Автомат управления холодильной установкой
Предлагаемое устройство разработано для использования в бытовых и промышленных холодильных установках, работающих по принципу включения-выключения электродвигателя компрессора охладителя на основе напряжения снимаемого с датчика температуры, а также периодического включения нагревательного элемента оттаивателя. С целью защиты от перенапряжений, часто приводящих к выходу из строя дорогостоящих импортных компрессоров, устройство так же дополнено узлом контроля-измерения сетевого напряжения, который автоматически блокирует силовые выходы прибора в случае увеличения или уменьшения этого напряжения относительно нормального значения. Кроме того в устройстве предусмотрены специальные блокировки исключающие одновременное включение компрессора и нагревательного элемента оттаивателя, при возможных неисправностях системы.
Прибор имеет
следующие функциональные возможности: контроль и измерение температуры
испарителя, измерение температуры внутри холодильной камеры, измерение
напряжения в сети, автоматическое блокирование силовых цепей при выходе значений
этого напряжения за установленные пределы. Оттаиватель включается периодически,
с регулируемым интервалом 0.5-10 часов, причем его включение производится только
после того как отключился компрессор, и началось увеличение температуры
испарителя. Это облегчает режим работы холодильной установки и ведет к
значительной экономии электроэнергии (особенно при большой мощности
нагревательного элемента). Оттаиватель отключается при достижении определенной
температуры испарителя. Включение электродвигателя компрессора после этого
произойдет не ранее чем через несколько минут. В случае чрезмерного повышения
температуры испарителя например при длительном открытии двери или по другим
причинам, осуществится аварийное отключение всех силовых цепей прибора с
включением соответствующего индикатора. К дополнительным сервисным функциям
прибора, как уже отмечалось выше, относится возможность непрерывного измерения
температуры в холодильной камере с отображением ее на цифровом индикаторе, а
также при нажатии и удержании соответствующих кнопок, поочередное отображение:
температуры испарителя, напряжения в сети, установленного значения верхнего
порога напряжения до срабатывания защиты. Верхний температурный порог до
отключения нагревателя, а так же порог срабатывания аварийной защиты задаются
при настройке прибора и на индикацию не выводятся.
Принципиальная схема прибора изображена на рисунке. Напряжения пропорциональные температуре в холодильной камере и на испарителе снимаются с термодатчиков DA1 и DA2. Базовое напряжение –2.73В, для этих датчиков, формируется микросхемой регулируемого стабилизатора напряжения DA3. Это необходимо для правильной работы измерителя температуры, который меряет напряжение относительно общего провода, следовательно при 0 °C это напряжение должно соответствовать нулевому значению. Далее напряжение с термодатчиков поступает на входы ОУ DA6.1-DA6.4, включенных в режиме компараторов. Опорные напряжения для задания порога их переключения формируются резисторами R6-R8, R11, R12, R21, R24, R25. На основе сигналов с этих компараторов вырабатываются управляющие сигналы для управления компрессором охладителя и нагревательным элементом оттаивателя. Компараторы DA6.1 и DA6.2 соответственно, определяют температуру выключения и включения электродвигателя компрессора, при указанных на схеме номиналах резисторов разница между этими температурами составляет около 3 °C. На основе сигнала с компаратора DA6.3 реализуется режим задержки включения нагревательного элемента (после выключения компрессора) до того, пока температура на испарителе не начнет повышаться. Порог срабатывания компаратора DA6.4, определяет верхний предел температуры испарителя, когда нагревательный элемент должен выключиться. Генератор на элементах DD1.1, DD1.2, R1, R2, C1 служит для управления цикличностью включения-выключения оттаивателя. Сигнал с этого генератора поступает на входы счетчиков DD2.1 и DD3. Цепь сброса на элементах С2, R3 служит для установки счетчика DD3 в начальное состояние. Далее сигнал через логические элементы DD1.3, DD1.4 поступает на вход сброса счетчика DD5, определяющего время задержки до включения компрессора, после выключения оттаивателя. Импульсы для этого счетчика формируются генератором на логических элементах DD4.1, DD4.2. Счетчик DD2.2 служит для деления частоты с этого генератора до нужного значения, а также формирования сетки частот для других цепей устройства. В частности для синхронизации работы триггеров DD7.2, DD8.1, DD8.2, благодаря чему происходит подавление помех. Цепь на элементах R27, С10 устанавливает триггер DD7.1 в требуемое состояние во время включения напряжения питания.
