В большей части нагревательных приборов и электроплит применяются механические термостаты – устройства, обеспечивающие периодическое включение нагревательного элемента. Механический термостат является дешевым решением, но он имеет ряд существенных недостатков:
- возможность калибровки прибора только на этапе производства;
- плохая работа при низком уровне регулирования;
- низкая точность регулирования;
- большое количество механических деталей.
В этой статье рассматривается вариант замены механического термостата на электронный регулятор на микроконтроллере PIC10F204, новинке от Microchip® в 6-выводном корпусе SOT-23. Управление током через нагревательный элемент осуществляется с помощью симистора, основы управления которым также рассмотрены в статье. Для питания микроконтроллера используется бестрансформаторный источник питания.
Разработанный на Flash микроконтроллере электронный термостат может иметь ряд удобных функций: светодиодный индикатор состояния, автоматическое отключение питания и т.д.
Механический термостат
В электроплитах и нагревателях используется резистивный нагревательный элемент. Для управления нагревом используется механический термостат, который может подавать напряжение на нагревательный элемент в течении заданного времени. Он работает следующим образом:
1. Электрический контакт образуется между двумя проводниками. Для их размыкания используется биметаллическая пластина;
2. Коммутируемый ток протекает через биметаллическую пластину, вызывая ее нагрев;
3. При определенной температуре пластина изгибается и соединение размыкается;
4. После размыкания происходит охлаждение пластины и цикл повторяется.
Для управления частотой повторения используется специальный винт, с помощью которого изменяется предварительная сила сжатия контактов. Обычно на головке винта имеется ручка для выставления температуры или мощности. Ясно, что такая уставка не может быть точной. Кроме того, в процессе работы изнашиваются как сами контакты (обгорают), так и биметаллическая пластина в следствии постоянного температурного расширения-сжатия. Все это очень сильно сказывается на долговечности металлических термостатов.
Принцип работы симистора
Симистор – полупроводниковый элемент, предназначенный для коммутации нагрузки в сети переменного тока. Имеет три вывода: два силовых и управляющий. Для управления режимом работы симистора используется низковольтный сигнал, подаваемый на управляющий электрод симистора. При подачи напряжения на управляющий электрод симистор переходит из закрытого состояния в открытое и пропускает через себя ток. Все режимы работы симистора отображены на рисунке 1. Каждый квадрант соответствует определенному режиму работы симистора. Все уровни даны относительно точки МТ1.
 |
Рисунок 1. Режимы работы симистора
Рабочими квадрантами являются QI, QII и QIII, запрещенный – QIV. В этом квадранте симистор может выйти из строя, для предотвращения этого состояния используются специальные схемы защиты. Другим вариантом является работа только при негативных уровнях управляющего напряжения, т.е. в квадрантах QII и QIII.
Следует заметить, что в настоящее время многие производители полупроводников освоили производство трехквадрантных симисторов, у которых случайный переход в квадрант QIV невозможен.
В связи с тем, что симистор управляется не уровнем напряжения, а тока, возможно его подключение непосредственно к выводу микроконтроллера, ток через который может быть до 25 мА. Симистор остается в открытом состоянии до окончания полупериода коммутируемого напряжения. При переходе через нуль симистор закрывается – он оказывается в другом квадранте и для его открытия требуется следующий управляющий импульс.
Фазовое управление
Для изменения мощности, подведенной к нагрузке через симистор, может использоваться фазовое управление (рисунок 2). Сущность метода заключается в пропуске части полупериода сетевого напряжения, он аналогичен широтно-импульсной модуляции. Ток в нагрузке пропорционален интегралу от полученного сигнала. Такой режим используется в регуляторах освещенности – диммерах. Яркость свечения лампы накаливания пропорциональна площади под обрезанной синусоидой.
 |
Рисунок 2. Фазовое управление
Преимуществом этого метода является то, что частота пульсаций на нагрузке остается равной сетевой. Это важно для управления осветительными приборами, т.к. снижение частоты может сказаться на появлении мерцания, заметного глазом.
Обратной стороной являются наводки, которые могут появиться в связи с резким переключением симистора. Эти наводки плохо сказываются на электромагнитной совместимости (EMI) полученного устройства и могут вызвать ненужные переключения симистора.
Пропуск периодов
Альтернативным методом управления мощностью является метод пропуска периодов. Для регулирования тока через нагрузку симистор пропускает только часть периодов сетевого напряжения, часть периодов не пропускается. Пропуск периодов позволяет решить проблему электромагнитной совместимости, т.к. включение симистора происходит в момент перехода сетевого напряжения через нуль.
Режим пропуска периодов применим для управления резистивными нагрузками, но не применим для осветительных приборов, т.к. вызывает мигание ламп накаливания.
Для обоих методов управления мощностью необходимо знать, когда сетевое напряжение переходит через нуль. Одним из способов является подача переменного сетевого напряжения непосредственно на вход микроконтроллера через последовательный резистор в несколько МОм. Благодаря наличию защитных диодов на портах микроконтроллеров Microchip PIC®, напряжение будет ограничено: сверху – напряжением питания, снизу – уровнем GND. Существует и альтернативный способ, который используется в данной реализации.
