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电冰箱电子温控器的制作

开关型直流稳压电路
直流电机控制电路专辑—4
业余高手巧思打造绝美绝伦仪器

  电冰箱是利用温度控制器来控制压缩机的开停时间,从而调节电冰箱内的温度的。本文介绍一种采用普通硅管3DG6作为感温元件的电子温控器电路。它与目前国内普及型电冰箱中普遍采用的压力式温控器相比,有热惯性小、灵敏度高、控温精度高、结构简单、维修方便、感温元件取材容易、价格便宜、一致性好等一系列优点,又由于用双向可控硅代替继电器,可以无触点地控制压缩机的开,停,工作可靠。它不但有控温功能,还增加了电源过压、欠压保护功能和延迟6分钟开机的功能,以防止压缩机损坏和延长压缩机的寿命。

  该电子温控器不仅用于电冰箱,凡温控范围在-50(1~+150℃的致冷、加热恒温设备如冰库、冷藏设备、空凋器、生化培养箱、孵化箱、恒温箱等等,只要稍加调整都可使用。

  一.电路工作原理

  上图为电子温控器的原理方框图。由图1可见,电路是由温度控制闭合环路、过压欠压保护电路和直流电源电路三部分组成。下圈为其电原理图。

温度传感器BG2采用普通的硅三极管3DG6。半导体的理论和实测表明,NPN型硅晶体管的集电极电流IC恒定时,集电结无论是反偏还是零偏,其基极一发射级正向电压VBE在-一50℃~+150℃温度范围内与温度T有近似线性关系,电压温度系数约为-2.1mv/c左右。

  因此,将3DG6接成二极管后可以作为较理想的感温元件。A1为桥路放大器,将由传感器端的温度变化量转换成电压变化量加以放大.电位器Wl与R5组成调节温度设定电路,调节W1,改变放大器A1同相端的基准电压,即可按人们的意愿设定冰箱内的开机温度。R4使BG2的工作电流限定在lOOμA。通过Al的反相放大,Al的输出电压VI与测温端的温度T成正比,电压温度系数为1OOmV/℃。W2供用户调节开机温度,约可使Vl变化1/6,相当于温度可调8.2'C左右。

  电冰箱的温度要求有一个控制范围AT=T1-T2。式中Tl是箱内开机温度,亦即控制温度,T2是关机温度,亦即最低温度。当箱内温度T≥Tl时,压缩机启动、致冷,使得箱温下降。

  当下降到T-Tl时,压缩机并不关闭而继续工作,使箱温继续下降;当温度下降到T≤T2时,压缩机才停止工作。当然,机器不致冷后,箱温将回升。当温度回升到T-T1时,压缩机冉次被启动、致冷,重复上述控制过程,使箱内温度被控制在T1~T2的范围内变化。

  对于这样的控温要求,模拟电量VI的变化应如图3(a)所示。图中VIH对应于开机温度T1.VIL对应于关机温度T2。控制压缩机工作的电信号应如图3(b)所示的开关信号,由施密特触发器来产生.其基本原理图如图4所示。它实际上是采用了正反馈形式的电压比较器,用R.和R。进行分压,在同相端产生一个随输出电压变化的上基准电平VI‘和下基准电平VI’。当V2-V2H高电平时,同相端为上基准电平VI’=低电平时,则得到下基准电平VI’=将图3所示的VI电信号加到施密特触发器的反相端,在tl-t2这段时间内,V1随温度升高而升高。由于VI<V1’,A2的增益又极高,输出星高电平,V2-V2H≈VCCI到达t2时.V1升至Vl=V1H=V1’,A2翻转,V2=V2L≈0。这时,反馈到A2同相端的基准电压也降到Vl’。因甚,机器开始致冷,Vl又下降咏但盔V1>Vl’时,A2输出状态不变。只有当温度继续下降,Yl=V1L=VI’时,A2才翻转.V2=V2H≈Vce。此时,同相端的基准电压又跳变到V1’。V1、V1之差称为施密特触发器的回差电压或滞后电压宽度。只要根据A1的放大量,适当选择Ra和Rb的阻值,便可获得电冰箱的温控范围△T=T1=T2。

