W nawiązaniu do mojego opracowania pt ,”O termoregulatorach i działaniu układów zabezpieczających ich prawidłowe funkcjonowanie” chciałbym przedstawić schemat oraz omówić budowę i działanie urządzenia złożonego z termoregulatora oraz układu zabezpieczającego pracę termoregulatora. Przedstawiony układ jest układem zabezpieczającym podwójnego zabezpieczenia (typ II) ograniczającym wzrost temperatury „w górę” oraz ,”w dół” do wielkości tzw. górnych oraz dolnych temperatur granicznych nastawionych przez akwarystę. Przedstawiony układ zabezpieczający składa się z dwóch termoregulatorów, identycznych w budowie jak termoregulator, którego pracę układ zabezpieczający zabezpiecza. Zatem całość urządzenia złożonego z termoregulatora i układu zabezpieczającego składa się z trzech termoregulatorów:
Termoregulatora nr 1 -TR-1 (reguluje temperaturę nagrzewanej wody wokół temperatury t,),
Termoregulatora nr 2 – TR-2 (z układu zabezpieczającego). Zadanie jego polega tylko na wyłączeniu dopływu prądu do grzałki po osiągnięciu przez wodę tzw. górnej temperatury granicznej t2. TR-2 nie reguluje temperatury wody wokół temperatury t2 – zatem nie sterując nagrzewaniem wody w temperaturze t2 nie dąży on do utrzymania temperatury wody w temperaturze t2.
Termoregulatora nr 3 – TR-3 (z układu zabezpieczającego). Zadanie jego polega na regulowaniu temperatury nagrzewanej wody wokół tzw. dolnej temperatury granicznej t3.
Na rysunku nr 1 przedstawiłem schemat ideowy urządzenia składającego się z termoregulatora TR-1 wraz z układem zabezpieczającym (składającym się termoregulatorów TR-2 i TR-3) pracę termoregulatora TR-1. Termoregulatory na tym rysunku przedstawione są w sposób blokowy. Szczegółowe schematy ideowe dwóch wersji termoregulatora, które mogą być użyte przy budowie urządzenia przedstawionego na rysunku nr 1 obrazują rysunki 2 i 3. Przedstawione wersje różnią się pomiędzy sobą stopniem czułości który, jak wiemy, ma wpływ na wielkość dobieranej przez akwarystę tzw. „górnej” temperatury granicznej t2 oraz „dolnej” temperatury granicznej t3, a więc temperatur wyznaczających zakres zabezpieczenia temperaturowego układu zabezpieczającego. Rodzaje hodowanych w zbiorniku gatunków ryb i ich wymagania cieplne potrzebne dla prawidłowego rozwoju, samopoczucia i zdrowia będą decydowały o doborze określonej wersji termoregulatora Rys. 1 Schemat ideowy urządzenia składającego się z termoregulatora (TR-1) wraz z układem zabezpieczającym pracę termoregulatora (TR-2 i TR-3) Akwarium 4/90
Rys. 2 Schemat ideowy pierwszej wersji termoregulatora R = 4,7 kfi/0,25 W. Dioda D – dioda krzemowa prostownicza typu BYP 401-50. Tranzystory T, i T2 – tranzystory krzemowe małej mocy typu BC 211-16 (w obudowie metalowej TO39) lub BC 238B lub C (w obudowie plastykowej) Przekaźnik P – przekaźnik MT-12
Pierwsza wersja termoregulatora – przedstawiona na rysunku nr 2 została zaprojektowana dla zakresu temperatur od +15°C do +35°C i wyposażona została w czujnik, którego rolę pełni termistor NTC o rezystancji 6 kD. Termistor tworzy wraz z potencjometrem Rp = 50 kfi dzielnik napięcia o parametrach zależnych od temperatury wody. Wartość temperatury zadanej (tzn. temperatur t,, t2 i t3 nastawionych na skali) ustalamy potencjometrem Rp. Termoregulator składa się z dwóch zespołów: – zespół 1 to dzielnik napięcia, – zespół 2 to wzmacniacz