|
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 дополнено узлом контроля/измерения сетевого напряжения, который автоматически блокирует силовые выходы прибора в случае увеличения этого напряжения выше установленного значения. Кроме того, в устройстве предусмотрены 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, автоматическая блокировка силовых цепей при увеличении этого напряжения выше предельно допустимого значения. Оттаиватель включается периодически, с регулируемым интервалом 0,5...10 ч, 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 выключается 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 открытой а течение длительного времени 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.
При этом происходит поочередное отображение температуры испарителя, напряжения в сети, установленного значения верхнего порога напряжения до срабатывания защиты. Верхний температурный порог до отключения нагревателя, а также порог срабатывания аварийной защиты задаются при настройке прибора и на индикацию не выводятся.
Принципиальная схема прибора изображена на рис. 1. Напряжения, линейно зависящие от температуры в холодильной камере и на испарителе, снимаются с термодатчиков DA1 и DA2. Базовое для этих датчиков напряжение -2,73 В формируется микросхемой регулируемого стабилизатора напряжения DA3. Это напряжение необходимо для сдвига сигнала датчика на указанную величину и правильной работы измерителя температуры.
Далее напряжение с DA2 поступает на входы ОУ DA6.1—DA6.4, включенных в режиме компараторов. Опорные напряжения для задания порога их переключения формируются резисторами R 6—R8, R11, R12, R21, R24, R25. На основе сигналов с этих компараторов вырабатываются сигналы для управления компрессором охладителя и нагревательным элементом оттаивателя. Компараторы DA6.1 и DA6.2 определяют, соответственно, температуру выключения и включения электродвигателя компрессора.
При указанных на схеме номиналах резисторов разница между этими температурами составляет около 3 СС. С помощью сигнала с компаратора DA6.3 реализуется режим задержки включения нагревательного элемента (после выключения компрессора) до того момента, 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, С1 является задающим для циклического включения/выключения оттаивателя.
Сигнал с этого генератора поступает на вход цепочки 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 для 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, СЮ устанавливает триггер DD7.1 в требуемое состояние сразу после включения напряжения питания.
Узел защиты от перенапряжения в сети и аварийного превышения температуры испарителя собран на ОУ DA7.1— DA7.3, включенных также в режиме компараторов. Напряжение, используемое для контроля и измерения напряжения в сети, снимается с отдельной обмотки трансформатора питания Т1. Через выпрямительный мост VD10 напряжение, сглаженное конденсатором С12, 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, Р35, 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 с цепей измерения сетевого напряжения, на вход микросхемы цифрового измерителя DD12. Управление этими ключами осуществляется с помощью триггера DD8.1 и логических элементов DD10.1 — DD10.3.
Рассмотрим более подробно работу устройства. При начальном включении, когда температура испарителя выше значения, заданного резистором R7, на прямом выходе триггера DD6.1 присутствует сигнал лог. 1, 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 DA6.1, происходит переключение триггера DD6.2 и 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, поступает на логический элемент DD4.3 и далее через триггер DD6.2 на логические элементы DD1.3, DD1.4 блокировки запуска счетчика DD5.
Теперь рассмотрим работу устройства в режиме, когда уже пришел сигнал лог. 1 с таймера включения оттаивателя на счетчике DD3. Если в этот момент компрессор включен, то на выводе 6 триггера DD6.1 будет уровень лог 0, блокирующий через резистор R54 прохождение этой лог. 1 на вход 8 логического элемента DD1.3. Таким образом, на выходе логического элемента DD1.4 сохранится уровень лог. 0, 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 и триггер DD6.2 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 устройства). Как только логические элементы DD1.3, DD1.4 переключатся, счетчик DD5 обнулится сигналом лог. 1 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 в начале работы при включении питания. Через несколько минут (время задержки до включения компрессора после отключения оттаивателя) счетчик DD5 перейдет в единичное состояние, через диод VD16 заблокируется в этом состоянии и более не будет оказывать влияния на работу устройства до прихода сигнала обнуления с выхода логического элемента DD1.4. Диод VD12 служит для развязки сигналов лог. 1 с инверсного вывода триггера DD6.1 и лог. 0 с вывода 3 счетчика DD5. Через диод VD13 на вход триггера DD6.2 поступает сигнал запрещения работы счетчика DD5 при включенном компрессоре. Диоды VD18, VD19 служат для блокировки одновременного включения реле К1 и К2 при внештатных ситуациях.
