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Termostato per saldatura di materie plastiche
Descrizione del design semplice e affidabile di un regolatore di temperatura per la saldatura di materie plastiche, ad esempio telai in plastica.
Termostati. Appuntamento e ambito
Sembrerebbe una cosa semplice regolatore di temperaturae il suo scopo principale è mantenere una determinata temperatura. Ma ci sono molte aree tecnologiche o semplicemente famiglie in cui una temperatura stabile dovrebbe essere mantenuta e in un intervallo abbastanza ampio.
Ad esempio, potrebbe essere pavimento caldo, un acquario con pesci rossi, un incubatore per rimuovere i pulcini, un camino elettrico o caldaia in bagno. In tutti questi casi, la temperatura deve essere mantenuta diversa. Ad esempio, per i pesci d'acquario, a seconda del loro tipo, la temperatura dell'acqua nell'acquario può essere nell'intervallo 22 ... 31 ° C, nell'incubatrice tra 37 ... 38 ° C e in un camino elettrico o una caldaia circa 70 ... 80 ° C.
Esistono anche regolatori di temperatura che mantengono la temperatura nell'intervallo da cento a mille o più gradi. La creazione di un regolatore di temperatura con un intervallo da diversi gradi a diverse migliaia è impraticabile; il design si rivelerà troppo complicato e costoso e persino, molto probabilmente, non operativo. Pertanto, i termostati vengono prodotti, di regola, in un intervallo di temperatura abbastanza stretto.
Molti processi utilizzano anche i termoregolatori. Questa apparecchiatura di saldatura, macchine per lo stampaggio ad iniezione per lo stampaggio di prodotti in plastica, attrezzature per la saldatura di tubi di plastica, così alla moda di recente, e non meno popolari finestre di plastica.
I moderni termoregolatori di produzione industriale sono piuttosto complessi e precisi, realizzati, di regola, sulla base di microcontrollori, hanno un'indicazione digitale delle modalità operative e possono essere programmati dall'utente. Ma abbastanza spesso c'è bisogno di progetti meno complessi.
Questo articolo descriverà costruzione di un termoregolatore abbastanza semplice e affidabile, disponibile per la produzione in un'unica produzione, ad esempio nei laboratori elettrici di fabbrica. Diverse dozzine di questi dispositivi sono stati utilizzati con successo in macchine per la saldatura di telai di plastica. A proposito, anche le macchine stesse sono state prodotte in un unico ambiente di produzione.
Descrizione dello schema elettrico
Il design del termostato è abbastanza semplice, grazie all'uso del chip K157UD2, che è un doppio amplificatore operazionale (OA). Un pacchetto DIP14 contiene due amplificatori operazionali indipendenti, che combinano solo pin di alimentazione comuni.
Lo scopo di questo chip è principalmente l'apparecchiatura di amplificazione del suono, come mixer, crossover, registratori e vari amplificatori. Pertanto, gli amplificatori operazionali sono caratterizzati da un basso livello di rumore, che consente anche di usarlo come amplificatore per segnali di termocoppia, il cui livello è solo di poche decine di millivolt. Con lo stesso successo, è possibile utilizzare il chip K157UD3. In questo caso, non sono necessarie modifiche e impostazioni.
Nonostante la semplicità del circuito, il dispositivo mantiene una temperatura entro 180 ... 300 C ° con una tolleranza non superiore al 5%, il che è abbastanza per una saldatura di plastica di alta qualità. Potenza del riscaldatore 400 watt. Il diagramma schematico del termoregolatore è mostrato nella Figura 1.
Figura 1. Diagramma schematico di un regolatore di temperatura (facendo clic su un'immagine si aprirà un circuito in scala più grande).
