Водонагреватель для дачи. Блок автоматики

Покупать водонагреватель или нет - каждый решает для себя сам.

По просьбе друга мне пришлось сделать простой терморегулятор для его водонагревателя на даче. Занимался я этим впервые, и теперь могу поделиться своим скромным опытом.
Надеюсь, это будет интересно тем, кто захочет сделать подобный регулятор в первый раз.

↑ 1. Техническое задание

Поскольку заказчик не мог внятно сказать, что ему нужно, пришлось придумывать его самому.
Диапазон регулировки.
Комфортную температуру воды я определил, когда влез под душ со спиртовым термометром. Диапазон, с некоторым запасом оказался +30…40 градусов.

Мощность нагревателя.
Мощность ТЭНа я выбрал 1 кВт из следующих соображений: обычная электроарматура (контакты, провода и т. п.) рассчитана на 6 А. Надо учитывать ограничение потребления мощности на даче. Затем, надо учесть, что воду надо не кипятить, не превращать её в пар, на что уходит львиная доля мощности, а просто подогреть.
Выбор, например, нагревателя мощностью от 2 кВт привёл бы к тому, что монтаж надо было бы делать толстыми жесткими проводами, расчитаными на ток от 10 А. Кроме того, потребовался бы теплоотвод большего размера, а мне хотелось сделать малогабаритное устройство.

Электробезопасность.
Хорошее заземление сделать не так просто. И единственной надежной защитой при пользовании душем может быть только полное отключение нагревателя от электросети. Исходя из этого, выбиралась конструкция – перед приёмом душа устройство надо выдернуть из розетки. Дополнительная степень защиты – сетевой выключатель с размыканием обоих проводов. Кроме того, должна быть полная гальваническая развязка датчика температуры и платы управления от сети. Понятно, что гарантировать изоляцию ТЭНа мы не можем, тем не менее, надо принять все меры по уменьшению возможности поражения током даже при грубых нарушениях техники безопасности пользователем. Здесь надо включать УЗО, но это выходит за пределы нашей темы.

↑ 2. Схема терморегулятора

Схема известна уже не один десяток лет, а то, что она практически не меняется, говорит об её эффективности. Та же схема, с минимальными изменениями, годится для аквариумов, регулировки температуры воздуха и т. п.

С учетом современной элементной базы, следует применять малогабаритные герметичные силовые трансформаторы, оптронную развязку, индикаторные светодиоды, компараторы на микросхемах, силовые симисторы. Не следует применять механические реле, компараторы на транзисторах, трансформаторы, боящиеся влаги.

Выбор компаратора 521СА3 обусловлен тем, что они еще встречаются в заначках радиолюбителей, а найти им применение трудно. При их отсутствии на плату легко поставить функциональный аналог LM311 в корпусе miniDIP — он занимает гораздо меньше места и доработка платы не вызовет трудностей.
Симистор на 800 В и 25 А выбран не только из соображений запаса по току, но и из-за того, что он имеет изолированный металлический фланец. Это позволило обеспечить хороший тепловой контакт при гарантированной изоляции без изолирующих прокладок не менее 2500 В.
Монтаж сознательно сделан на двух платах — «низковольтной» и «высоковольтной». Это сделало настройку удобнее и безопаснее.

↑ 3. Настройка

В качестве термодатчика был выбран терморезистор ММТ-4 номиналом 6,2 кОм. Во-первых, он был в наличии и не дефицитен, во-вторых, имеет герметичную конструкцию, в третьих, номинал в единицы кОм является оптимальным.


Далее пришлось снова брать спиртовой термометр, стакан с горячей водой, окунать в неё терморезистор и записывать зависимость сопротивления от температуры. Сразу выяснилось, что изоляция выводов резистора от воды совершенно необходима, иначе результаты будут непредсказуемы.
Вот таблица с результатами моих измерений электрически изолированного от воды терморезистора.

Обратите внимание, что зависимость нелинейна, но с учетом узкого температурного диапазона, этой нелинейностью при изготовлении шкалы можно пренебречь.

↑ 4. Конструктив

Прибор собран в стандартной монтажной коробке размерами 100х100 мм.

Сверху укреплена стандартная розетка для наружной проводки, она должна обеспечивать хороший контакт с вилкой нагревательного элемента. Винты крепления розетки притягивают печатную плату, этим достигается надежное крепление.

Печатная плата. Отверстия под винты и прокладку проводов показаны на плате синим цветом.

Базой деталей в программе layout надо пользоваться осторожно. Я понадеялся на нее и допустил две ошибки — в выводах оптрона и… такого распространенного элемента, как стабилизатор 7809.
На платах у меня показано правильно, но 7809 пришлось поставить металлическим фланцем вверх (на фото видно). Я уже не говорю, что размеры деталей и выводов нередко указаны неправильно.

Шлейф от датчика удобно крепить к плате колодкой «под винт».
Сетевой провод лучше не припаивать к выключателю, а присоединить через изолированные пластиком зажимы.

Небольшая силовая плата с симистором крепится на дюралевую пластину, а сама пластина к коробке шурупами.

Эта плата для большей безопасности специально сделана дорожками вверх, подальше от металла радиатора, выводы деталей обкусаны заподлицо с платой. Симистор на плате стоит фланцем вниз, к радиатору. Его выводы пропущены вверх, сквозь плату и припаяны.
Для ровной установки платы между ней и металлическим фланцем симистора установлены шайбы.

Учитывая, что на улице возможно появление конденсата и росы, платы обработаны специальным аэрозольным составом «Plastik» Cramolin. Состав обладает высокими изоляционными свойствами, позволяет паять прямо через лак (с последующим восстановлением защитного покрытия).

Необходимо обеспечить надежную изоляцию центрального вывода терморезистора от воды, я делал это заливкой специальным составом. Корпус терморезистора изолировать тоже желательно, но не толстым слоем, чтобы не ухудшить теплопередачу.

↑ 5. Некоторые особенности

При эксплуатации нагреватель-регулятор работает, «как утюг».
Если светодиод горит – идет нагрев, если светодиод погас – нужная температура достигнута.
Но здесь есть свои особенности. Раз нет принудительного перемешивания воды, температура в баке распределяется неравномерно.

Возьмём первый цикл. Идёт нагрев. Когда вода около терморезистора и он сам прогреются до нужной температуры, вода около ТЭНа уже нагреется намного сильнее. Средняя температура будет повышена, нагрев будет неравномерным. Но через несколько циклов нагрев-остывание средняя температура будет близка к заданной. Минимизировать отклонение средней температуры в баке от заданной следует поиском оптимального взаимного положения нагревателя и датчика в баке.

Наилучшим решением для дачного душа я считаю систему из двух баков с горячей и холодной водой и стандартного смесителя. Горячая вода нагревается до 60…70 градусов. Смеситель позволит получить любую температуру, но мне была поставлена другая задача.

↑ 6. Файлы

Прилагаю файлы с рисунками плат в формате lay.
🎁Termo.zip  41.84 Kb ⇣ 64

Спасибо за внимание!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации