Главная » Автоматика в быту
Призовой фонд
на ноябрь 2017 г.
1. Термометр Relsib WT51
Рэлсиб
2. 1000 руб
PCBWay
3. Тестер компонентов LCR-T4
Паяльник
4. 200 руб.
От пользователей

Электроника для муфельной печи

Начало

Началась эта затея, как обычно начинается множество подобных затей – случайно зашёл в мастерскую к знакомому, а он показал новую «игрушку» – полуразобранную муфельную печь МП-2УМ (рис.1). Печь старая, «родной» блок управления отсутствует, термопары нет, но нагреватель целый и камера в хорошем состоянии. Естественно, у хозяина вопрос – а нельзя ли приделать к ней какое-нибудь самодельное управление? Пусть простое, пусть даже с небольшой точностью поддержания температуры, но чтобы печь заработала? Хм, наверное, можно… Но сначала неплохо было бы посмотреть документацию на неё, а потом уточнить техническое задание и оценить возможности его воплощения.

Рис.1

Муфельная печь МП-2УМ

Итак, первое – документация есть в сети и легко находится по запросу «МП-2УМ» (также лежит в приложении к статье). Из перечня основных характеристик следует, что питание печи однофазное 220 В, потребляемая мощность примерно 2,6 кВт, верхний порог температуры – 1000°С.

Второе – нужно собрать электронный блок, который мог бы управлять питанием нагревателя с потребляемым током 12-13 А, а также мог бы показывать заданную и реальную температуры в камере. При конструировании блока управления следует не забывать, что нормального заземления в мастерской нет и неизвестно, когда будет.

Учитывая вышеперечисленные условия и имеющуюся электронную базу, решено собирать схему, измеряющую потенциал термопары и сравнивающую его с выставленным «заданным» значением. Сравнение проводить компаратором, выходной сигнал которого будет управлять реле, которое в свою очередь будет открывать и закрывать мощный симистор, через который сетевое напряжение 220 В будет поступать на нагревательный элемент. Отказ от фазоимпульсного управления симистором связан с большими токами в нагрузке и отсутствием заземления. Решили, что если при «дискретном» управлении окажется, что температура в камере колеблется в больших пределах, то тогда переделаем схему в «фазовую». Для индикации температуры можно применить стрелочный прибор. Питание схемы – обыкновенное трансформаторное, отказ от импульсного блока питания так же обусловлен отсутствием заземления.

Самым сложным было найти термопару. В нашем городишке магазины таким не торгуют, но выручили, как обычно, радиолюбители с их желанием вечно хранить в гаражах всякое радиоэлектронное барахло. Примерно через неделю после оповещения ближайших знакомых о «термопарной потребности» позвонил один из старейших радиолюбителей города и сказал, что есть какая-то, лежащая ещё с советских времён. Но её надо будет проверить – может оказаться, что она низкотемпературная хромель-копелевая. Да, конечно проверим, спасибо, ну, а для экспериментов подойдёт любая.

Небольшой «поход в сеть» на предмет просмотра того, что уже сделано другими по этой теме, показал, что в основном по такому принципу самодельщики их и конструируют –«термопара – усилитель – компаратор – силовое управление» (рис.2). Поэтому и мы не будем оригинальными – попробуем повторить уже проверенное.

Рис.2

Эксперименты

Сначала определимся с термопарой – она одна и она односпайная, поэтому в схеме компенсации изменения комнатной температуры не будет. Подключив к выводам термопары вольтметр и обдувая спай воздухом с разной температурой из термофена (рис.3), составляем таблицу потенциалов (рис.4) из которой видно, что напряжение растёт с градацией примерно в 5 мВ на каждые 100 градусов. Учитывая внешний вид проводников и сравнивая полученные показания с характеристиками разных спаев по таблицам, взятым из сети (рис.5), можно с большой вероятностью предположить, что применяемая термопара является хромель-алюмелевой (ТХА) и что её можно использовать длительное время при температуре 900-1000 °С.

Рис.3

Рис.4

Рис.5

После выяснения характеристик термопары экспериментируем со схемотехникой (рис.6). Схема проверялась без силовой части, в первых вариантах применялся операционный усилитель LM358, а в окончательный вариант был установлен LMV722. Он тоже двухканальный и тоже рассчитан на работу при однополярном питании (5 В), но, судя по описанию, имеет лучшую температурную стабильность. Хотя, очень может быть, что это была излишняя перестраховка, так как при применённой схемотехнике погрешность установки и поддержания заданной температуры и так достаточно велика.