Funzionalmente, il termostato è costituito da diversi nodi: un amplificatore di segnale a termocoppia sull'amplificatore operazionale DA1.1, comparatore sull'amplificatore operazionale DA1.2, lanciatori triac sul transistor VT1 e sul dispositivo chiave di uscita realizzato sul triac T1. Questo triac include un carico, indicato nel diagramma come EK1.
termocoppia
Misurazione della temperatura usando una termocoppia BK1.Il design utilizza una termocoppia di TIPO K con una termo-emf di 4 μV / ° C. A una temperatura di 100 ° C, la termocoppia sviluppa una tensione di 4.095 mV, a 200 ° C 8.137 mV e a 260 ° C 10.560 mV. Questi dati sono presi da una tabella di calibrazione della termocoppia compilata empiricamente. Le misurazioni sono state eseguite con compensazione della temperatura della giunzione fredda. Termocoppie simili vengono utilizzate in multimetri digitali con misuratori di temperatura, ad esempio DT838. È anche possibile l'uso della termocoppia a filo 2-38 TMDT. Tali termocoppie sono attualmente in vendita.
Amplificatore Thermo-EMF
L'amplificatore del segnale della termocoppia sull'amplificatore operazionale DA1.1 è progettato secondo un circuito di amplificazione differenziale. Questa inclusione dell'amplificatore operazionale consente di eliminare le interferenze di modo comune, necessarie per amplificare un segnale di termocoppia debole.
Il guadagno dell'amplificatore differenziale è determinato dal rapporto tra la resistenza dei resistori R3 / R1 e ai valori indicati sul diagramma è 560. Pertanto, all'uscita dell'amplificatore a una temperatura di 260 ° C, la tensione dovrebbe essere 10.560 * 560 = 5913.6 mV o 5.91 V. A questo implica che R1 = R2 e R3 = R4.
Per modificare il guadagno, ad esempio quando si utilizza un diverso tipo di termocoppia, è necessario cambiare due resistori contemporaneamente. Molto spesso questo viene fatto sostituendo le resistenze R3 e R4. All'ingresso dell'amplificatore e nel circuito di retroazione, sono installati i condensatori C1 ... C4, il cui scopo è la protezione dalle interferenze e la formazione della risposta in frequenza necessaria dell'amplificatore.
Questo circuito non fornisce un circuito di compensazione della temperatura del giunto freddo. Ciò ha permesso di semplificare significativamente il circuito, sebbene non venga preso in considerazione quando si misura la temperatura dell'elemento riscaldante rispetto alla semplificazione del circuito.
Dispositivo di confronto - comparatore
Il monitoraggio della temperatura di riscaldamento viene effettuato utilizzando un comparatore (dispositivo di confronto), eseguito sul sistema operativo DA1.2. La soglia del comparatore viene impostata utilizzando la resistenza di sintonia R8, la tensione dalla quale attraverso la resistenza R7 viene fornita all'ingresso non invertente del comparatore (pin 2).
Usando i resistori R9 e R6, vengono impostate rispettivamente le soglie superiore e inferiore del setpoint della temperatura La tensione della termocoppia amplificata viene alimentata attraverso il resistore R5 attraverso l'ingresso di inversione del comparatore (pin 3). L'amplificazione è stata menzionata un po 'più in alto.
La logica del comparatore
Mentre la tensione all'ingresso invertente è inferiore a quella non invertente, la tensione in uscita del comparatore è alta (quasi + 12V). Nel caso in cui la tensione dell'ingresso invertente sia superiore all'uscita non invertente del comparatore -12V, che corrisponde a un livello basso.
Dispositivo di innesco del triac
Il dispositivo di innesco triac sul transistor VT1 è realizzato secondo lo schema del classico generatore di blocchi, che può essere visto in qualsiasi libro di testo o di riferimento. La sua unica differenza rispetto al circuito classico è che la polarizzazione alla base del transistor viene fornita dall'uscita del comparatore, che consente di controllarne il funzionamento.
Quando l'uscita del comparatore è alta, quasi + 12V, viene applicato un offset alla base del transistor e il generatore di blocco genera impulsi brevi. Se l'uscita del comparatore è bassa, -12V, una polarizzazione negativa blocca il transistor VT1, quindi la generazione di impulsi si interrompe.
