Дорогие друзья, предлагаю вашему вниманию электронную схему термореле для электрических чайников, самоваров и других, очень нужных в любом хозяйстве водонагревательных приборов. Данная схема была применена для ремонта китайского электрочайника, в котором термореле вышло из строя, но нагревательный элемент остался не повреждённым. На мой взгляд, это довольно распространённая ситуация, когда невозможно найти комплектующие для вашего любимого чайника из-за особенностей его конструкции. В общем, если нам не повезло и на рынке нет запчастей, это нас не остановит в стремлении попить горячего чая или кофе.
Функционирует устройство следующим образом: термореле непрерывно находится в режиме ожидания нажатия кнопки S2. При замыкании кнопки формируется импульс тока, который поступает на счётный вход T-триггера DA1 (вывод 3) и переключает его из состояния 0 в состояние 1 (вывод 1). Это приводит к открытию транзистора VT2 и срабатыванию реле, которое своими контактами подключает нагреватель к электросети. В случае повторного нажатия кнопки S2, следующий импульс переключит триггер в противоположное состояние, что приведёт к отключению нагревателя. Таким образом, нажатия на кнопку S2 включают или выключают чайник. Теперь давайте разберёмся, каким образом происходит отключение нагревателя при закипании воды. Триггер приведён в единичное состояние, вода нагревается и кипит. Пар, испаряющийся с поверхности воды, через паропровод (есть в каждом автоматическом электрочайнике) поступает на терморезистор R3 с отрицательным температурным коэффициентом. Это приводит к уменьшению его сопротивления, что в свою очередь открывает транзистор VT1. Положительное напряжение с эмиттера VT1 подаётся на установочный вход R (вывод 4) триггера, что приводит к его сбросу (Reset). Триггер переключается в состояние 0, нагреватель отключается. К входу R также подключена цепь задержки C4-R7, формирующая почти двухсекундный импульс сброса в первоначальный момент, когда схема получает питание. Это необходимо для удерживания триггера в нулевом состоянии до завершения всех переходных процессов при подключении чайника в сеть. Для подавления дребезга контактов S2, в схему введена цепь С5-R8, благодаря которой на счётный вход триггера поступают чёткие одиночные импульсы и предотвращаются множественные быстрые срабатывания.
Процесс наладки сводится к подбору сопротивления резистора R4. Делается это следующим образом: вместо R4 подсоединяют переменный резистор c сопротивлением 10 КОм, а терморезистор R3 опускают в кипящую воду. Переменный резистор выкручивается на максимальное сопротивление. Затем переводим триггер в единичное состояние, реле должно замкнуть контакты без нагрузки и плавно уменьшаем сопротивление переменного резистора. Как только реле выключится (триггер сброшен), измеряем сопротивление переменного резистора. Полученное значение для температуры 100°С, но у нас нет необходимости так нагревать терморезистор R3 (датчик), т.к. если вода не кипит, то пар практически не образовывается, следовательно датчик не нагревается. А если пар интенсивно выделяется, ещё не факт, что его температура 100°С. При пониженном атмосферном давлении, например, высоко над уровнем моря, вода будет кипеть и интенсивно выделять пар при 70-80°С. Поэтому увеличиваем полученное значение сопротивления на 300 Ом и впаиваем ближайший по значению постоянный резистор. Таким образом порог срабатывания реле снижается приблизительно до 85°С (триггер сбросится, как только датчик нагреется до 85°C, это означает, что вода в чайнике кипит, пар уже интенсивно выделяется, тепло по паропроводу переносится к датчику и быстро его нагревает). В любом случае рекомендую ориентироваться на парообразование. Можно попробовать подсоединить датчик, например, к корпусу чайника, однако из-за тепловой инерции, устройство не будет достоверно определять момент кипения воды – если воды мало, она вся выкипит до отключения нагревателя. Если её много, реле может выключиться до закипания воды (внутри чайника все компоненты схемы греются, шутка ли – рядом ТЭН в 1,5-2 КВт). Возможно отрегулировать датчик на меньшую температуру срабатывания реле, и по её достижении включать таймер задержки, который через несколько секунд отключит нагреватель. Но определить, сколько секунд необходимо ожидать очень сложно из-за разного объёма воды. Я так пробовал и у меня не получилось, реле работает не адекватно. Поэтому – самый лучший признак того, что вода кипит – это бурное выделение пара.
Питается схема постоянным током с напряжением 15V. Блок питания выполнен по бестрансформаторной схеме с гасящим конденсатором С1. Амплитуда напряжения ограничивается симметричным супрессором (защитным диодом) до 16V и поступает на выпрямительный мост VD2, на котором падает от 0.5 до 1V. В результате на конденсаторе C2 получаем напряжение 15-15.5V. Стоит отметить, что при срабатывании реле, напряжение на выходе блока питания «просаживается» на 5V, до 10.5V, но это никак не влияет на работу устройства и вполне достаточно для надёжного удержания контактов реле.