Рис.6

Результаты

Окончательная схема, управления показана на рис.7. Здесь потенциал с выводов термопары T1 поступает на прямой и инверсный входа операционного усилителя ОР1.1, имеющего коэффициент усиления примерно 34 dB (50 раз). Затем усиленный сигнал проходит через фильтр низкой частоты R5C2R6C3, где 50-тигерцовая помеха ослабляется до уровня –26 dB от уровня, приходящего с термопары (эта цепь была предварительно симулирована в программе RFSim99, расчетный результат показан на рис.8). Далее отфильтрованное напряжение подаётся на инверсный вход операционного усилителя ОР1.2, выполняющего роль компаратора. Уровень порога срабатывания компаратора можно выбирать переменным резистором R12 (примерно от 0,1 В до 2,5 В). Максимальное значение зависит от схемы включения регулируемого стабилитрона VR2, на котором собран источник образцового напряжения.

Для того, чтобы компаратор не имел «дребезга» переключений при близких по уровню входных напряжениях, в него введена цепь положительной обратной связи – установлен высокоомный резистор R14. Это позволяет при каждом срабатывании компаратора смещать уровень образцового напряжения на несколько милливольт, что приводит к триггерному режиму и исключает «дребезг». Выходное напряжение компаратора через токоограничительный резистор R17 подаётся на базу транзистора VT1, управляющего работой реле К1, контакты которого открывают или закрывают симистор VS1, через который напряжение 220 В подаётся в нагреватель муфельной печи.

Рис.7

Рис.8

Блок питания электронной части выполнен на трансформаторе Tr1. Сетевое напряжение поступает на первичную обмотку через фильтр низкой частоты C8L1L2C9. Переменное напряжение со вторичной обмотки выпрямляется мостом на диодах VD2…VD5 и сгладившись на конденсаторе С7 на уровне около +15 В, поступает на вход микросхемы-стабилизатора VR1, с выхода которой получаем стабилизированные +5 В для питания ОР1. Для работы реле К1 берётся нестабилизированное напряжение +15 В, избыточное напряжение «гасится» на резисторе R19.

Появление напряжения в блоке питания индицируется зелёным светодиодом HL1. Режим срабатывания реле К1, а значит и процесс нагрева печи, показывает светодиод HL2 с красным цветом свечения.

Стрелочный прибор Р1 служит для индикации температуры в камере печи при левом положении кнопочного переключателя S1 и требуемой температуры при правом положении S1.

Детали и конструкция

Детали в схеме применены как обыкновенные выводные, так и рассчитанные на поверхностный монтаж. Почти все они установлены на печатной плате из одностороннего фольгированного текстолита размером 100х145 мм. На ней же закреплен трансформатор питания, элементы сетевого фильтра и радиатор с симистором. На рис.9 показан вид на плату со стороны печати (файл в формате программы Sprint-Layout находится в приложении к статье, рисунок при ЛУТ надо «зеркалить»). Вариант установки платы в корпус показан на рис. 10. Здесь же видны закрепленные на передней стенке стрелочный прибор Р1, светодиоды HL1 и HL2, кнопка S1, резистор R12 и пакетный переключатель S2.

Рис.9

Рис.10

Ферритовые кольцевые сердечники для сетевого фильтра взяты из старого блока питания компьютера и затем обмотаны до заполнения проводом в изоляции. Можно использовать дроссели и другого типа, но тогда потребуется внести необходимую правку в печатную плату.

Уже перед самой установкой блока управления на печь, в разрыв одного из проводников, идущих от фильтра к трансформатору был впаян обрывной резистор. Его цель не столько защищать БП, сколько понизить добротность резонансного контура, получающегося при шунтировании первичной обмотки трансформатора конденсатором С9.

Предохранитель F1 впаян на вводе 220 В в плату (установлен вертикально).

Трансформатор питания подойдёт любой, мощностью более 3…5 Вт и с напряжением на вторичной обмотке в пределах 10…17 В. Можно и с меньшим, то тогда потребуется установка реле на более низкое рабочее напряжение срабатывания (например, пятивольтовое).

Операционный усилитель ОР1 можно заменить на LM358, транзистор VT1 на близкий по параметрам, имеющий статический коэффициент передачи тока более 50 и рабочий ток коллектора более 50…100 мА (КТ3102, КТ3117). На печатной плате разведено место и для установки транзистора в smd исполнении (ВС817, ВС846, ВС847).

Резисторы R3 и R4 сопротивлением 50 кОм - это 4 резистора номиналом 100 кОм, по два "в параллель".

R15 и R16 припаяны к выводам светодиодов HL1, HL2.

Реле К1 – OSA-SS-212DM5. Резистор R19 набран из нескольких последовательно включенных для того, чтобы не перегревался.

Переменный резистор R12 – RK-1111N.

Кнопочный переключатель S1 – КМ1-I. Пакетный выключатель S2 – ПВ 3-16 (исполнение 1) или подобный из серии ПВ или ПП под нужное количество полюсов.