Рассмотрим схему реализации блока управления нагрузкой на микроконтроллере Microchip PIC10F204, имеющем встроенный аналоговый компаратор (рисунок 3). Для питания микроконтроллера используется бестрансформаторный резистивный источник питания. Более подробно о расчетах таких источников можно узнать из статьи «AN954 Transformerless power supplies: resistive and capacitive». Для детектирования момента перехода сетевого напряжения через нуль достаточно использовать сигнал, снятый с анода стабилитрона. Сигнал подается через токоограничительный резистор непосредственно на вывод порта микроконтроллера.
 |
Рисунок 3. Принципиальная схема устройства
Схема управления током через нагрузку не содержит обратной связи, для установки мощности используется переменный резистор, т.е. получен электронный аналог термостата. В качестве нагрузки используется резистивный нагреватель. При сетевом питании 220В получаем действующее значение тока порядка 5А, но однако симистор необходимо выбрать с запасом рабочего тока и установить на теплоотвод. В схеме используется BTA208-600F фирмы Philips.
Для оцифровки значения переменного резистора, устанавливающего мощность, используется интегрирующий преобразователь на конденсаторе С6. Для стабилизации задающего напряжения применен стабилитрон D4 на 3В. В начале цикла преобразования вывод контроллера GP1 настраивается на выход и выдается высокий уровень. Этим уровнем заряжается конденсатор. Далее вывод конфигурируется как вход компаратора, конденсатор начинает разряжаться через переменный резистор, время разряда пропорционально значению резистора. Значение на выводе сравнивается с внутренним опорным напряжением 0,6В. В момент, когда напряжение на конденсаторе упадет ниже этого уровня срабатывает компаратор и фиксируется время разряда. По формуле 1 возможно рассчитать значение переменного резистора.
t=-(RPOT1+R12)*C6*ln(VREF/Vz), где
t – время разряда конденсатора,
RPOT1 – сопротивление переменного резистора,
VREF – внутреннее опорное напряжение (0,6В),
VZ – напряжение на стабилитроне (3В)
В устройстве используется переменный резистор 25кОм с линейной зависимостью сопротивления от угла поворота. Время разряда лежит в пределах от 3,53мс до 7,56мс, время полного разряда должно быть меньше 10мс, т.к. используется синхронизация с сетью. Диаграмма работы преобразователя представлена на рисунке 4.
 |
Рисунок 4. Преобразование значения переменного резистора
Борьба с шумами
Представленная на рисунке 3 схема цифрового термостата предполагает наличие идеального сетевого питания. В реальной сети имеются достаточно сильные помехи, которые могут сказаться на функционировании микроконтроллера. Особенно опасны шумы мегагерцового диапазона, амплитуда которых может достигать десятков киловольт. Если при разработке схемы учесть этот факт и принять ряд несложных мер, то это сэкономит много сил и времени при отладке. Создание надежного сетевого устройства предполагает изолирование микроконтроллера от высокочастотных шумов. Это относится не только к цепям питания, но и к остальным выводам контроллера. На рисунке 5 представлена модификация схемы с учетом данных рекомендаций.
 |
Рисунок 5. Защищенное от шумов устройство
Первое, на что следует обратить внимание, это фильтр по цепи питания микроконтроллера (C3, R4 и R5). Получены две «земли» – одна для цифровой части схемы, другая – для зашумленной аналоговой.
Второе – защита выводов микроконтроллера с помощью ФНЧ (GP2, GP3). В них рекомендуется использовать керамические конденсаторы.
Программное обеспечение
Предполагается следующий алгоритм работы.
Основной цикл программы – отслеживание перехода сетевого напряжения через нуль. Когда переход обнаруживается, делается вывод о том, должен ли быть открыт симистор в данном полупериоде. Для открытия симистора на вывод контроллера GP2 выдается импульс длительностью порядка 2мс.
Преобразования значения переменного резистора привязывается к полупериодам сетевого напряжения. Во время положительного полупериода происходит заряд конденсатора, во время отрицательного – непосредственно преобразование. Исходя из частоты питающего напряжения необходимо выбирать временные параметры интегрирующей цепи (см. формулу 1). Время разряда конденсатора измеряется с помощью таймера 0.
Для управления мощностью производится пропуск периодов сетевого напряжения: полный цикл составляет 10 полупериодов, количество полупериодов, во время которого нагрузка запитывается пропорционально значению задающего резистора. Если это значение не равно нулю, то зажигается светодиод и запускается таймер на 2 часа. Перезапуск таймера происходит при смене задающего значения. По прошествии двух часов нагрузка отключается и включается лишь после сброса питания или задания нового уровня мощности.
Полученное программное обеспечение занимает порядка 130 ячеек памяти программ и использует 10 байт ОЗУ.
Полученный электронный термостат имеет множество преимуществ относительно своего механического аналога:
1. Повышенная надежность, обусловленная практически полным отсутствием механических частей;
2. Встроенные механизмы защиты, такие, как таймер автоматического отключения;
3. Индикатор работы;
4. Гибкость полученной схемы, т.к. возможно внутрисхемное программирование контроллера и получение на основе одного и того же конструктива устройств с различной функциональностью;
5. Повышенная точность и возможность работы при малых уровнях мощности.
Возможные доработки полученной системы:
1. Введение обратной связи по температуре и реализация несложного закона поддержания и регулирования температуры;
2. Возможность самокалибровки;
3. Дистанционное управление устройством, например, по инфракрасному или радиоканалу;
4. Реализация режима фазового управления для управления лампами накаливания.
На основе предложенной схемы возможна реализация целой гаммы несложных устройств управления сетевым питанием, которые могут применяться в бытовой технике, осветительных приборах, в промышленности и сельском хозяйстве.