Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Z potrzeby chwili... Antyzamrożeniowy termostat - budowa, schematy, montaż

W cyklu „Z potrzeby chwili...” przedstawiamy opisy układów, urządzeń i instalacji elektronicznych, które powstały szybko dla zaspokojenia konkretnych potrzeb i te potrzeby zaspokoiły. Szybki proces powstawania zwykle oznacza, że urządzenie nie jest do końca dopracowane i że w przyszłości może być lub będzie ulepszone, co też może zostać opisane w EdW. Zachęcamy do nadsyłania tego rodzaju materiałów do publikacji.
Article Image

 W domku, który zimą jest rzadko wykorzystywany, trzeba chronić przed zamarznięciem elektryczny przepływowy podgrzewacz wody krajowej produkcji Kospel PPE2 15kW (fotografia 1). Podgrzewacz sprawuje się znakomicie, wodę z instalacji można spuścić na zimę stosunkowo prosto, ale nie ma gwarancji, że w podgrzewaczu przepływowym nie pozostanie trochę wody w delikatnych rurkach. W Internecie można znaleźć wiele sprzecznych informacji na temat ochrony podgrzewaczy przed zamarznięciem.

Fot.1 Podgrzewacz wody - Kospel PPE2 

Generalnie panuje opinia, że większy problem jest z podgrzewaczami typu boiler, bo spuszczenie wody z instalacji z reguły nie oznacza usunięcia jej ze zbiornika z grzałką. Można znaleźć opinie, że ogrzewacz przepływowy jest lepszy, ponieważ bez problemu można spuścić zeń wodę. W związku z takimi opiniami, w pierwszym roku eksploatacji opisywanego ogrzewacza przepływowego Kospel, po spuszczeniu wody z instalacji, nie był on chroniony przed mrozem. Wiosną po włączeniu działał dziwnie, co doprowadziło do wniosku, że trochę wody mogło pozostać w zakamarkach i rurkach kapilarnych i że w przyszłości trzeba go chronić przed zamarznięciem nawet po spuszczeniu wody z instalacji.

Aby minimalizować koszty, nie trzeba grzać całego domku, a tylko sam podgrzewacz Kospel. Do tego wystarczy niewielka grzałka elektryczna i tymczasowa dodatkowa obudowa z materiału o dobrej izolacyjności cieplnej.

Zasilanie termostatu antyzamrożeniowego

Aby zapewnić niezawodną ochronę, grzałkę elektryczną warto zasilić z zainstalowanego w domku zestawu akumulatorów (12V 380Ah). Ewentualny brak napięcia w sieci 230V nie będzie wtedy problemem, bo duże akumulatory zapewnią zasilanie niewielkiej grzałki co najmniej przez kilka dni. Domek ma sporą bezwładność cieplną, więc temperatura wewnątrz zmienia się niewiele i jest zbliżona do średniej – w istocie jest trochę wyższa od średniej na zewnątrz z uwagi na ciepło z gruntu przechodzące przez podłogę. Z tego względu nawet przy silnych mrozach nie jest wymagana grzałka o dużej mocy.

Ja dodatkową obudowę termiczną wykonałem za pomocą noża i taśmy klejącej z dwóch warstw pozostałego po budowie 3-centymetrowego styroduru, który jest twardszy niż popularny styropian. Jak widać na fotografii tytułowej, w roli grzałek, a właściwie promienników podczerwieni, wystąpiły cztery żarówki samochodowe 12V 5W.

W najprostszym przypadku można je podłączyć wprost do akumulatora. Przy mocy grzania około 20W i przy sporych rozmiarach podgrzewacza nie trzeba się obawiać, że temperatura wewnątrz styrodurowego pudła wzrośnie nadmiernie. A moc 20 watów w czasie miesiąca, czyli 720 lub 744 godzin, daje zużycie poniżej 15kWh, co przy sprawności systemu akumulatorowego ponad 50% dałoby miesięczny koszt energii około 20 złotych.

Koszt energii nie jest więc problemem, ale ja postanowiłem wykonać jakiś prosty termostat, który po pierwsze utrzyma wewnątrz pudła temperaturę podgrzewacza Kospel rzędu +2...+5°C, a po drugie przekaże mi przybliżone informację o mocy grzania.

Termostat i centralka Ropam Optima

Przekazanie takiej informacji na odległość jest możliwe, ponieważ w domku zainstalowana jest słusznie ciesząca się znakomitą opinią centralka Ropam Optima, która ma możliwość dołączenia czterech czujników temperatury i ma jedno wejście analogowe AI o zakresie pomiarowym 0...10V. Na żądanie (za pomocą aplikacji Ropam Droid) lub o ustalonych porach, centralka wysyła SMS z informacją o temperaturze czterech czujników i o napięciu na wejściu AI.