Симистор VS1 – ТС132-40-10 или другой из серий ТС122…142, подходящий по току и напряжению. Элементы R20, R21, R22 и C10 распаяны навесным монтажом на выводах симистора. Радиатор взят из старого компьютерного блока питания.

В качестве стрелочного электроизмерительного прибора Р1 подойдёт любой подходящего размера и с чувствительностью до 1 мА.

Проводники, идущие от термопары к блоку управления сделаны максимально короткими и выполнены в виде симметричной четырёхпроводной линии (как описано здесь ).

Силовой вводной кабель имеет сечение жил около 1,5 кв.мм.

Наладка и настройка

Отлаживать схему лучше поэтапно. Т.е. запаять элементы выпрямителя со стабилизаторами напряжения – проверить напряжения. Спаять электронную часть, подключить термопару – проверить пороги срабатывания реле (на этом этапе понадобится или какой-то нагревательный элемент, подключенный к внешнему дополнительному блоку питания (рис.11), или хотя бы свеча или зажигалка). Затем распаять всю силовую часть и, подключив нагрузку (например, электрическую лампочку (рис.12 и рис.13)) убедиться, что блок управления поддерживает выставленную температуру, включая и выключая лампочку.

Рис.11

Рис.12

Рис.13

Настройка может понадобиться только в усилительной части – здесь главное, чтобы напряжение на выходе ОР1.1 при максимальном нагреве термопары не превышало уровня 2,5 В. Поэтому если выходное напряжение велико – то его следует понизить изменением коэффициента усиления каскада (уменьшив сопротивление резисторов R3 и R4). Если же используется термопара с малым выходным значением ЭДС и напряжение на выходе ОР1.1 получается небольшим – то в этом случае нужно увеличить коэффициент усиления каскада.

Номинал подстроечного резистора R7 зависит от чувствительности применяемого прибора Р1.

Можно собрать вариант блока управления без индикации напряжения и, соответственно, без режима предварительной установки нужного температурного порога – т.е. удалить из схемы S1, Р1 и R7 и тогда для выбора температуры следует сделать риску на ручке резистора R12 и на корпусе блока нарисовать шкалу с температурными отметками.

Провести калибровку шкалы несложно – на нижних пределах это можно сделать с помощью термофена паяльника (но нужно как можно больше прогревать термопару, чтобы её длинные и относительно холодные выводы не остужали место термоспая). А более высокие температуры можно определить по плавлению разных металлов в камере печи (рис.14) – процесс это относительно долгий, так как требуется изменять установки малым шагом и давать печи достаточное время для прогрева.

Рис.14

Фото, показанное на рис. 15, сделано при первых включениях в мастерской. Температурная калибровка ещё не была сделана, поэтому шкала прибор чистая – в дальнейшем на ней появится множество разноцветных меток, нанесённых маркером прямо на стекло.

Рис.15

Через некоторое время владелец печи позвонил и пожаловался на то, что перестал загораться красный светодиод. При проверке оказалось, что он вышел из строя. Скорее всего, это произошло из-за того, что при последнем включении проверялись возможности печи и камера, со слов владельца, нагревалась до белого цвета. Светодиод заменили, блок управления переносить не стали – во-первых, может быть, дело было и не в перегреве блока управления, а во-вторых, больше таких экстремальных режимов не будет, так как нужды в таких температурах нет.