Узел защиты от перенапряжения в сети и аварийного превышения температуры испарителя собран на ОУ DA7.1-DA7.3, включенных так же в режиме компараторов. Напряжение используемое для контроля и измерения напряжения в сети снимается с отдельной обмотки трансформатора питания ТР1. Через выпрямительный мост VD10 напряжение сглаженное конденсатором C12, через резистивный делитель R31, R32 поступает на входы компараторов DA7.1 и DA7.2, напряжения переключения последних, а значит и пороги срабатывания защиты задаются резисторами R33, R35, R36. На компараторе DA7.3 реализована защита от критического превышения температуры испарителя при внештатных ситуациях.
Электронные ключи DD9, DD11 служат для коммутации напряжений поступающих с термодатчиков DA1, DA2, либо со схемы измерения сетевого напряжения, на вход микросхемы DD12, цифрового измерителя. Управление этими ключами осуществляется с помощью триггера DD8.1 и логических элементов DD10.1-DD10.3.
Рассмотрим более подробно работу схемы: при начальном включении устройства, когда температура испарителя выше значения заданного резистором R7, на прямом выходе триггера DD6.1 присутствует сигнал логической единицы, триггер DD7.2 при этом также находится в единичном состоянии, благодаря этому сигнал включения компрессора беспрепятственно проходит на базу транзистора VT4. В результате срабатывает реле К2 и включается светодиод HL4, индицирующий работу электродвигателя компрессора. В это же время начинается отсчет времени таймера на счетчике DD3, до срабатывания оттаивателя. Когда температура на испарителе достигает порога срабатывания компаратора DA6.2, происходит переключение триггера DD6.2 и следовательно компрессор отключается. Следующее его включение произойдет когда температура испарителя повысится до порога срабатывания компаратора DA6.1. Сигнал с компаратора DA6.3, имеющий промежуточный между компараторами DA6.1 и DA6.2 порог переключения, идет на логический элемент DD4.3 и далее через триггер DD6.2 на логические элементы DD1.3, DD1.4 блокирования запуска счетчика DD5.
Теперь рассмотрим работу устройства в режиме, когда уже пришел сигнал логической единицы с таймера включения оттаивателя на счетчике DD3: если в это время компрессор включен, то на 6 выводе триггера DD6.1 будет уровень логического нуля блокирующий через резистор R53 прохождение сигнала на 8 вывод входа логического элемента DD1.3. Таким образом на выходе логического элемента DD1.3 сохранится уровень логического нуля, транзистор VT3 останется закрытым и следовательно нагреватель оттаивателя будет оставаться отключенным. После выключения компрессора дальнейшая работа устройства будет определяться состоянием компаратора DA6.3. Через логический элемент DD4.3, он будет блокировать переключение элементов DD1.3, DD1.4, до тех пор пока температура на испарителе не повысится до уровня необходимого для его срабатывания. Этим обеспечивается защита от неблагоприятного воздействия оттаивателя на сильно охлажденный испаритель (чем страдают многие промышленные схемы). Как только логические элементы DD1.3, DD1.4 переключатся, счетчик DD5 обнулится уровнем логической единицы с вывода 11 элемента DD1.4, транзистор VT3 откроется и сработает реле включения нагревателя оттаивателя К1, о чем будет сигнализировать светодиодный индикатор HL3. Выключение оттаивателя произойдет при нагреве испарителя до температуры соответствующей порогу срабатывания компаратора DA6.4. При этом начнется отсчет времени таймера на счетчике DD5, до включения компрессора. Диод VD2 блокирует обратное переключение элементов DD1.3, DD1.4 триггером DD6.1, при увеличении температуры испарителя, а также в случае, если за время оттаивания счетчик DD3 успел переключиться в нулевое состояние. Благодаря этому исключается возможность преждевременного отключения нагревателя оттаивателя до срабатывания компаратора DA6.4. Триггер DD7.1 служит для запрета прохождения сигнала выключения компрессора, формируемого счетчиком DD5 вначале работы, при включении питания. Через несколько минут (время задержки до включения компрессора после отключения оттаивателя) счетчик перейдет в единичное состояние и посредством диода VD16 самозаблокируется в этом состоянии и более не будет оказывать влияния на работу схемы до прихода сигнала обнуления с выхода логического элемента DD1.4. Диод VD12 служит для развязки сигналов логической единицы с инверсного вывода триггера DD6.1, и логического нуля с 3 вывода счетчика DD5. Через диод VD13 на вход триггера DD6.2, поступает сигнал запрещения работы счетчика DD5, при включенном компрессоре. Диоды VD18, VD19 служат для блокирования одновременного включения реле К1 и К2 при внештатных ситуациях.
