Budujemy układ zabezpieczający prawidłowe funkcjonowanie termoregulatora
Tadeusz Kazimierz Biliński
Na dobór mocy grzałki zasadniczy wpływ mają: 1. temperatura pomieszczenia, w którym znajduje się akwarium, 2. najbardziej optymalna i wymagana temperatura wody w akwarium, zależna od gatunków hodowanych ryb, 3. wielkość zbiornika akwarium. W zależności od wielkości dobranej mocy grzałki, dobieramy dalej: 1. odpowiedni przekaźnik elektro mechaniczny lub przekaźnik kontaktronowy, 2. bezpiecznik B1 oraz opornik Rx.
Dobór przekaźnika elektromechanicznego O wyborze odpowiedniego, dla naszych potrzeb, typu przekaźnika elektromechanicznego decydują: A. rodzaj zestyków (zwierne, rozwierne, przełączne) – w naszym przypadku potrzebny jest przekaźnik z zestykami przełącznymi. B. trzy parametry elektryczne, który mi każdy przekaźnik charakteryzuje się: a) rodzaj napięcia cewki elektromagnesu przekaźnika: napięcie stałe lub zmienne – w naszym przypadku jest to napięcie stałe, b) wartość napięcia wzbudzenia cewki np. 6 V, 9 V, 12 V – w naszym przypadku jest to 12 V. Poza tym na izolacji zewnętrznej (bandówce) uzwojenia cewki przekaźnika podawana jest bardzo często rezystancja uzwojenia cewki elektromagnesu. Rezystancję tą również można zmierzyć omomierzem. Znając wartość napięcia zasilania cewki (np. 12 V) oraz rezystancję uzwojenia (np. 230 Ω) możemy obliczyć: 1. jakie jest natężenie prądu pobieranego przez cewkę elektromagnesu I=U/R=12V/230Ω = 0,052 A = 52mA 2. moc zużytą do sterowania cewki przekaźnika (tzn. moc pobieraną przez przekaźnik) p = U x I = 12 V x 0,052 A = 0,624 W = 624 mW Jedną z zalet użytego przekaźnika elektromechanicznego jest to, że stosunkowo mała moc (zależnie od konstrukcji w granicach 0,1 …1W) potrzebna do sterowania cewki wystarcza, aby można było włączać moce od kilku watów do kilkuset watów: C. obciążalność zestyków ze względu na: 1. napięcie (panujące w obwodzie, włączanym do prądu przez zestyki przekaźnika) – w naszym przypadku jest to wynoszące 220 V zmienne napięcie sieci, do którego podłączona jest grzałka, 2. prąd lub moc (tj. dopuszczalne obciążenie zestyków nie powodujące ich zniszczenia) tzn. wartość natężenia prądu pobierana przez odbiorniki zainstalowane w załączanym, przez zestyki przekaźnika, obwodzie prądu lub łączna ich moc. Ic – łączna wielkość natężenia prądu pobieranego przez wszystkie odbiorniki zainstalowane w obwodzie włączanym do prądu przez zestyki przekaźnika (w A) Pc – łączna moc wszystkich odbiorników zainstalowanych w obwodzie włączanym do prądu przez zestyki przekaźnika (w W) lmax – największa dopuszczalna wartość prądu obciążenia zestyków nie powodująca jeszcze ich zniszczenia (w A) Pmax – największe dopuszczalne obciążenie styków (w W) Warunki bezpieczeństwa zestyków przekaźnika elektromechanicznego: Ic < lmax lub Pc < Pmax Przekroczenie powyższych warunków prowadzi do zniszczenia zestyków
Przykład: dobrano grzałkę o mocy P = 80 Wartość prądu pobieranego przez grzałkę z sieci wynosi: P = U x I stąd Igrzałki = Pgrzałki/Usieci = 80 W / 220 V = 0,3636 A Przekaźnik należy dobrać tak, aby: Igrzałki < lmax przekaźnika W naszym przypadku dobrany przekaźnik powinien posiadać: lmax = 0,5…0,8 A Dobór przekaźnika kontaktronowego tzw. kontaktronu. Kontaktron jest najnowocześniejszym stosowanym w elektronice przekaźnikiem. O wyborze odpowiedniego dla naszych potrzeb kontaktronu decydują: 1. rodzaj zestyków (zwierne i przełączające), – w naszym przypadku potrzebny jest przekaźnik ze stykami przełączający mi, 2. wartość napięcia stałego wzbudzenia cewki – w naszym przypadku jest to 12 V, 3. obciążalność zestyków kontaktronu tj. Umax oraz lmax gdzie: Umax – największa dopuszczalna wartość napięcia w obwodzie załączanym przez zestyki kontaktronu lmax – największa dopuszczalna wartość natężenia prądu obciążenia zestyków (tzn. dopuszczalne obciążenie