Wystarczy zrealizować regulator temperatury, który będzie płynnie zmieniał napięcie zasilające żarówki i podać to napięcie z żarówek na wejście AI centralki (przez dzielnik napięcia). Wprawdzie włókno żarówek ma bardzo silnie nieliniową charakterystykę, ale wartość napięcia na tych żarówkach-grzałkach jest jak najbardziej wystarczająca do przybliżonego oszacowania mocy. Dla większej dokładności pomiaru mocy, zamiast żarówek, można byłoby zastosować rezystory albo też przeprowadzić kalibrację i sprawdzić, jaka jest zależność mocy grzania od napięcia na żarówkach.

Ponadto wewnątrz pudła, w pobliżu podgrzewacza można umieścić jeden z czujników centralki Ropam, co da dokładną (±0,5°C) informację o aktualnej temperaturze. Ściślej biorąc, oprogramowanie centralki Ropam Optima zawiera też dwa regulatory temperatury – termostaty, które można byłoby wykorzystać. Najniższa nastawiana tam temperatura to +5°C, a ja głównie dla sportu postanowiłem zrealizować prosty autonomiczny termostat z możliwością ustawienia także niższej temperatury +2...+3°C.

Schemat termostatu antyzamrożeniowego

Powstał termostat, którego schemat przedstawiony jest na rysunku 1. Wykorzystałem elementy, które miałem pod ręką, w tym darlingtona pnp typu BDV64B (100V, 10A, 125W). Czujnik temperatury LM335 daje napięcie wprost proporcjonalne do temperatury bezwzględnej ze współczynnikiem 10mV/K, czyli przy temperaturze 0°C da napięcie 2,73V. Układ TL431 zapewnia stabilne napięcie odniesienia i pozwala nastawić temperaturę termostatu.

Rys.1 Termostat - schemat 

Zaproponowany schemat może wydać się dziwny i trudny do analizy. Naturalnym rozwiązaniem wydaje się konfiguracja obwodów pomiarowych według uproszczonego rysunku 2. Gdy temperatura wzrasta, wzrasta też napięcie na końcówce R kostki TL431. Gdy wzrośnie ono do poziomu 2,495V, zacznie przewodzić kostka TL431. Napięcie na końcówce K zmniejszy się i zmniejszy się też napięcie na żarówce – grzałce. Potencjometrem PR1 można więc ustawić próg zadziałania termostatu.

Tak, tylko są dwa główne problemy. Kostka TL431 zachowuje się jak tranzystor npn o napięciu UBE = 2,495V, ale „napięcie nasycenia”, czyli minimalne napięcie na elektrodzie K względem A i masy wynosi ponad 1,5V. To oznacza, że tranzystor T1 nigdy się nie zatka i zawsze przez grzejnik-żarówkę będzie płynął jakiś prąd. Kłopotliwe jest też pełne otwarcie tranzystora.

Rys.2 Konfiguracja obwodów pomiarowych -  uproszczony rysunek

Druga wada koncepcji z rysunku 2 to trudność ustawienia potrzebnej temperatury – nie wiadomo bowiem, jak ustawić suwak potencjometru PR1, żeby próg zadziałania termostatu wynosił na przykład +2°C czy +3°C.

Problemów tych nie ma w układzie z rysunku 1, gdzie darlington pnp może zostać całkowicie zatkany albo nasycony. Ale najważniejsze jest to, że możliwa jest zaskakująco łatwa i zaskakująco precyzyjna regulacja progu zadziałania termostatu. Potrzebny jest do tego woltomierz cyfrowy – multimetr i jakiś godny zaufania termometr. Najważniejsza jest dokładność tego dodatkowego termometru, natomiast ewentualne błędy multimetru same się skompensują.

Kluczową rolę odgrywa tu zwora Z1! Na czas regulacji/kalibracji multimetr należy dołączyć do zacisków oznaczonych A1.