  图2中A2即为施密特触发器实际电路,R12+W3相当于图R10、R11的分压决定A2同相端的电压,也即滞后电压宽度的中心电压。调节W3,可以改变上下基准电压之差V1-V1,也即改变滞后电压宽度。在图孰中,当W3-O时,滞后电压宽度为0.89V,当W3-51kΩ时,则为0.53V,即温度传感器端温差AT可以从8.9'C调变到5.3℃,一般电冰箱的温差调定在6~8℃。

  LED1为绿色发光管。当控制信号V2为高电平V2H时,LEDI发光,说明电冰箱内温度正常,压缩机不工作,电子开关BG3饱和,R13为限流电阻。当V2为低电平V2L时,LED1熄灭,BG3截止,压缩机启动。R13、C4组成抗脉冲干扰电路,防止外来干扰脉冲改变机器的工作状态,也可避免起动时因电源电压下降到欠压状态,欠压保护电路起作用而引起电冰箱频繁通断电。

  冰箱压缩机关机后需经过5—10分钟才能再开机。不然的话,很容易损坏压缩机,缩短压缩机的寿命。由时基集成电路555与R14、c5组成的单稳延时电路使A2输出的开机控制信号V2L延迟5—10分钟后,再使压缩机启动。电容c5上的电压,即555的2、6脚电压从0充电到2/3vce.所需的时闻t-1.1、R14、c5≈6分钟,即为开机延迟时间。V2L经延迟后变为555的3脚低电平输出,BG4截止,双向可控硅SCR导通,压缩机接通电源、启动工作。LED4为黄色发光管,习智示压缩机已经启动工作。当机器致冷后,电冰箱温度降到关机温度T2时,A2输出变为高电平V2H,立即使BG3饱和,c5很快放电到零,③脚输出翻转为高电平,BG4饱和.SCR截止,机器立刻关闭、停止工作。整个电路的工作状态如附表所示。

  C6与R18的串联电路为浪涌吸收装置,保护双向可控硅。

  考虑到我国的电源电压波动较大的实际情况,温控器中安装了过、欠压保护电路。D5、R19、R21和C7组成市电交流电压采样电路.比较器A3组成过压检测电路,A4组成欠压检测电路。vcc、R20、W4、W5提供A3、A4的基准电压。红色发光管LED2、LED3分别为过压,欠压指示,同时与LEDI又构成或门电路,共同控制电子开关BG3。在I80~242V的市电正常电压范围内,通过W4、w5的调节,使A3、A4输出低电平,此时不影响温控主电路的正常工作。当电源电压升高到242V以上时,A3的①脚输出高电平,LED2发光,当电源电压降到180V以下时,A4的⑦脚翻转为高电平.LED3发光。在①脚或⑦脚输出高电平时,温控主电路A2输出无论是商电平还是低电平,都使BG3饱和,压缩机停止工作。交流电源恢复到正常的供电电压时.A3和A4又输出低电平,BG3的截止或饱和取决于温控主电路A2的输出,其工作原理如前所述。

  为了减小体积、降低成本,供给电路的直流电源不用电源变压器而采用电容降压方式,再经整流、滤波、稳压产生。C1为降压电容,Rl为泄放电阻,D1、D2为整流二极管,C2、C3为滤波电容器。LED5为电源直流电压指示。

  使用电容降压时,容抗比负载阻抗大得多,用普通的串联式稳压电路不容易输出稳定的直流电压,因此这里采用了并联式晶体管稳压电路,由稳压管D3、调整管BGI、R2、R3和C3组成。当负载变化或者电源输入电压变化引起总整流电流I的变化时,将转化成品体管发射极电流le的变化,从而维持了输出电压的稳定不变。