Узел контроля и защиты от колебаний сетевого напряжения работает следующим образом: когда напряжение снимаемое с диодного моста VD10 меньше порога переключения компаратора DA7.1 триггер DD8.1 находится в нулевом состоянии, индикатор аварийного превышения сетевого напряжения HL1 при этом выключен, через инвертирующий элемент DD4.4 сигнал разрешающий работу силовых цепей проходит на транзисторы VT1, VT2. При увеличении сетевого напряжения выше нормы происходит переключение компаратора DA7.1 и триггера DD8.1, в результате зажигается светодиод HL1, с целью повышения наглядности он работает в мигающем режиме, необходимая для этого частота снимается с 13 вывода счетчика DD2.2, на выходе логического элемента DD4.4 появляется уровень логического нуля и транзисторы VT1, VT2 блокируют включение реле К1, К2. При этом ключ DD9.1, обеспечивающий прохождение на измерительную часть прибора напряжения с термодатчика DA1 размыкается, а ключ DD9.2 замыкается и далее через замкнутые ключи DD9.3, DD11.1, DD11.3 на вход измерителя поступает напряжение пропорциональное сетевому. В результате прибор переключается с индикации температуры на индикацию напряжения в сети. При уменьшении сетевого напряжения ниже критического значения узел работает аналогично, только в этом случае происходит переключение компаратора DA7.2. Если напряжение в сети, соответствует норме т.е. меньше значения необходимого для срабатывания компаратора DA7.1, и больше необходимого для срабатывания компаратора DA7.2 то триггер DD8.1 можно принудительно переключить нажатием и удержанием кнопки SB1, при этом прибор также перейдет на отображение значения напряжения присутствующего в сети и сработает аварийная защита, что обеспечит контроль ее работоспособности.
Защита от аварийного превышения температуры, осуществляется узлом на компараторе DA7.3, и элементах R37-R41, C19, при увеличении температуры выше порога переключения этого компаратора, триггер DD8.2 переходит в единичное состояние, при этом включается индикатор аварийного превышения температуры HL2, мигающий с частотой формируемой на 11 выводе счетчика DD2.2, посредством элемента DD4.4, силовые цепи здесь также блокируются, данный узел работает от отдельного термодатчика R38.
При нажатии и удержании кнопки SB2, происходит переключение логического элемента DD10.1, в результате ключ DD9.3 размыкается, а ключ 9.4 замыкается, т.о. обеспечивается прохождение на вход измерителя напряжения задания порога переключения компаратора DA7.1 и следовательно отображается значение напряжения в сети при котором сработает защита. Аналогично работает узел на элементах DD10.2, DD11.1, DD11.2, только здесь переключение происходит (кнопкой SB3) между действующим и задаваемым значением температуры испарителя. И наконец узел на элементах DD10.3, DD11.3, DD11.4 служит для переключения (кнопкой SB4) между температурой в камере, измеряемой термодатчиком DA1, и температурой на испарителе. Каждый последующий узел имеет более высокий приоритет, т.е. при нажатии на кнопку SB4, на индикацию будет выводиться именно температура с термодатчика DA2, даже если при этом нажаты все остальные кнопки или сработала защита от превышения напряжения в сети.
Следует обратить внимание, что узел защиты от перенапряжения и аварийного превышения температуры, целесообразно подключить не к питающим выводам электромагнитных реле К1, К2, через транзисторы VT1, VT2, как это показано на схеме, а через соответствующие цепи, непосредственно к элементам силовой части холодильной установки. Это значительно повысит эффективность работы защитной части устройства (например в случае залипания контактов электромагнитных реле). На схеме такой вариант включения не показан по той простой причине, что многие холодильные установки имеют специфические пускозащитные устройства, подключение к которым может выполняться самыми различными способами.
В устройстве могут быть использованы постоянные резисторы МЛТ, подстроечные – СП5-2, переменные – СП3-45 и другие, конденсаторы С7, С12-С16 – оксидные К50-35 или их малогабаритные зарубежные аналоги, С22-С24 – К73-17, остальные – керамические, микросхема DD12 – КР572ПВ2, заменима на – ICL7107, электромагнитные реле К1, К2 – с напряжением срабатывания 12В и соответствующим током. Трансформатор питания ТР1, мощностью около 15ВТ, имеет две вторичных обмотки: одна из них – обмотка питания с отводом от середины имеет выходные напряжения 2/12В при токе до 1.5А, на соответствующий ток должен быть рассчитан и диодный мост VD11 подключаемый к ней; другая маломощная низковольтная обмотка этого же трансформатора используется для контроля за напряжением в сети (при указанных на схеме номиналах резистивного делителя R32, R33 ее напряжение должно составлять около 0.5В), максимальный ток на которую рассчитана эта обмотка, как и ток диодного моста VD10, может быть практически любым. С целью надежной работы устройства первичную обмотку трансформатора желательно намотать с запасом по напряжению, чтобы при увеличении напряжения в сети выше номинального, трансформатор не начинал греться.