Il trasformatore del generatore di blocco Tr1 è avvolto su un anello di ferrite del marchio K10 * 6 * 4 da ferrite NM2000. Tutti e tre gli avvolgimenti contengono 50 giri di filo PELSHO 0,13.
L'avvolgimento viene effettuato tramite navetta in tre fili contemporaneamente in modo che l'inizio e la fine degli avvolgimenti siano diametralmente opposti. Ciò è necessario per facilitare l'installazione del trasformatore sulla scheda. L'aspetto del trasformatore è mostrato nella Figura 4 alla fine dell'articolo.
Funzionamento termostato
Quando il termostato viene acceso fino a quando la termocoppia non viene riscaldata, la tensione di uscita DA1.1 è zero, o solo pochi millivolt in più o meno.Ciò è dovuto al fatto che K157UD2 non ha conclusioni per il collegamento di una resistenza di bilanciamento del trim, con la quale sarebbe possibile impostare con precisione la tensione di uscita zero.
Ma, per i nostri scopi, questi millivolt di uscita non fanno paura, poiché il comparatore è sintonizzato su una tensione più alta, dell'ordine di 6 ... 8 V. Pertanto, a qualsiasi impostazione del comparatore in questo stato, la sua uscita ha un livello alto, circa + 12V, che avvia il generatore di blocco su transistor VT1. Gli impulsi dall'avvolgimento III del trasformatore Tr1 aprono il triac T1, che include un elemento riscaldante EK1.
Insieme ad essa, anche la termocoppia inizia a riscaldarsi, quindi la tensione all'uscita dell'amplificatore DA1.1 aumenta con l'aumentare della temperatura. Quando questa tensione raggiunge il valore impostato dalla resistenza R8, il comparatore passa in uno stato basso, che arresta il generatore di blocco. Pertanto, il triac T1 si chiuderà e spegnerà il riscaldatore.
Insieme ad essa, la termocoppia si raffredda, la tensione all'uscita di DA1.1 diminuirà. Quando questa tensione diventa leggermente inferiore alla tensione sul motore del resistore R8, il comparatore passerà di nuovo ad un livello elevato in uscita e accenderà di nuovo il generatore di blocco. Il ciclo di riscaldamento verrà ripetuto di nuovo.
Per il controllo visivo del termostato, vengono forniti i LED HL1 verde e HL2 rosso. Quando l'elemento di lavoro viene riscaldato, il LED rosso si accende e quando viene raggiunta la temperatura impostata, quella verde si accende. Per proteggere i LED dalla tensione inversa, i diodi di protezione VD1 e VD2 di tipo KD521 sono collegati in parallelo con essi nella direzione opposta.
Design. Circuito stampato
Quasi l'intero circuito insieme alla fonte di alimentazione è realizzato su un circuito stampato. Il design del circuito stampato è mostrato nella Figura 2.
Figura 2. Circuito del termostato (quando si fa clic sull'immagine, il circuito si aprirà su una scala più grande).
Dimensioni PCB 40 * 116 mm. La scheda è stata realizzata utilizzando la tecnologia di stiratura laser utilizzando il programma di disegno del circuito stampato con layout Sprint 4. Per realizzare una scheda a circuito stampato dal disegno sopra menzionato, è necessario eseguire diversi passaggi.
In primo luogo, converti l'immagine nel formato * .BMP, incollala nella finestra di lavoro del layout di sprint 4. In secondo luogo, disegna semplicemente le linee delle tracce stampate. In terzo luogo, stampare su una stampante laser e procedere con la fabbricazione del circuito stampato. Il processo di fabbricazione della scheda è già stato descritto. in uno degli articoli. Le linee verdi sulla scheda indicano il cablaggio degli avvolgimenti sugli anelli di ferrite. Questo sarà discusso di seguito.
