Самодельное твердотельное реле, блок управления муфельной печью

внешний вид

Периодически в мастерской возникают задачи нагрева. Многие процессы, связанные с высокой температурой, могут быть проведены при помощи специальных печей, самые удобные из которых – с нагревом электрическим током.


Конструирование высокотемпературных печей – отдельная область бытия, тесно связанная с материаловедением, в первую очередь - в смысле огнеупорных материалов.

Однако управление мощными нагревателями вообще и таким объектом как «электрическая высокотемпературная печь» в частности, тоже дело не из простых. Многие из проводимых «внутри» процессов требуют довольно точного поддержания температуры, выход за пределы которой, грозит браком, а печь – объект в температурном смысле, весьма инерционный – большая масса нагреваемой части, особенно в случае «муфельной», то есть со спрятанными нагревателями, печи.

Существует понятие – выбег температуры, это ее, температуры, рост, выше установленного значения при уже отключенном нагревателе. Вроде движения по инерции автомобиля, когда двигатель уже выключен. Для уменьшения или вовсе исключения этого явления, существуют устройства (температурные контроллеры) реализующие ПИД (пропорционально-интегрально-дифференцирующий) закон управления включения нагревателями. В описываемом устройстве, применен готовый, недорогой ПИД-контроллер, с сигналом управления, пригодным для работы «твердотельного реле».

Принципиальная схема

«Твердотельное реле» - мощный электронный симисторный ключ с гальванической развязкой от модуля управления, применен самодельный, из дискретных элементов. Это позволило сконструировать узел повышенной надежности, с минимальным нагревом, из имеющихся элементов и удобной компоновкой.

схема принципиальная

Схема «твердотельного реле». Практически, составлена из двух – [1],[2]. В качестве силовых элементов выбраны тиристоры – это позволило задействовать имеющиеся приборы, применение двух «ключевых» приборов вместо одного – симистора, позволило в два раза лучше распределить тепло по радиаторам.

Тиристоры – подходящие по рассеиваемой мощности и напряжению, транзистор можно заменить на КТ315 или что ни будь в этом духе, симисторная оптопара – МОС3020. Цепочка С1, R4 предназначена для улучшения динамических характеристик тиристоров, меньшее из диапазона сопротивлений соответствует резистивной нагрузке ключа, большее – индуктивной. Резистор греется, лучше подобрать керамический, мощностью не менее 5 Вт.

Конструирование

Корпус блока. Поскольку рядом высокая температура, и внутри неизвестно, на сколько, греющиеся радиаторы, уместно применить железки. Готового, подходящего по размеру металлического корпуса не нашлось, придется сделать гибкой из кровельной стали 0,5мм толщиной. Неразъемное крепление частей, лепестков и деталей, удобно делать при помощи вытяжных заклепок, разъемные – короткими саморезами с большими плоскими шляпками. Практика показала, что если ограничится мощностью нагрузки в несколько киловатт и более компактным – симисторным ключом, то все электрические потроха, можно попробовать уместить в коробке от компьютерного блока питания. Если конечно не придираться к лишним дыркам.  

Радиаторы тиристоров. Подходящих фабричных радиаторов не нашлось, пришлось сделать из алюминиевой пластины толщиной 3мм.

Электромонтаж.  Многие элементы «обвязки» тиристоров, монтируются на их жестких выводах, однако кое какие элементы низковольтной части, включая оптопару, имеют мелкие нежные выводы для печатного монтажа. Придется сделать простую печатную плату. Для удобства ее крепежа, монтаж стоит сделать односторонний поверхностный, тогда ее, плату можно будет «спиной» приклепать к металлической стенке в удобном месте. Для внешнего подключения силовых проводников – выводы нагревателя, сетевое питание, на задней стенке блока будет установлен блок винтовых клемм. 