Узел контроля и защиты от превышения 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 включается светодиод HL1. Для наглядности HL1 работает в мигающем режиме, необходимый для этого сигнал снимается с вывода 13 счетчика DD2.2. На выходе логического элемента DD4.4 появляется уровень лог. О, и транзисторы VT1, VT2 блокируют включение реле К1, К2. При этом ключ DD9.1, обеспечивающий прохождение напряжения с термодатчика DA1 на измерительную часть прибора, размыкается, а ключ DD9.2 замыкается, и далее через замкнутые ключи DD9.3, DD11.1, DD11.3 на вход измерителя поступает напряжение, пропорциональное сетевому. Обратное переключение триггера DD8.1 произойдет лишь при снижении напряжения в сети до уровня, соответствующего порогу срабатывания компаратора DA7.1. Если напряжение в сети меньше значения, необходимого для срабатывания компаратора DA7.1, можно его принудительно переключить нажатием и удержанием кнопки SB1. при этом прибор также перейдет на отображение значения напряжения сети и сработает аварийная защита.
Защита от аварийного превышения температуры осуществляется узлом на термодачике R38, компараторе DA7.3 и элементах R37—R41, С1Э. 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 импульсов, формируемых на выводе 1 1 счетчика DD2.2. Элемент DD4.4 при этом блокирует силовые цепи.
При нажатии и удержании кнопки SB2 происходит переключение логического элемента DD10.1, в результате ключ DD9.3 размыкается, а ключ DD9.4 замыкается, что обеспечивает прохождение на вход измерителя напряжения порога переключения компаратора DA7.1 и, следовательно, он отображает значение напряжения в сети, при котором сработает защита. Аналогично работает узел на элементах DD10.2, DD11.1, DD11.2, только здесь производится переключение кнопкой S B3 между действующим и задаваемым значением температуры испарителя. И наконец, узел на элементах DD10.3, DD11.3, DD11.4 служит для переключения кнопкой SB4 индикации температуры в камере, измеряемой термодатчиком DA1, и температуры 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 рис. 1, 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 СПЗ-45 и другие. Конденсаторы С7, С12—С16 —оксидные К50-35 или их малогабаритные зарубежные аналоги, С22—С24 — К73-17, остальные — керамические. Микросхема DD12 КР572ПВ2А заменима на ICL7107. Электромагнитные реле К1, К2 следует использовать с напряжением срабатывания 12 В и соответствующим рабочим током. Трансформатор питания Т1 мощностью около 15 Вт имеет две вторичных обмотки, одна из которых — обмотка питания с отводом от середины — имеет выходные напряжения 2/12 В при токе до 1,5 А, 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 5 В). Максимальный ток, на который рассчитана эта обмотка, как и ток диодного моста VD10, может быть практически любым. Для обеспечения надежной работы устройства первичную обмотку трансформатора желательно намотать с запасом по напряжению , чтобы при увеличении напряжения в сети выше номинального трансформатор не перегревался.
Налаживание устройства начинают с установки подстроечным резистором R20 напряжения на выходе интегрального стабилизатора DA3, равного -2,73 В. 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, 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 сопротивления подстроечного 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 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 должен выключиться, а нагрузка включиться (если, конечно, напряжение в сети не превышает предельно допустимого значения). Установку максимальной температуры резистора R38, при которой сработает защита, осуществляют подстроечным резистором R40. Оперативную регулировку температуры испарителя производят в процессе работы переменным резистором R7. При необходимости подбором резисторов R12, R21, можно изменить разницу между температурой включения и выключения компрессора, а также включения нагревательного элемента. Резистором R1 задают время до срабатывания оттаивателя.
В заключение следует отметить, что при необходимости логика работы автомата может быть изменена. Так, в некоторых случаях, например, при использовании устройства в холодильных витринах требуется, чтобы 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. Чтобы реализовать такой режим работы, в устройстве достаточно отключить инверсный вход ОУ DA6.2 (вывод 6) от других элементов и подключить его к выводу 2 термодатчика DA1.
Литература:
1. В. С. Гутников. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Изд. второе. — Л.: Энергоатомиздат, 1988.
2. С. А. Бирюков. Устройства на микросхемах. Цифровые измерительные приборы, источники питания, любительские конструкции. — М.: Символ-Р. 1998.
 |