Oltre all'attuale regolatore di temperatura, la scheda contiene anche una fonte di alimentazione, che a prima vista può sembrare irragionevolmente complessa. Ma una soluzione del genere ci ha permesso di eliminare il problema di trovare e acquisire un trasformatore di rete a bassa potenza e un'ulteriore "carpenteria" per risolverlo nel caso. Il circuito di alimentazione è mostrato in Figura 3.
Figura 3. L'alimentatore per il termoregolatore (quando si fa clic sull'immagine, si aprirà uno schema più grande).
Alcune parole dovrebbero essere dette su questo blocco separatamente. Il circuito fu sviluppato da V. Kuznetsov e originariamente era destinato all'alimentazione di dispositivi a microcontrollore, dove si rivelò abbastanza affidabile durante il funzionamento. Successivamente, è stato utilizzato per alimentare il termostato.
Lo schema è abbastanza semplice. La tensione di rete attraverso il condensatore di spegnimento C1 e la resistenza R4 viene fornita al ponte raddrizzatore VDS1, costituito da diodi 1N4007. L'ondulazione della tensione rettificata viene attenuata dal condensatore C2, la tensione viene stabilizzata dall'analogo di un diodo zener realizzato su un transistor VT3, un diodo zener VD2 e un resistore R3. Il resistore R4 limita la corrente di carica del condensatore C2 quando il dispositivo è collegato alla rete e il resistore R5 scarica il condensatore di zavorra C1 quando è scollegato dalla rete. Transistor VT3 tipo KT815G, diodo Zener VD2 tipo 1N4749A con una tensione di stabilizzazione di 24 V, potenza 1 W.
La tensione sul condensatore C2 viene utilizzata per alimentare un oscillatore push-pull realizzato su transistor VT1, VT2. I circuiti di base dei transistor sono controllati da un trasformatore Tr1. Il diodo VD1 protegge le transizioni di base dei transistor dagli impulsi di autoinduzione negativi degli avvolgimenti del trasformatore Tr1. Transistor VT1, VT2 tipo KT815G, diodo VD1 KD521.
Un trasformatore di "potenza" Tr2 è incluso nei circuiti collettori dei transistor, dagli avvolgimenti di uscita IV e V di cui si ottengono tensioni per alimentare l'intero circuito. La tensione di impulso all'uscita del trasformatore viene rettificata da diodi ad alta frequenza del tipo FR207, livellati dai filtri RC più semplici e quindi stabilizzati a livello di 12V dai diodi Zener VD5, VD6 del tipo 1N4742A. La loro tensione di stabilizzazione è di 12V, la potenza è di 1W.
La fasatura degli avvolgimenti è mostrata nel diagramma come di consueto: il punto indica l'inizio dell'avvolgimento. Se durante l'assemblaggio la fase non viene confusa, quindi l'alimentazione non richiede alcuna regolazione, inizia a funzionare immediatamente.
Il design dei trasformatori Tr1 e Tr2 è mostrato nella Figura 4.
Figura 4. Vista del gruppo scheda.
Entrambi i trasformatori (Figura 3) sono realizzati su anelli di ferrite di ferrite del marchio più comune НМ2000. Il trasformatore Tr1 contiene tre avvolgimenti identici di 10 giri su un anello di dimensioni K10 * 6 * 4 mm. Gli avvolgimenti sono avvolti da una navetta a tre fili contemporaneamente. I bordi taglienti dell'anello dovrebbero essere opacizzati con carta vetrata e l'anello stesso dovrebbe essere avvolto con uno strato di normale nastro adesivo. Per resistenza meccanica, il trasformatore viene avvolto con un filo PEV - 2 0,33 sufficientemente spesso, sebbene sia possibile utilizzare anche un filo più sottile.
Anche il Transformer Tr2 è realizzato sull'anello. Le sue dimensioni sono K10 * 16 * 6 mm: a una frequenza operativa di 40 kilohertz, 7 watt di potenza possono essere rimossi da un tale anello. Gli avvolgimenti I e II sono avvolti con un filo PELSHO - 0,13 in due fili e contengono 44 giri. In cima a questi avvolgimenti c'è un avvolgimento di feedback III, che contiene 3 giri di filo PEV - 2 0,33. L'uso di un filo così spesso assicura anche il trasformatore alla scheda.