Андрей Гольцов, r9o-11, г. Искитим, лето 2017

Список радиоэлементов

Обозначение Тип Номинал Количество ПримечаниеМагазинМой блокнот
OP1 Операционный усилитель
LMV722
1 возможна замена на LM358Поиск в LCSCВ блокнот
VR1 Линейный регулятор
LM78L05
1 Поиск в LCSCВ блокнот
VR2 ИС источника опорного напряжения
TL431
1 Поиск в LCSCВ блокнот
VT1 Биполярный транзистор
КТ315В
1 Поиск в LCSCВ блокнот
HL1 Светодиод
АЛ307ВМ
1 Поиск в LCSCВ блокнот
HL2 Светодиод
АЛ307АМ
1 Поиск в LCSCВ блокнот
VD1...VD5 Выпрямительный диод
1N4003
5 Поиск в LCSCВ блокнот
VS1 Тиристор & Симистор
ТС132-40-12
1 Поиск в LCSCВ блокнот
R1, R2, R5, R6, R9, R17 Резистор
1 кОм
6 smd 0805Поиск в LCSCВ блокнот
R3, R4 Резистор
100 кОм
4 см. текстПоиск в LCSCВ блокнот
R8, R10, R11 Резистор
15 кОм
3 smd 0805Поиск в LCSCВ блокнот
R13 Резистор
51 Ом
1 smd 0805Поиск в LCSCВ блокнот
R14 Резистор
1.5 МОм
1 smd или МЛТ-0,125Поиск в LCSCВ блокнот
R15, R16 Резистор
1.2 кОм
2 МЛТ-0,125Поиск в LCSCВ блокнот
R18 Резистор
510 Ом
1 smd 0805Поиск в LCSCВ блокнот
R19 Резистор
160 Ом
1 smd 0805, см. текстПоиск в LCSCВ блокнот
R20 Резистор
300 Ом
1 МЛТ-2Поиск в LCSCВ блокнот
R21 Резистор
360 Ом
1 МЛТ-2Поиск в LCSCВ блокнот
R22 Резистор
36 Ом
1 МЛТ-2Поиск в LCSCВ блокнот
R7 Подстроечный резистор47 кОм1 Bourns 3362 или smd PVZ3A 50 кОмПоиск в LCSCВ блокнот
R12 Переменный резистор2 кОм1 RK-1111NПоиск в LCSCВ блокнот
C4, C5 Конденсатор100 нФ2 smd 0805Поиск в LCSCВ блокнот
C8, C9 Конденсатор200 нФ, ~250/275 В2 МКРПоиск в LCSCВ блокнот
C10 Конденсатор47 нФ, 630 В1 К73-17 или подобныйПоиск в LCSCВ блокнот
C1, C2, C3 Электролитический конденсатор100 мкФ, 6.3 В3 К53-14Поиск в LCSCВ блокнот
C6 Электролитический конденсатор10 мкФ, 6.3 В1 К53-1АПоиск в LCSCВ блокнот
С7 Электролитический конденсатор470 мкФ, 25 В3 DIP-исполнениеПоиск в LCSCВ блокнот
L1, L2 Катушка индуктивности100 мкГн2 см. текстПоиск в LCSCВ блокнот
K1 РелеOSA-SS-212DM51 см. текстПоиск в LCSCВ блокнот
S1 Кнопочный переключательКМ1-I1 Поиск в LCSCВ блокнот
S2 Пакетный выключательПВ 3-161 см. текстПоиск в LCSCВ блокнот
Tr1 Трансформатор220 В/12 В1 Поиск в LCSCВ блокнот
Добавить все

Скачать список элементов (PDF)

Прикрепленные файлы:

Опубликована: Изменена: 10.09.2017 0 0
Я собрал 0 3
x

Оценить статью

  • Техническая грамотность
  • Актуальность материала
  • Изложение материала
  • Полезность устройства
  • Повторяемость устройства
  • Орфография
0

Средний балл статьи: 4.9 Проголосовало: 3 чел.

Комментарии (9) | Я собрал (0) | Подписаться

0
Публикатор #
На форуме автоматически создана тема для обсуждения статьи.
Ответить
0
Falconist #
Отличная статья. Респект!
Ответить
+1
otest #
На схеме оЧепятка.
Установка температуры R12
Ответить
0

[Автор]
r9o-11 #
Точно. Спасибо. Попробую поправить...
Ответить
0
bodjav #
Я так посмотрел, смотрю название "Электроника для муфельной печи" - думаю сейчас опять напихают кучу микроконтроллеров без надобности, а не тут то было. Автор Молодец!!! всё просто и надежно.
Ответить
0
Smelter2 #
В целом зачёт. Но зачем тут симистор? На нём до 30 Ватт выделяется (радиатор, нагрев устройства, охлаждение, цена...). Реле на 16-20 ампер компактное, дешевое и сердитое. Даже обеспечивает гальваническую развязку.
Ответить
0

[Автор]
r9o-11 #
Так схема делалась не для "зачётности" - детали выбирались с учётом того, что могло понадобиться фазоимпульсное управление.
Ответить
0
Smelter2 #
Но оно не понадобилось, а геммор решено сохранить. Теперь понятно назначение мощного фильтра по входу. ФИ на 2,6 кВт - источник помех.
Ответить
0

[Автор]
r9o-11 #
Гемор - это как раз поиски сильноточного реле, так как его нет. А тут руку протянул до тумбочки - и опана, симисторы разные ещё с советских времён лежат :-) . Ну, а у кого реле лежат - тому проще с реле собрать...
И эпопея с печкой ещё не закончилась, мало ли как всё повернётся... Кстати, симистор не так уж и греется - точно оценить трудно, но примерно до температуры корпуса (металлической коробки), который нагревается от самой печи градусов до 40-50.
Ответить
Добавить комментарий
Имя:
E-mail:
не публикуется
Текст:
Защита от спама:
В чем измеряется сила тока?
Файлы:
 
Для выбора нескольких файлов использйте CTRL

Радиореле 220В
Радиореле 220В
Катушка Тесла Конструктор УНЧ 60 Вт на LM3886
вверх