Органы управления и индикации, в основном сосредоточены на фабричном контроллере – это индикация текущей и установленной температуры, состояние выхода управления твердотельным реле, еще несколько служебных индикаторов. Кнопки управления режимами. Решено добавить к этому только индикатор сетевого напряжения на выходе электронного ключа. В компактных готовых модулях – твердотельных реле, часто имеется индикатор включения – светодиод в низковольтной части. Такой индикатор дублирует индикацию контроллера и говорит только о целостности цепи между реле и контроллером. Значительно полезнее индикация сетевого напряжения непосредственно на нагрузке. По ней можно судить о работоспособности всей электронной части печи.

 Включатель питания, в блоке управления не предусмотрен. Муфельная печь, которой будет управлять блок, относительно маломощная – в пределах нескольких киловатт, кроме того, после подачи питания, микропроцессорный термоконтроллер 5…7 секунд занимается тестированием себя родимого и лишь потом включает питание нагревателя. При включении обычной сетевой вилки в розетку ничего не искрит. При необходимости, рабочее место около муфельной печи, можно оборудовать отдельной розеткой с автоматическим выключателем в специальной коробочке и включать печь его клавишей. 

Что было использовано при работе

Инструменты, оборудование.
Понадобился обычный набор некрупного слесарного инструмента, ножницы по металлу. Специальный инструмент для установки вытяжных заклепок, дрель или шуруповерт для сверления отверстий. Бормашина с тонким отрезным диском, для выпиливания окон в тонком металле. Паяльник средней мощности с принадлежностями, для электромонтажа. Для изготовления печатной платы использовал стеклянный рейсфедер, специальную посуду для травления. Пригодится пара струбцин для гибочных операций.

Материалы.
 Кроме приобретенного на Али Экспресс термоконтроллера, понадобился подходящий кусок кровельной стали, кусочек фольгированного стеклотекстолита, хлорное железо или иной состав для травления. Крепеж, в том числе вытяжные заклепки подходящей длинны, ЛКМ, ветошь хлопчатобумажная.

Изготовление корпуса


Две параллельные прямые
живут в эвклидовом мирке
и бегают пересекаться
в мир лобачевского тайком.

©Ironichna-osoba

Первым делом, конечно тщательная разметка заготовки развертки корпуса. Не забываем про лепестки для скрепления стенок. Очень помогает длинная линейка и большой столярный угольник. Карандашиком на металле. Затем обычными ножницами по металлу, вырезал ненужное.
развертка корпуса

угол развертки


В местах, где будет угол, сверлим отверстие. Лучше всего, около 2мм. Они, отверстия, позволят избежать в углу некрасивой складки при сгибе. IP коробки, учитывая вентиляционные отверстия, фатально не ухудшится.

Гибка.  Да, при отсутствии специального оборудования, приходится изворачиваться, однако принцип один – зажать заготовку по линии сгиба между двумя ровными железками или деревяшками и гнуть. Гнуть нужно кусочком доски чуть меньшим, чем длина сгиба, иначе будут «волны». Окончательно довести угол, можно, поработав киянкой. Сначала через ту же дощечку после, непосредственно по железке. 

гибка

гибка_

Скрепление стенок коробки – мелкими и короткими вытяжными заклепками. Заранее стоит припасти для работы с ними, сверло ø3,5мм.

Печатные платы

Собственно, платку для тех нескольких элементов, которые предстоит разместить, и ребенок, сделает. Раскладываться с химикатами и фотоспособом ради такой мелочи было неохота – чертеж из Автокада распечатал и перевел через копирку на подготовленный – зачищенный мелкой шкуркой, кусочек стеклотекстолита. Затем, «усилил» асфальтным лаком при помощи стеклянного рейсфедера. После высыхания рисунка, отретушировал его острым шилом и вытравил в хлорном железе.

травление платы управления

плата индикации

Чтобы два раза не вставать, тут же сделал и платки для индикации. В ней использовалась неоновая лампочка – лучший индикатор для высоких напряжений. Последовательно с ней включен токоограничительный резистор в несколько мегаом. Процесс травления очень взбадривается при нагреве и перемешивании травильного раствора. Ну, или хотя бы при перемешивании. Удобно делать это миниатюрным воздушным компрессором – аквариумной принадлежностью.