На входе термореле в обязательном порядке следует установить термопредохранитель F1 с температурой перегорания 130-140°С. ВНИМАНИЕ! Это самый важный элемент схемы, это тот последний рубеж, за которым следует пожар при нештатной ситуации. Стоит деталь копейки, но убережёт от большой беды. Ещё раз повторюсь: установка термопредохранителя обязательна, замена обычным плавким предохранителем недопустима. Принцип действия другой. Термопредохранитель – разрывает цепь при достижении определённой температуры, плавкий предохранитель разрывает цепь при достижении определённой силы тока, это не одно и то же. При сборке устройства требуется предельная аккуратность в изготовлении и монтаже, применение исключительно качественных электронных компонентов, рассчитанных на высокую температуру. Недопустимо применение для пайки и лужения печатной платы легкоплавких припоев (сплав Розе, Вуда и др.) Электрочайник – это настоящие адские условия работы для электронного устройства с высокой температурой и влажностью. Также будьте предельно внимательны при наладке устройства, во избежание поражения электрическим током. В этой схеме применён бестрансформаторный блок питания и разность потенциалов между любой частью устройства и землёй практически равна амплитудному напряжению электросети.
В схеме применены радиоэлементы как в SMD исполнении, так и в обычных выводных корпусах. Размер всех SMD деталей – 1206. Неполярные конденсаторы – керамические, SMD, можно снять с неисправной материнской платы компьютера, там же можно достать SMD транзистор VT1, подойдёт любой, со структурой NPN. С неисправного компьютерного блока питания можно снять термистор R2, назначение которого ограничивать броски тока в момент зарядки конденсатора. Весьма надёжная штука, практически никогда не ломается. Применять плёночные или проволочные резисторы не рекомендую, со временем пробиваются между витками и начинают подгорать. Но если ничего другого нет – ставьте несколько штук (лучше три по пол ватта) последовательно. Сопротивление R2 – до 50 Ом. Транзистор VT2 – с коэффициентом усиления не менее 200, иначе реле не будет срабатывать. Возможно применение составного или полевого транзистора. Но у меня прекрасно работает и обычный кремневый.
Элементы F1,C1,R1,HL1,R10,R3,S2,REL1 вынесены за пределы печатной платы и располагаются в любом удобном месте корпуса чайника, желательно как можно дальше от нагревательного элемента. Термопредохранитель припаивается непосредственно к контактам нагревателя, для крепления остальных элементов оптимально использовать силиконовый клей-герметик, при застывании он превращается в резину и выдерживает высокую температуру – до 180°С. На печатной плате достаточно места для сверления отверстий под монтаж на болтах. Печатную плату после сбора необходимо покрыть двумя слоями лака, со всех сторон, с просушкой перед нанесением второго слоя. Провода применять с изоляцией 105°С или выше. Для кнопки S2, питания реле и терморезистора R3 провода можно нарезать из старого компьютерного шлейфа IDE 40 pin. В нём довольно толстая (300V) и термостойкая изоляция (105°C) – то, что надо. После закрепления всех узлов конструкции внутри чайника, их необходимо дополнительно теплоизолировать куском стеклоткани или другого не горючего материала, с высокой температурой плавления (подойдёт кевлар, можно взять из старых рукавиц сварщика). Термодатчик также необходимо тщательно защитить. Припаиваем к нему провода, с термоусадочными трубками, затем окунаем датчик в лак, высушиваем его, одеваем на контакты термоусадку, нагреваем, чтобы она стянулась, затем снова окунаем датчик в лак и высушиваем.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| DA1 | Микросхема | CD4013A (К561ТМ2) | 1 | DIP16 | ||
| VT1 | Транзистор NPN | 2SC3124 | 1 | SMD | ||
| VT2 | Биполярный транзистор | 2SC2655 | 1 | TO-92 hFE > 200 | ||
| VD1 | Супрессор | 1.5KE16CA | 1 | |||
| VD2 | Диодный мост | 2W10 | 1 | |||
| VD3 | Диод импульсный | КД521А-Б (1N4148) | 1 | |||
| C1 | Конденсатор плёночный | 1 µF 400V | 1 | |||
| С2 | Конденсатор электролитический | 470 µF 16V | 1 | 105°C | ||
| С3 | Конденсатор керамический | 3 µF 25 V | 1 | SMD 1206 | ||
| С4 | Конденсатор керамический | 8 µF 16 V | 1 | SMD 1206 | ||
| С5 | Конденсатор керамический | 0.1 µF 25 V | 1 | SMD 1206 | ||
| R1, R10 | Резистор | 470 кОм | 2 | 0.125 Вт | ||
| R2 | Термистор | 10 Ом | 1 | Силовой | ||
| R3 | Терморезистор NTC | MF52AT 10 КОм | 1 | |||
| R4* | Резистор | 2.2 кОм | 1 | Подобрать | ||
| R5 | Резистор | 47 кОм | 1 | SMD 1206 | ||
| R6 | Резистор | 2 кОм | 1 | SMD 1206 | ||
| R7 | Резистор | 220 кОм | 1 | SMD 1206 | ||
| R8 | Резистор | 20 кОм | 1 | SMD 1206 | ||
| R | Резистор | 0 Ом | 3 | SMD 1206 | ||
| Rel1 | Реле | 12 V 250 V 10-16A | 1 | Обмотка 180 ом | ||
| F1 | Термопредохранитель | 135°С 15 А 250 V | 1 | |||
| S2 | Кнопка без фиксации | 250 V 0.1 A | 1 | Нормальноразомкнутая | ||
| HL1 | Лампа | Неоновая | 1 | |||
| ТЭН1 | Электронагреватель | 1 – 2 КВт 250 V | 1 | |||