Anche gli avvolgimenti secondari IV e V sono avvolti in due fili e contengono 36 giri di filo cucito-2 0,2. Secondo lo schema della Figura 3, questi avvolgimenti sono sigillati sulla scheda anche senza continuità: gli inizi di entrambi gli avvolgimenti sono sigillati insieme su un filo comune e le estremità degli avvolgimenti sono semplicemente collegate ai diodi VD3 e VD4. La posizione relativa degli avvolgimenti è visibile nella Figura 4.
Nella figura del circuito stampato (Figura 2 all'inizio dell'articolo), gli avvolgimenti di tutti i trasformatori sono indicati da linee verdi. Gli inizi e le estremità degli avvolgimenti su anelli di piccolo diametro sono diametralmente opposti, quindi dovresti prima saldare i tre fili dell'inizio nella scheda, quindi, naturalmente, suonando gli avvolgimenti con un tester, le estremità degli avvolgimenti.
Vicino ai percorsi di stampa in cui il trasformatore Tr2 è sigillato, è possibile vedere i punti che mostrano l'inizio degli avvolgimenti I, II e III. L'avvolgimento di uscita, come menzionato sopra, è sigillato anche senza continuità: inizia insieme su un filo comune e le estremità ai diodi raddrizzatori.
Se questa opzione dell'alimentatore sembra complicata o semplicemente non vuole rovinarla, allora può essere fatta secondo lo schema mostrato nella Figura 5.
Figura 5. L'alimentatore è una versione semplificata.
In questo alimentatore, è possibile utilizzare un trasformatore di rete step-down con una capacità non superiore a 5 watt con una tensione di uscita di 14 ... 15 V. Il consumo di energia è ridotto, quindi il raddrizzatore è realizzato secondo un circuito a semionda, che ha permesso di ottenere una tensione di uscita bipolare da un avvolgimento. I trasformatori di amplificatori per antenne "polacchi" sono abbastanza adatti.
Verifica prima dell'assemblaggio finale
Come già accennato, un dispositivo correttamente assemblato non necessita di regolazione, ma è meglio verificarlo prima dell'assemblaggio finale. Prima di tutto, viene controllato il funzionamento della fonte di alimentazione: la tensione sui diodi zener dovrebbe essere di 12 V. È meglio farlo prima che il microcircuito sia installato sulla scheda.
Successivamente, è necessario collegare una termocoppia e impostare la tensione di circa 5 ... 5,5 V sul motore del resistore R8Invece di un triac, collegare un LED all'avvolgimento di uscita del generatore di blocco attraverso un resistore con una resistenza di 50 ... 100 Ohm. Dopo aver collegato il dispositivo, questo LED dovrebbe accendersi, il che indica il funzionamento del generatore di blocco.
Successivamente, dovresti riscaldare la termocoppia con almeno un saldatore: il LED dovrebbe spegnersi. Quindi, non resta che assemblare finalmente il dispositivo e impostare la temperatura richiesta con un termometro. Questo dovrebbe essere fatto quando il triac e il riscaldatore sono già collegati.
Parlando di triac. Naturalmente, puoi usare il KU208G domestico, ma non tutti questi triac sono lanciati, devi sceglierne almeno uno tra diversi pezzi. Importati molto meglio sono importati BTA06 600A. La corrente massima consentita di tale triac 6A, una tensione inversa di 600 V, che è abbastanza per l'uso nel regolatore di temperatura descritto.
Il triac è montato su un piccolo radiatore, che viene avvitato alla scheda con viti con griglie in plastica alte 8 mm. I LED HL1 e HL2 sono installati sul pannello frontale, anche i resistori R6, R8, R9 sono installati lì. Per collegare il dispositivo alla rete, riscaldatore e termocoppia, vengono utilizzati connettori terminali o semplicemente morsettiere.
Boris Aladyshkin
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