Тиристоры, радиаторы


тиристоры на радиаторе

Радиаторы для тиристоров сделал из 3мм алюминиевой пластинки. Приборы устанавливаются без изоляции, и изолируются от корпуса вместе с радиаторами. В середину радиатора приклепал еще по пластинке поменьше, для уменьшения теплового сопротивления, так тепло лучше будет расходиться по большой площади радиатора. Все соединения частей – через возможно более тонкий слой теплопроводной пасты КТП-8, сами тиристоры устанавливаются на радиаторы, также с ее применением. Минимально тонкий слой достигается притирание намазанных пастой частей, затем, выступившая паста удаляется ветошью. Изоляторы из нетолстого гетинакса. Лучше, готовые детали из него помазать лаком – слоистые пластики гигроскопичны.

Установка элементов


установка контроллера

Прямоугольный проем выпилил маленькой УШМ с тонким абразивным диском. Можно, и собственно, удобнее, делать это гравером, бормашиной со специальным тонким отрезным абразивным диском.

монтажные стойки для блока тиристоров

блок тиристоров, стойки, вентиляционные отверстия

Сборку тиристоров на радиаторах, установил на импровизированные стойки из стандартного крепежа М3. После установки, можно определиться с вентиляционными отверстиями, насверлить их. Перед окончательной установкой радиаторов, не забыть сделать выводы от резьбовой части тиристоров – лепесток с выводом под гайку. У тиристоров это вывод анода. Зажимать лепесток, даже самодельный, большой площадью, «сверху», между корпусом тиристора и радиатором, не следует, это ухудшит теплопередачу.  

Электромонтаж


электромонтаж, крышка блока

Собственно, здесь все без затей, согласно схеме электрической принципиальной.

подготовка к покраске


Покраска

Подготовка корпуса к покраске. Вообще-то лучше такого рода операции делать пораньше, до монтажа установочных элементов. Красить решил эмалью из имеющегося баллончика. В наличии был «золотой» и «зеленый мох». Долго колебался…  Демонтировал все внешние элементы, чтобы распыленной эмали не надуло в отверстия, заклеил их изнутри бумагой с липкой лентой. Обезжирил поверхности подлежащие окраске тряпочкой смоченной ацетоном. Моха, ну то есть мха, как оказалось, надолго не хвалило – закончился рабочий газ, создающий в баллончике давление. Так что покраска – дизайнерская.  

Ходовые испытания


испытания

Первым делом проверка электронного ключа – работает как миленький, все что нужно светится, включается-выключается. Затем проверка нагрузочной способности.

испытания_

Блок управления поставлен на брусочки, чтобы освободились нижние вентиляционные отверстия, и нагружен на различные по мощности нагревательные приборы. Работа в течении длительного времени на нагрузку в 2 кВт, сколь ни будь заметно тиристоры не нагрела. При работе на нагрузку мощностью в 4 кВт в течении нескольких часов, радиаторы тиристоров были слегка теплыми. Результат сочтен удовлетворительным и опыты прекращены.

Блок управления применялся при различных испытаниях связанных с высокой температурой, в последствии, был оснащен самодельной гибкой термопарой и работает в составе прототипа самодельной муфельной печи.

Выводы, работа над ошибками

По результатам испытаний стало понятно, что для нужной мощности печи (несколько киловатт) можно обойтись значительно более скромным, в том числе и по габаритам, тиристорным (симисторным) ключом. Возможно будет задействовать коробку от компьютерного БП. Это существенно сократит объем слесарных работ.

После работы блока управления с муфельной печью, выяснилась еще одна потребность - принудительное отключение нагревателей при включенном контроллере (отображении температуры "внутри"). Это позволяет удобно контролировать, например, скорость остывания "садки". Реализовать такую функцию, можно введением небольшого, слаботочного тумблера в цепь управления тиристорным ключом.   

Литература

1.      Управление нагрузкой на переменном токе.  О. Николайчук.   Russian HamRadio
2.     Твердотельное реле. Схема принципы работы твердотельного реле.

                                                                                                                 
                                                                                                                          Babay Mazay, 2018 г.

Поделиться в соцсетях

Facebook Twitter Google+ Vkontakte

Комментариев нет:

Отправить комментарий