przełącznikowy z przekaźnikiem. Przebieg działania układu termoregulatora jest następujący: – w przypadku opadania tempera tury wody i opadnięcia jej poniżej temperatury zadanej (nastawionej na potencjometrze Rp) wzrasta jednocześnie rezystancja termistora, która to powoduje zarazem jednoczesny wzrost napięcia środkowego węzła (punkt D na rys. 2) dzielnika napięcia. Napięcie to steruje wysokorezystancyjnym wejściem (w pkt. B na rys. 2) wzmacniacza przełącznikowego z przekaźnikiem. Napięcie wejściowe (tzn. napięcie w pkt B na rys. 2) przekraczające około + 1,4 do +1,6 V powoduje zadziałanie przekaźnika P (włączenie się styków czynnych przekaźnika) i włączenie grzałki. Prąd wejściowy wynosi przy tym tylko kilka mikroamperów, – grzałka podgrzewa wodę do chwili, gdy zostanie na powrót osiągnięta i przekroczona zadana temperatura (nastawiona na potencjometrze Rp). W czasie wzrostu temperatury (do temperatury zadanej i powyżej) maleje rezystencja termistora oraz maleje napięcie środkowego węzła dzielnika. Powolny spadek tego napięcia spowoduje zwolnienie przekaźnika (rozwarcie jego styków czynnych) i wyłączenie grzałki. Ponieważ różnica napięć wejściowych dla zadziałania przekaźnika i dla jego zwolnienia jest mniejsza niż 0,1 V, to układ ten reaguje na bardzo nieznaczne różnice temperatur, wynoszące poniżej 0,2°C. Dzięki temu uzyskuje się wysoką stałość temperatury, ale również dużą częstość przełączeń związaną z powolnym płynnym ruchem kotwicy, a więc i zestyków przekaźnika. Obydwa te czynniki powodują skrócenie czasu życia przekaźnika, jeśli zestyki pracują pod pełnym obciążeniem prądowym powodowanym przez moc grzałki. Reasumując, wysoką czułość termoregulatora uzyskujemy kosztem skrócenia żywotności przekaźnika i odwrotnie. Omawiany wzmacniacz przełącznikowy składa się z 2 tranzystorów: J^ i T2 pracujących w układzie Darlingtona i ze wspólnym emiterem. Cewka przekaźnika włączona jest w obwód kolektorowy. Równolegle z cewką przekaźnika włączona jest dioda zabezpieczająca D. Dioda ta stanowi zwarcie dla napięć indukowanych w uzwojeniu cewki (tzn. tłumi napięcia powstające w uzwojeniu cewki) podczas gwałtownego wyłączenia prądu płynącego przez uzwojenie i wzbudzającego przekaźnik, chroniąc tym samym tranzystory przed zniszczeniem. Jednak, ze względu na tę diodę, bardzo istotne jest zachowanie odpowiedniej polaryzacji (biegunowości napięcia przyłożonego do diody) tzn. nie można diody podłączyć inaczej (tzn. w odwrotnym kierunku) niż to przedstawiono na rys. 2 oraz rys. 3. Przy odwrotnej polaryzacji dioda jest w stanie przewodzenia i występujący wówczas prąd zwarciowy może uszkodzić tranzystory. Zastosowanie w układzie termoregulatora przekaźnika elektromechanicznego ma tą zaletę, że cewka i zestyki nie są ze sobą galwanicznie połączone tzn. przekaźnik odseperował od siebie dwa obwody prądowe tj. obwód 12 V termoregulatora oraz obwód grzałki podłączony do sieci 220 V. Rys. 3 Schemat ideowy drugiej wersji termoregulatora Oporniki 0,25 W R, = 4,7 kQ; R2 = 1,0 kil; R3 = 100Ť; R4 = 22 kil; R5 = 22 kQ; R6 = 1,0 kil; R7 = 1,0 kfi; R8 = 4,7 kil; R9 = 1,0 kil. Tranzystory Ti, T2, T3 – tranzystory krzemowe natej mocy, małej częstotliwości typu BC 211-16 (obudowa metalowa TO39) lub BC 238B (obudowa plastykowa) Tranzystor T4 – tranzystor typu BC 211-16 (obudowa metalowa TO39) Dioda D, – dioda krzemowa impulsowa typu BAP 812 Dioda D2 – dioda krzemowa prostownicza typu BYP 401-50 Przekaźnik P – przekaźnik typu MT-12