Налаживание устройства начинают с установки подстроечным резистором R20, напряжения на выходе интегрального стабилизатора DA3 равным –2.73В. Далее резисторами R18, R19 добиваются нулевых показаний термометра при соответствующей температуре интегральных датчиков DA1, DA2. Проверку срабатывания защиты от перенапряжения проводят следующим образом: нажав кнопку SB2 - смотрят и запоминают значение сетевого напряжения, при котором должна сработать защита, в случае необходимости это значение можно изменить подбором резистора R33, далее кнопку SB2 отпускают, а нажимают и удерживают кнопку SB1, изменением подстроячного резистора R31, устанавливают несколько большее значение напряжения, при отпускании этой кнопки нагрузка должна оставаться отключенной, а индикатор аварийного превышения напряжения в сети HL1 – включенным. После этого вновь нажимают кнопку SB1 и теперь подстроечным резистором R31, добиваются правильных показаний измерителя сетевого напряжения при ее удержании. В случае нормальной работы устройства защиты, при отпускании кнопки SB1, индикатор аварийного превышения теперь должен выключится, а нагрузка включится (если конечно напряжение в сети не выходит за допустимые значения). Установку максимальной температуры при которой сработает защита, осуществляют подстроечным резистором R41. Оперативную регулировку температуры испарителя производят в процессе работы, переменным резистором R8, при необходимости подбором резисторов R12, R21, можно изменить разницу (дельта t), между температурой включения и выключения компрессора, а также включения нагревательного элемента. Резистором R1 задают время до срабатывания оттаивателя.
В заключении следует отметить, что при необходимости логика работы автомата может быть изменена. Так в некоторых случаях, например при использовании устройства в холодильных витринах, бывает нужно, что бы компрессор охладителя включался не при нагревании испарителя до определенной температуры, как это делается в большинстве бытовых холодильников, а при повышении температуры в камере. Например при открытии дверей большой площади, температура в холодильной камере может резко увеличиться, а испаритель будет оставаться охлажденным еще довольно длительное время. В этом случае для уменьшения инерционности системы целесообразно сделать, что бы компрессор включался сразу же, при увеличении температуры в камере. Этим уменьшится время до набора нужной температуры при закрытии дверей и улучшится сохранность товара. Что бы реализовать такой режим работы, в устройстве достаточно отключить инверсный вход ОУ DA6.2 (вывод 6), от других элементов и подключить его к 2 ножке термодатчика DA1.
Рекомендуемая литература:
1. В. С. Гутников интегральная электроника в измерительных устройствах; издание второе переработанное и дополненное – Ленинград «ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ» 1988г.
2. С. А. Бирюков устройства на микросхемах; – Москва «Символ-Р» 1998г.
Предварительное усиление
сигнала осуществляется в левой части устройства.
Транзистор VT1 типа КТ361, на базу которого через
конденсатор С2 поступает сигнал с микрофона M1,
вместе с резисторами R4 образует однокаскадный
микрофонный усилитель. Транзистор VT2 типа КТ315
является эмиттерным повторителем и выполняет
функцию динамической нагрузки первого каскада.
Ток, потребляемый этим каскадом, не превышает
0,4-0,5 мА.
Дальнейшее усиление сигнала
происходит в правой части схемы, основу которой
составляет микросхема DA1 типа КР1407УД2,
представляющая собой малошумящий операционный
усилитель с малым током потребления. Он включен
по схеме дифференциального усилителя. Благодаря
этому синфазные помехи наводимые в
соединительных проводах эффективно подавляются.
Коэффициент ослабления синфазных входных
напряжений в схеме достигает 100 дБ.
Сигнал снимаемый с
нагрузочных резисторов R6 и R7 поступает через
конденсаторы СЗ и С4 на инвертирующий и
неинвертирующий входы микросхемы DA1
соответственно. Коэффициент усиления сигнала
можно изменять путем изменения сопротивления
резисторов R8 и R9. Увеличение их номиналов
приводит к увеличению коэффициента усиления,
определяемого как отношение R8/ R4 (R9/ R5).
Резисторы R10, R11 и конденсатор
С5 создают искусственную среднюю точку, в которой
напряжение равно половине напряжения источника
питания. Это обусловлено тем, что для питания
устройства используется однополярное питание, а
для нормальной работы операционного усилителя
необходимо двуполярное питание. Резистор R13
устанавливает необходимый ток потребления
микросхемы.
Микросхему DA1 можно заменить
на КР140УД1208. Но возможно и применение любого
другого операционного усилителя, включенного по
типовой схеме со своими цепями коррекции. При
исправных деталях устройство начинает работать
без дополнительных регулировок.