zestyku kontaktronu) nie powodująca jeszcze ich zniszczenia’ U – wielkość napięcia istniejącego w załączanym obwodzie Ic – łączna wielkość natężenia prądu pobieranego przez wszystkie odbiorniki zainstalowane w obwodzie włączanym przez zestyki kontaktronu Warunki bezpieczeństwa zestyków kontaktronu: 1. U < Umax 2. Ic < lmax Przykład: dla grzałki o mocy P = = 80 W wielkość pobieranego przez nią prądu wynosi: I = Usieci/Pgrzałki = Pgrzałki/Usieci=80W/220 V = 0,3636 A U=Usieci=220V Dobieramy kontaktron na napięcie powyżej 220 V np. Umax = 250 V oraz lmax =0,5…0,8 A Dla akwarystów wahających się, który przekaźnik zastosować: elektromechaniczny czy kontaktronowy, dla uzupełnienia dodam tylko, że kontaktrony przewyższają pod wieloma względami przekaźniki elektromechaniczne. Ich główne zalety to: 1. brak części mechanicznych, 2. otoczenie gazem ochronnym ze styków w szklanej bańce (zapewnia to zestykom dużą trwałość oraz niezawodność, gdyż pył, wilgoć i inne czynniki zewnętrzne nie oddziaływują na nie – przez co nie pokrywają się one nalotem, który w przekaźnikach elektromechanicznych trzeba okresowo oczyszczać), 3. zestyki nie ulegają w normalnych warunkach eksploatacji tzw. zespawaniu styków (pod warunkiem, że nie przekroczymy maksymalnego obciążenia zestyków). Powyższe zalety czynią kontaktrony bardzo przydatnymi w budowie termoregulatorów. Dobór bezpiecznika B1 i opornika Rx Dobór bezpiecznika B1 rozpoczynamy od wyliczenia wielkości poboru prądu przez grzałkę Igrzałki = Pgrzałki /Usieci Dla wyliczonego I grzałki dobieram bezpiecznik W oparciu o I bezpiecznika. W celu obliczenia rezystancji opornika Rx zakładam, że w chwili zadziałania termoregulatora TR-2 i włączenia styków biernych przekaźnika P2, w obwodzie grzałki (złożonym z grzałki, opornika Rx i bezpiecznika B1 – rys. 5) musi wystąpić prąd o wartości I, który spowoduje natychmiastowe przepalenie bezpiecznika Br Wartość tego prądu musi być taka, aby przepalenie się bezpiecznika B1 nastąpiło szybko i zaistniało pewnie. Zakładam, że: I > (1,5…2) I bezpiecznika Następnie obliczam, jaka ma być rezystancja opornika Rx, aby szybko i pewnie nastąpiło przepalenie bezpiecznika i odłączenie grzałki od sieci. Dla obwodu równoległego złożonego z grzałki i opornika Rx (rys. 5) wartość pobieranego prądu wynosi: I = lrx + I grzałki lrx – wielkość prądu pobieranego przez opornik o rezystancji Rx Stąd lrx = I -I grzałki Rezystancję opornika Rx obliczamy ze wzoru: Rx= Usieci/Irx= Usieci/I – I grzałki
Rys.5 Ogólny schemat urządzenia składającego się z termoregulatora oraz układu zabezpieczającego pracę termoregulatora
Przykład: grzałka o mocy P 80 W Usieci = 220 V Igrzałki = Pgrzałki/Usieci = 80 W/220 V = 0,3636 A Przyjmuje bezpiecznik o I bezpiecznika = = 0,63 A Zakładam prąd przepalenia bezpiecznika I I = 1,5 x 0,63 = 0,945 A=1 A 1 = 1 A Stąd I = 1 A > Ibezpiecznika = 0,63 A Obliczam lrx = 1 -0,3636 = 0,6344 A oraz Rx =Usieci/Irx=220V/0,6344 A= = 346,78 Ω Dobieram opornik Rx = 350 Ω Wartość prądu lrx dla dobranego opornika Rx wynosi: lrx = Usieci/Rx= 220 V/ 350 Ω = 0,628 A Prąd przepalenia bezpiecznika wynosi ostatecznie: I = Igrzałki + lrx = 0,3636 + 0,628 = 0991 6 A Obliczona w powyższy sposób wielkość prądu przepalenia bezpiecznika musi być uwzględniona przy doborze prze kaźnika (patrz przykład ze strony nr 12). Oporność grzałki o mocy P = 80 W wy nosi P = U x I ale l= U/R stąd P = U x U/R= U2/R po przekształceniu RG =U2/P = 220 V2/ 80 W = 605 Ω Całość urządzenia zbudowanego wg rysunku nr 1, nr 2 i nr 3 umieszczamy w jednej obudowie (rys. 6), do której to podłączymy z jednej strony trzy termistory (Rtr Rt2, Rt3) i zasilania termoregulatorów, a z drugiej strony wejścia do zestyków trzech przekaźników (Pi, P2, P3) i zasilania grzałki. Na płycie czołowej urządzenia umieszczamy trzy skale z pokrętłami trzech termoregulatorów (TR-1, TR-2, TR-3). Duży