Druga wersja termoregulatora przedstawiona na rys. 3 została również zaprojektowana dla zakresu temperatur od + 15°C do +35°C i wyposażona w czujnik, którego rolę pełni termistor NTC o rezystancji 6 kil Termistor tworzy wraz z potencjometrem Rp = 50 kfi dzielnik napięcia o parametrach zależnych od temperatury wody. Wartość temperatury zadanej (tzn. temperatur t,, t2 i t3 nastawionych na skali) ustalamy potencjometrem Rp. Termoregulator składa się z 3 zespołów: – zespół 1 to dzielnik napięcia, – zespół 2 to przerzutnik Schmitta dużej mocy, – zespół 3 to wzmacniacz przełącznikowy z przekaźnikiem. Wersja druga termoregulatora różni się od pierwszej tym, że zawiera układ przerzutnika Schmitta z dołączonym doń wzmacniaczem przełącznikowym w układzie Darlingtona w konfiguracji ze wspólnym emiterem. Dzięki temu, że na wyjściu wzmacniacza przełącznikowego włączony jest rezystor Rg oraz dioda D2 zabezpieczająca układ przed przepięciami, zespół 2 stosuje się tu jako kompletny przełącznik mocy. Przebieg działania termoregulatora wersji drugiej jest podobny w swej ogólnej istocie do przebiegu działania termoregulatora wersji pierwszej. Ponieważ napięcie włączania przerzutnika Schmitta wynosi około +2,1 V, a napięcie wyłączania – około + 1,6 V (histereza), to dla zadziałania przekaźnika konieczna jest niższa temperatura niż do jego zwolnienia. Na skutek tego wahania temperatury są większe niż w wersji pierwszej termoregulatora. Wynoszą one około + 0,8…1,0°C. Tę wadę równoważą jednak dwie następujące zalety:
Częstość przełączenia jest znacznie mniejsza niż w wersji pierwszej,
Dzięki przerzutnikowi Schmitta przełączanie przekaźnika odbywa się nie w sposób płynny i powolny, lecz skokowo, co eliminuje iskrzenie styków i są one dużo oszczędniej eksploatowane.
Po dokonaniu wyboru jednej z wersji termoregulatora i zbudowaniu jego trzech identycznych egzemplarzy przystępujemy do budowy całego urządzenia przedstawionego na rysunku nr 1.
Zasada działania urządzenia złożonego z termoregulatora i urządzenia zabezpieczającego prace termoregulatora
Przekaźnik, w zależności od tego, którą parę styków ma włączoną, może znajdować się w dwóch stanach (rys. 4): 1. stan I – stan włączenia (zwany też stanem wzbudzenia przekaźnika) – rys. 4b. W stanie tym włączone są jego styki czynne (grzałka nagrzewa wodę), a rozłączone styki bierne. 2. stan II – stan wyłączenia przekaźnika (rys. 4b). W stanie tym rozłączone są jego styki czynne (grzałka nie nagrzewa wody), a włączone styki bierne. Podczas pracy urządzenia, w czasie regulacji temperatury przez termoregulator TR-1 wokół zadanej temperatury t1a przekaźniki trzech jego termoregulatorów znajdują się w następujących stanach (rys. 4a):
przekaźnik P, termoregulatora TR-1:
stan I – temperatura wody maleje poniżej temperatury t, oporność termistora rośnie -> rosną napięcia wewnętrzne i prądy układu termoregulatora -ť włączenie styków czynnych przekaźnika P, (rozłączenie styków biernych) -ť grzałka nagrzewa wodę,
stan II – temperatura wody wzrosła powyżej temperatury t1 -ť oporność termistora maleje -> maleje napięcie wewnętrzne i prądy układu termoregulatora -> rozłączenie styków czynnych przekaźnika P1 (włączenie styków biernych) -> grzałka nie nagrzewa wody.
