вывода 7 поступает на вывод 15 и сбрасывает счетчик в ноль. Для переключения терморегуляторов используются выходы «0», «1» и «2» (соответственно, выводы 3, 2 и 4). Уровни с этих выходов D3 поступают на средние контакты («очередь») переключателей S1, S2, S3. В верхнем положении «всегда» на базы транзисторов VT1 подается положительное напряжение питания, а в нижнем «выкл», - отрицательное.
Источник питания на трансформаторе Т1 и выпрямителе на диодах VD3-VD6. Используется маломощный китайский трансформатор с вторичной обмоткой на 9V и первичной обмоткой на 220V с отводом от середины. Отвод не используется. Его можно заменить любым другим аналогичным трансформатором с вторичной обмоткой на 9V и ток не ниже 100mA. Например, можно использовать трансформаторы от различных сетевых адаптеров, отечественные трансформаторы «ТП» или даже трансформатор кадровой развертки от старого лампового черно-белого телевизора.
Операционные усилители КР140УД608 можно заменить другими аналогичными ОУ общего применения, такими как К140УД6, КР140УД708, К140УД7 или импортными.
Стабилитрон VD2 - импортный на напряжение 5,1V. Тип стабилитрона мне не известен, он в стеклянном корпусе, на котором написано «5V1». Полярность определена мультиметром, им же (совместно с источником питания) и проверено напряжение стабилизации, которое оказалось равным 5,04V. Вполне можно поставить другой стабилитрон на напряжение 4,7-6,8V (то есть, например, КС147А, КС168А).
Диоды 1N4007 можно заменить любыми выпрямительными диодами, например, КД209, КД105, либо заменить их одним
выпрямительным мостом, таким как W04M, КЦ407, КЦ402 или другим. Все электролитические конденсаторы должны быть на напряжение не ниже 16V.
Налаживание следует начать с настройки терморегуляторов. Поскольку датчики VD1 представляют собой термозависимые стабилитроны с высокой линейностью изменения напряжения, можно не проводить замеры температуры с помощью термометра, а определять температуру по напряжению. При этом значения температуры нужно переводить в шкалу Кельвина, принимая 0,01V за один градус.
Предварительно нужно вычислить напряжения соответствующие минимальной и максимальной температуре регулировки. Следует заметить, что это не обязательно должно быть 278 и 298 градусов (+5°С и +25°С, соответственно). Можно выбрать любые значения, которые нужны в конкретном случае. Затем, переведите ручку резистора R6 в крайне левое по схеме положение и измеряя напряжение на инверсном входе А1, подстройкой R8 установите напряжение, соответствующее верхнему пределу регулировки. Затем, переведите R6 в крайне правое по схеме положение, и подстройте R7 так чтобы на инверсном входе А1 было напряжение, соответствующее нижнему пределу. Эту операцию нужно повторить несколько раз, так как регулировки взаимозависимые.
Если попадутся недостаточно чувствительные симисторы или оптроны, и нагреватель не будет включаться (при условии что транзистор VT1 открыт, о чем можно судить по свечению светодиода), можно немного увеличить ток через светодиод оптопары, уменьшив сопротивление R10, но не ниже 2 килоом. При необходимости можно изменить пределы регулировки скорости переключения подбором значений С7, R14, R15. Каравкин В.
Радиоконструктор №12, 2010г.
Литература:
1. Адымов И. Терморегулятор для электрообогревателя, ж. Радиоконструктор №6, 2009г. стр. 26-27.
2 Каравкин В Снижение нагрузки на сеть при электроотоплении, ж Радиоконструктор №8, 2010 г стр 31-32.
| C этой схемой также часто просматривают: |
 ЗАЖИГАЛКА ДЛЯ ГАЗА
Зарядное устройство для автомобильных и мотоциклетных батарей
Зарядное устройство для автомобильных аккумуляторов
Имитатор для проверки телефонных аппаратов
Простые датчики для охранной сигнализации
Звуковой сигнализатор завершения работы бытового электроприбора
Выключатель вентилятора с таймером
Необычный вентилятор с задержкой выключения
Дистанционное управление бытовыми электроприборами
|  |
Автоматизация смывного бачка Кухонный таймер Прибор для поиска скрытой проводки на PIC12F629 Фотореле-таймер на микроконтроллере Термометр на DS18B20 Часы с термометром дом-улица и таймером Автомат полива для дачи и огорода Стабилизация мощности тока электродной батареи на микроконтроллере Ёмкостный измеритель уровня жидкости Термометр с четырьмя датчиками DS18B20 |