Aby ustawić próg zadziałania termostatu, czyli pożądaną temperaturę, trzeba chwilowo zdjąć zworę Z1, czyli odłączyć czujnik temperatury U1. Wtedy woltomierz pokaże jakieś napięcie, które można regulować potencjometrem PR1. Jest to napięcie progowe (w praktyce temperatura), przy którym zaczyna przewodzić tranzystor T2, który następnie steruje tranzystorem wykonawczym T1. Jeśli później podczas normalnej pracy z założoną zworą Z1 napięcie w punkcie U będzie niższe od tak nastawionego progowego (niższa temperatura czujnika U1), to układ U2 zostanie zatkany, a to mocno otworzy tranzystor T2 i w konsekwencji także T1, więc grzałki – żarówki będą grzać maksymalną mocą. Gdy natomiast napięcie w punkcie U będzie wyższe od tak nastawionego, układ U2 będzie silnie przewodził, co całkowicie zatka tranzystor T2 i T1, a więc wyłączy grzałki.

Regulacja termostatu polega więc na zdjęciu zworki Z1 i ustawieniu za pomocą PR1 napięcia w punkcie U odpowiadającego potrzebnej temperaturze. Czujnik LM335 ma współczynnik 10mV/K, więc jeśli przykładowo chcemy utrzymywać temperaturę +3°C, czyli 276K, to potencjometrem PR1 powinniśmy ustawić 2760mV, czyli 2,76V.

Genialnie proste, ale dociekliwi Czytelnicy zauważą, że po pierwsze czujniki LM335 mają pewien rozrzut i błąd temperatury, a po drugie popularne woltomierze „3,5-cyfrowe”, czyli z maksymalnym wskazaniem 1999 przy pomiarze napięć rzędu 3 woltów na zakresie 20V też mogą mieć znaczący błąd!

Słusznie! Sprawa jest poważna, bo w grę wchodzą duże szkody w przypadku zamarznięcia, a w temperaturze krzepnięcia wody, czyli 273 kelwinów (ściślej 273,15K), różnica 1 stopnia to tylko 0,366% (1/273 = 0,00366). Wymagana jest więc duża dokładność, co jednak w praktyce można osiągnąć w zaskakująco prosty sposób. Potrzebny jest tylko jakiś dobry, godny zaufania termometr.

Kostki rodziny LM335 mają znakomitą liniowość i powtarzalność. A jeżeli chodzi o błędy kalibracji, to według katalogu wersje LM135, LM235, LM335A mają w temperaturze pokojowej typowy błąd bez kalibracji 1°C, maksymalnie 3 stopnie. Niestety, najpopularniejsza i najtańsza wersja LM335 według katalogu ma typowy błąd bez kalibracji 4°C, maksymalnie 6°C. Tak duży błąd jest niedopuszczalny, jeżeli chcemy zrealizować termostat z progiem działania tylko 2...3 stopni powyżej punktu zamarzania. Wprawdzie kostki LM335 mają dodatkową końcówkę ADJ(ust) i dołączenie tam potencjometru pozwala precyzyjnie skalibrować każdy egzemplarz czujnika, jednak jest to dość kłopotliwe i w tym przypadku niepotrzebne.

Także i ten problem w prosty sposób rozwiązuje zwora Z1!

Otóż gdy zwora Z1 jest założona, wtedy woltomierz dołączony do zacisków A1 pokazuje napięcie odpowiadające aktualnej temperaturze czujnika U1. Wystarczy jakikolwiek godny zaufania termometr, by sprawdzić, na ile rzeczywisty współczynnik przetwarzania użytego egzemplarza LM335 różni się od nominalnego (10mV/K): w tym celu wystarczy odczytać napięcie w miliwoltach i podzielić przez temperaturę bezwzględną wyrażoną w kelwinach (273 + odczyt z godnego zaufania termometru). W praktyce nie trzeba wyznaczać tego współczynnika, wystarczy ustalić, o ile wartość napięcia odbiega od wskazań dobrego termometru. Przykładowo jeśli termometr pokazuje +22°C, czyli w skali bezwzględnej temperatura wynosi 295 kelwinów, a napięcie na LM335 wynosi 2,93V, co nominalnie odpowiada 293K, czyli 20°C, wtedy przyjmujemy, że nasz czujnik zaniża wskazania o 2 stopnie.

Idealny czujnik LM335 w temperaturze powiedzmy +3°C, czyli 276K, powinien dać napięcie 2,76V. Jeżeli nasz egzemplarz zaniża wskazanie o 2 stopnie, to w temperaturze +3°C zamiast 2,76V, da napięcie 2,74V. I takie napięcie powinniśmy ustawić na woltomierzu przy zdjętej zworze Z1. Jeżeli do pomiaru temperatury przy założonej zworce Z1 użyjemy tego samego multimetru, co do ustawienia napięcia przy zdjętej zworce Z1 (co jest oczywiste), to ewentualne błędy woltomierza zniosą się – zostaną skompensowane niemal całkowicie. Wtedy o dokładności zadecyduje tylko wiarogodność dodatkowego, wzorcowego termometru.