Rys. 4 Przedstawienie stanów przekaźnika w czasie regulacji temperatury wokół zadanej temperatury t.
W czasie regulacji temperatury wokół temperatury t, styki przekaźnika P, znajdują się na przemian w stanie I i w stanie II,
przekaźnik P2 termoregulatora TR-2: ponieważ temperatura t, < temperatury t2, stąd styki przekaźnika P2 termoregulatora TR-2 znajdować się będą ciągle w stanie I (włączone styki czynne), a TR-2 nastawiony jest na nagrzewanie wody, gdyż jej temperatura jest niższa od temperatury t2, na którą on jest wyregulowany za pomocą potencjometru Rp. Przejście przekaźnika P2 ze stanu I do stanu II nastąpi wtedy, gdy temperatura wody osiągnie i nieznacznie przekroczy temperaturę t2,
przekaźnik P3 termoregulatora TR-3: ponieważ temperatura t, > temperatury t3 stąd styki przekaźnika P3 termoregulatora TR-3 znajdować się będą ciągle w stanie II (rozłączone styki czynne), a TR-3 nastawiony jest tylko na czuwanie. Przejście przekaźnika P3 ze stanu II w stan I nastąpi wtedy, gdy temperatura wody spadnie nieznacznie poniżej temperatury t3.
Przedstawiony na rysunku nr 1 termoregulator TR-1 wraz z urządzeniem zabezpieczającym (TR-2 i TR-3) jego pracę działa w następujący sposób:
Termoregulator TR-1 W czasie pracy termoregulatora TR-1 zachodzi (rys. 1):
opadnięcie temperatury wody poniżej temperatury t,. Następuje wówczas włączenie się styków czynnych przekaźnika Pv obwód zostaje zamknięty i prąd z sieci popłynie poprzez bezpiecznik B,, styki czynne (1-1) przekaźnika Pi (termoregulatora TR-1), poprzez stale włączone styki czynne (1-1) przekaźnika P2 termoregulatora TR-2 (gdy temperatura wody jest mniejsza od temperatury t2, przekaźnik P2 jest w stanie I) do grzałki G, która rozpoczyna grzanie wody. Fakt nagrzewania wody przez grzałkę sygnalizuje nam, świeceniem, czerwona lampka kontrolna Ż2, podłączona do drugiej pary styków czynnych (3-3) przekaźnika P,.
wzrost temperatury powyżej temperatury ti Następuje wówczas rozłączenie się styków czynnych (1-1) przekaźnika P, (włączają się jego styki bierne 2-2) i prąd z sieci nie płynie do grzałki. Fakt wyłączenia grzałki z sieci sygnalizowany jest świeceniem się zielonej lampki kontrolnej Ż1: która jest podłączona do drugiej pary styków biernych (4-4) przekaźnika P,. Pomimo rozłączenia się styków czynnych (1-1) przekaźnika P, (przy wzroście temperatury wody powyżej temperatury t,) nadal są włączone styki czynne (1-1) przekaźnika P2
Urządzenie zabezpieczające Wskutek awarii termoregulatora mogą zaistnieć 2 sytuacje: Sytuacja 1 – odcięcie dopływu prądu do grzałki (np. wskutek zespawania się styków biernych przekaźnika P, lub innego rodzaju uszkodzenia powodującego to odcięcie prądu), Sytuacja 2 – grzałka zostaje podłączona do prądu ,”na stałe” (np. wskutek zespawania styków czynnych przekaźnika Pi lub ich włączeniem spowodowanym np. przepaleniem się diody, tranzystora itp.). W czasie zaistnienia sytuacji nr 1 następuje powolny spadek temperatury wody od temperatury t, do tzw dolnej temperatury granicznej t3 nastawionej na skali termoregulatora TR-3 (linia a, rys. 2 mojego opracowania p.t. ,”O termoregulatorach i działaniu układów zabezpieczających ich prawidłowe funkcjonowanie”). Z chwilą osiągnięcia temperatury t3 i jej nieznacznemu opadnięciu poniżej t3 