  二.元器件的选择

  电源降压电容C1选用1.5μF,耐压400V以上的金属化纸解电容器或油浸纸解电容器。整流管D5选用IN4007,D1、D2选用1N4901。稳压管D3选用2CW59.稳压值为9—10.5V,BG1选用3DG12,β≥60。A1、A2、A3、A4选用一块集成四运放LM324,时基电路选用NE555。感温元件BG2选用金属管帽的3DG6,以获得较好的采热、散热功能。传感器制成探头形式.方法如下,截取一段长约30mm、直径为6.5mm的薄壁铜管,将3DG6引脚和连接导线穿过铜管,刮去漆层的金属管帽露在铜管外面,然后用环氧树脂或硅胶将铜管内部填满并两端密封·铜管与3DG6各个电极绝缘,温度的采样,传热则靠3DG6的金属管帽和铜管.连接导线采用接地屏蔽线,以减少长导线引入的外界电磁干扰。如果导线不太长,也可用双股绞接导线。电位器W2、W3选用WH9型的。BG3、BG4选用3DG6或3DK2,β≥80。双向可控硅SCR选用600V、7A以上的.C6选用0.1μF、耐压>400V的金属化纸解电容器。

  三.安装调试  图5为l:l的电路印制板与元件排列图,尺寸为115×47mm2。元件安装完毕后,将印板装入合适的塑料盒内,供用户调节用的开机温度调节电位器W2、温差调节电位器W3和发光管LED1、LED2、LED3、LED4、LED5装在面板上,外形如图6所示。元件经检查安装无误后即可开始调试。由于电路板上带有220V交流电,调试时需特别注意安全,以防触电。  1.直流电源电压的调试  接入市电电压。要注意的是,将市电的火线接入L端,零线接入N端,使电路的地线不带电,确保安全。调整R3,在空载时,使BG1的集电极电压≤3V,集电极损耗小于容许值,在满载时,集电极电压≤I1.3V,而Vcc=11.3V始终不变,其值等于D3的稳压值与BG1的基极一发射极正向电压VBE之和。  直流电源部分即调好。  2.温控主电路的调试  .先断开LED2、LED3,不接过压、欠压保护电路。W2,W3抽头置于起始端。先用白炽灯作负载,接在L、N端。将温度传感器BG3置于盛水的容器中间,用投入冰块的方法降温,同时将温度计与温度传感器缚在一起,测容器内的水温。当容器内的水温随环境温度逐步升高,达到设定的最高开机温度T1=10℃时,调W1使A2刚好翻转,V2即由高电平翻转到低电平,LED1熄灭.BG3截止。6分钟后,555的3脚翻转到低电平,LED4发光.SCR导通,白识灯点亮。温度继续升高时,此种状态不变。再在容器内投入冰块,使水温逐步下降。当下降到T2(T2<T1)时,A2的输出v2由低电平翻转到高电平,记下A2翻转时刻的水温T2即为关机温度。此时LED1点亮,BG3导通,555的3脚输出变为高电平,LED4熄灭,BG4导通,SCR截止,白炽灯熄灭。为了缩短调试时的延迟时间,可在R14上并联一只lOOkΩ电阻,调试完毕后再拆除。  在面板上,将W2的旋转角度分为若干等分,每旋至一个位置,用上述方法重复测试,可以得到W2在不同位置时的Tl、T2值,而△T-T1-T2应相等。再将W2固定在某一位置上,W3的旋转角也在面板上分成若干等分,每旋至一个位置,测得一个关机温度T2.在W2、W3的旋转角度上直接标出对应的T1、△T值,供用户调温时参考。  3.过压,欠压保护电路的调试  接上LED2、LED3.并使温度传感器的温度T>Tl,A2的输出V2为低电平状态(LED1熄灭)。用调压变压器将引入L、N两端的市电交流电压调至242V,测出A3的3脚过压采样.电压V3,调W4使2脚的电压为V3值。再将电压调至180V.测出A4的6脚欠压采样电压V4,调w5使5脚电压为V4值。调节调压变压器的输出电压,当交流电压≤180V时,白炽灯熄灭。当交流电压上升到180~242V时,白炽灯经6分钟延迟后点亮。当交流电压上升到≥242V时,白炽灯又熄灭。以上过程说明过压、欠压保护电路工作已.正常。

  温度传感器安装在电冰箱冷藏室顶部紧贴蒸发器的一侧,连接线经排水孔引出。电子温控器代替冰箱原来的压力式温控器的接线(如图7所示)。温控器放置在冰箱外面合适的位置。这样,不必打开电冰箱门即可调节冰箱内温度,即节约能源又方便。

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