Opisywany prosty układ powstał z potrzeby chwili w grudniu 2017 roku. Opracowywanie i realizacja zajęły w sumie kilka godzin. W związku z tym nie został gruntownie przebadany. Ogromne wzmocnienie napięciowe oraz obecność pętli sprzężenia zwrotnego od początku były zapowiedziami kłopotów. Już na etapie realizacji układ wykazywał tendencje do samowzbudzenia, co zaowocowało dodaniem obwodu R6, C2. Natomiast niepotrzebny w wersji finalnej rezystor R7 jest pozostałością eksperymentów z wersją dwustanową z obwodem dodatniego sprzężenia zwrotnego z kolektora T1 na bazę T2. Podczas podstawowych testów modelowy układ z R6 i C2 nie wzbudzał się. Jednak później, w docelowych warunkach pracy pojawiły się oscylacje bardzo małej częstotliwości, co miało związek z bezwładnością cieplną żarówek i grzanego obiektu. Oscylacje te zostały wykryte zimą, przy zdalnym odczycie napięcia żarówek za pomocą centralki Ropam Optima. Aby zlikwidować oscylacje, trzeba obniżyć całkowite wzmocnienie w pętli, na przykład przez dodanie rezystora w obwodzie anody (A) kostki U2.

Fot.2 Podgrzewacz w styrodurowym pudle

Wymagałoby to przeprowadzenia dodatkowych testów. Wspomniane oscylacje, pojawiające się tylko w określonych warunkach, nie przeszkadzały ani trochę w pracy termostatu, a jedynie utrudniały interpretację wyników zdalnego odczytu. Dlatego choć termostat pracuje już trzeci sezon, ten szczegół nadal czeka na ewentualne dopracowanie. Nie jest to sprawa ani pilna, ani konieczna z uwagi na wykorzystanie dwóch dodatkowych czujników temperatury.

Gdy na zimę styrodurowe pudło jest przyklejane do kafelków na ścianie kuchni za pomocą niebieskiej (nie żółtej) taśmy malarskiej, jak pokazuje fotografia 2, zdejmowana jest plastikowa obudowa podgrzewacza Kospel i czujnik U1 termostatu umieszczany jest bezpośrednio przy jego cienkich metalowych rurkach. Tam też mocowany jest drugi fabryczny czujnik temperatury (A), bezpośrednio dołączony do centralki Ropam Optima. Niezależnie od pomiaru napięcia z żarówek, ten czujnik monitoruje temperaturę podgrzewacza i potwierdza prawidłowe działanie termostatu.

Jeden z pozostałych czujników centralki (B) mierzy temperaturę w kuchni na zewnątrz styrodurowego pudła, co daje dodatkowe informacje o działaniu termostatu.

Montaż i uruchomienie - Antyzamrożeniowy termostat

Jak pokazuje fotografia 3 oraz fotografia tytułowa, układ z rysunku 1 został szybko zmontowany na kawałku płytki uniwersalnej, a ta przykręcona do aluminiowej płytki 20×30cm grubości 3mm, do której bezpośrednio został też przykręcony darlington T1 oraz zaciski śrubowe z żarówkami. Przy częściowym otwarciu T1 wydziela się w nim znaczna moc kilku watów i musi on być zamocowany na jakimś radiatorze, niekoniecznie aż tak dużym. Czujnik U1 został dołączony za pomocą dość długiego przewodu – skrętki.

Fot.3 Układ termostatu zmontowany na płytce uniwersalnej

Do zasilania termostatu niezbędne są tylko dwa przewody dołączone do akumulatora (13,7V). Dodatkowy trzeci cienki przewód, dołączony do żarówek, doprowadzony jest do wejścia analogowego AI centralki przez dzielnik 1:2 (2×10kΩ).

Wykaz elementów
R1
10kΩ
R2, R3
1kΩ
R4
4,7kΩ
R5
0,22Ω
R6,R7
22kΩ
C1,C2
1uF MKT
C3
470uF 16V
T1
BDV64B
T2
BC548B
U1
LM335
U2
TL431
Z1
zwora – jumper
4 żarówki 12V 5W
 
zaciski śrubowe
 
blacha – radiator
 
przewody
 
Tematyka materiału: termostat, regulator temperatury, LM335
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich grudzień 2019
Udostępnij
UK Logo