zadziała nam termoregulator TR-3, który spowoduje włączenie styków czynnych (1-1) przekaźnika P3 (styki przekaźnika P3 przejdą wówczas ze stanu II w stan I) i podłączenie grzałki do sieci. Fakt włączenia grzałki do sieci, przez termoregulator TR-3, sygnalizuje nam świeceniem żółta lampka kontrolna, która jest podłączona do drugiej pary styków czynnych (3-3) przekaźnika P3. Dalsze nagrzewanie wody i regulacja jej temperatury odbywać się będą (z odchyłkami ,”w górę” i ,”w dół”) wokół temperatury t2. W czasie zaistnienia sytuacji nr 2 następuje powolny wzrost temperatury wody od temperatury t, do tzw. górnej temperatury granicznej t2 nastawionej na skali termoregulatora TR-2 (linia b, rys. 2 mojego w.w. opracowania). Po osiągnięciu przez wodę temperatury t2 i jej nieznacznemu przekroczeniu ,”w górę” zadziała nam termoregulator TR-2, który to spowoduje rozłączenie się styków czynnych (1-1) przekaźnika P2 (styki przekaźnika P2 przejdą wówczas ze stanu I w stan II) i włączenie obydwu par 2-2 i 4-4 jego styków biernych. Po włączeniu się styków biernych przekaźnika P2 prąd z sieci popłynie przez: styki czynne przekaźnika P,, pierwszą parę (2-2) styków biernych przekaźnika P2 i dalej do grzałki. Włączenie się drugiej pary styków biernych (4-4) przekaźnika P2 spowoduje: 1. rozłączenie drugiej pary styków czynnych (3-3) przekaźnika P2 i w konsekwencji włączenie się pary styków biernych (2-2) przekaźnika P4 uruchamiających dzwonek elektryczny sygnalizujący nam fakt przekroczenia temperatury wody powyżej temperatury t2, 2. zamknięcie się obwodu złożonego z grzałki, opornika Rx i w konsekwencji podłączenie w sposób równoległy opornika o rezystancji Rx do grzałki. Pod łączenie tego typu charakteryzuje się zwiększonym poborem prądu przez ob wód (złożony z grzałki, opornika Rx i bezpiecznika B,) czyli wzrostem natężenia prądu w obwodzie. Wzrost natężenia prądu spowoduje przepalenie się bezpiecznika B.,, przerwę w obwodzie i w konsekwencji odłączenie grzałki od prądu. Temperatura wody zacznie wówczas powoli spadać od temperatury t2 do tzw. dolnej temperatury granicznej t3 (linia c, rys. 2 mojego w.w. opracowania). Z chwilą osiągnięcia temperatury t3 i nieznacznemu opadnięciu temperatury wody poniżej temperatury t3 zadziała nam termoregulator TR-3. Dalszy przebieg regulacji jest identyczny jak w w.w. sytuacji nr 1. Świecąca się żółta lampka kontrolna będzie dla nas ostrzeżeniem, że nastąpiła awaria termoregulatora TR-1 i, że regulacja temperatury wody odbywa się już wokół dolnej temperatury granicznej t3. Układy przedstawione na rys. nr 1, nr 2 i nr 3 można stosować w regulacji temperatury wody niezależnie od mocy zainstalowanej grzałki po uprzednim dobraniu (w zależności od mocy grzałki) odpowiedniego typu przekaźnika, opornika Rx i bezpiecznika BT. Układy te są jak gdyby uniwersalne dla różnych mocy grzałek. W zależności od mocy dobranej i zainstalowanej grzałki należy samemu dokonać wyliczenia i dobrania bezpiecznika B-t, opornika Ri oraz przekaźnika wg niżej podanych wytycznych. Przy budowie termoregulatorów u-rządzenia zabezpieczającego przedstawionego na rys. 1 należy pamiętać o istnieniu ścisłej zależności pomiędzy mocą zainstalowanej grzałki, typem zastosowanego przekaźnika oraz wartością bezpiecznika B,.