wpływ na działanie całości urządzenia będzie miała cyrkulacja wody w zbiorniku, realizowana przez odpowiednio rozmieszczone filtry i przewietrzacze. Prawidłowo przeprowadzony obieg wody w zbiorniku powoduje szybkie wyrównanie (i jej dalsze utrzymywanie) temperatury wody we wszystkich miejscach toni wodnej zbiornika hodowlanego, przez co jej regulacja może być właściwa. Warunkiem prawidłowej regulacji temperatury jest więc dążność do tego, aby temperatura w całej toni wodnej zbiornika była sobie równa tzn. temperatura na dnie zbiornika była równa temperaturze w połowie jego wysokości i temperaturze przy powierzchni wody. Trzy termistory spełniające rolę czujników należy umieścić po drugiej stronie zbiornika, z dala od grzałki, wokół to której temperatura wody jest zawsze wyższa niż w innych miejscach akwarium. Dużym błędem byłoby, gdyby czujniki zostały umieszczone w pobliżu grzałki, a urządzenie dokonywałoby regulacji tej temperatury, która znacznie odbiegałaby od przeciętnej temperatury wody (byłaby od niej wyższa) występującej w zbiorniku.
Po zbudowaniu całości urządzenia przystępujemy do jego rozruchu i wy-skalowania skal temperatur trzech termoregulatorów. I tu możemy napotkać na trudności, gdyż może okazać się, że układ zbudowaliśmy poprawnie, przebadaliśmy sprawność techniczną i wartości wszystkich jego elementów, a on nie działa prawidłowo, a nieraz i w ogóle nie chce działać. Pisali do mnie o tym Czytelnicy, którzy zbudowali termoregulator przedstawiony przeze mnie w nr 1(49) z 1979 r. czasopisma „Akwarium”. W czym więc tkwi przyczyna? Wyjaśnienie naszych niepowodzeń leży w tolerancji produkcji części elektronicznych. Każda część produkowana jest z pewną tolerancją np. oporniki posiadają tolerancję od ą10% do +20%, a kondensatory +10%. Natomiast tranzystory posiadają dużą rozpiętość współczynników wzmocnień prądowych. Tolerancja produkcji powoduje, że użyliśmy niechcący do budowy jednak elementów o innych parametrach tj. pojemnościach, opornościach, wzmocnieniach prądowych itp. niż to zostało założone w konstrukcji urządzenia. W rezultacie w obwodzie urządzenia występują prądy i napięcia o wartościach nieraz mocno odbiegających od założonych i w wyniku czego układ nie chce działać poprawnie, a często i w ogóle nie chce działać. Przykładowo: 1. opornik o rezystancji R = 1000 kΩą ą10% może być wyprodukowany o opornościach w przedziale od 900 kΩ do 1100 WΩ 2. tranzystor typu BC 108 klasy B po siada współczynnik wzmocnienia prądowego h2ie = 240…500. Zakładając prąd bazy IB = 1 mV to prąd kolektora wy nosi Ic = h2iB x IB |c = 240 x 1 = 240 mV Ic = 500 x 1 = 500 mV Prąd kolektora może wahać się od 240 mV do 500 mV Budujący w takich sytuacjach doszukują się zwykle błędów w schemacie, szukają niesprawnych elementów i w ogóle zniechęcają się. Ażeby zapobiec wystąpieniu powyższych trudności należy do budowy użyć elementów nie tylko technicznie całkowicie sprawnych, ale i o wartościach w miarę ściśle odpowiadającym założonym. Gdy nie możemy sami poradzić sobie z budową i wypróbowaniem urządzenia to proponuję zwrócenie się o pomoc do doświadczonego elektronika, który nam w tym pomoże. Elektronicy wiedzą, że po zbudowaniu układu i włączeniu zasilania układ wcale jeszcze nie musi od razu działać i to działać poprawnie – nazywają to tzw. „uruchamianiem” układu związanym z jego doregulowaniem, a nieraz i wymianą niektórych elementów na inne o właściwych lub zbliżonych parametrach. Przedstawione urządzenie jest wysokiej klasy układem zbudowanym na elementach całkowicie dostępnych w kraju. W urządzeniu tym wszystkie wartości elektryczne elementów zostały przeze mnie podane, a dobór przekaźników i bezpieczników oraz oporników Rx w zależności od mocy zainstalowanej grzałki, pozostawiam w gestii hodowcy.
Ewentualna produkcja rzemieślnicza wymaga zgody autora niniejszego opracowania.