Сделай сам, 1993 № 2 (2)

Термоящик «по науке»

В. Банников

В 4-м выпуске научно-популярной серии «Сделай сам» за 1991 год (здесь идет речь о серии издательства «Знание», наш же альманах «Сделай сам» начал выходить только в этом году) опубликованы весьма полезные статьи: А. Ф. Вершков «От холода… или термоящик» и Ю. В. Проскурин «И еще раз от холода, или погреб на балконе». Достоинство этих публикаций не столько в их актуальности — она несомненна, сколько в том, что они дают реальную возможность всем желающим изготовить в домашних условиях и из подручных средств эти незаменимые для горожанина «средства выживания».

Что касается конструкции термоящика, то она у авторов статей весьма продумана и достойна наивысших оценок. Стоит лишь добавить, что для той же цели с успехом подойдет отслуживший свой срок бытовой холодильник. Ведь принцип работы термоящика и холодильника примерно один и тот же. С одной стороны, оба они должны иметь хорошую термоизоляцию, препятствующую теплообмену с окружающей средой, с другой — и тот, и другой служат для поддержания в своем объеме постоянной температуры, используя для этого электроэнергию. Принципиальная же разница между ними лишь в одном: холодильник сам создает мороз, а термошкаф использует дармовой природный холод. Можно еще сказать, что первый из них «борется» с теплом квартиры, а второй — с холодом улицы.

Что же касается электрической части упомянутых устройств, то она, на мой взгляд, весьма далека от совершенства и нуждается в определенной доработке. Как раз этому вопросу и посвящена данная статья.

В чем же состоят недостатки электрики описанных термоящиков?

Разумеется, в том, что они работоспособны, никаких сомнений нет. Основные их недостатки заключаются лишь в низкой надежности электроподогрева с помощью обычных ламп накаливания в их стандартном включении, а также в неудобстве управления режимом электроподогрева. Поясним это.

Весьма примечательно, что оба автора солидарны прежде всего в одном: максимальная электрическая мощность, потребляемая подогревателем термоящика, должна составлять 80 Вт. При этом для электроподогрева А. Ф. Вершков ставит 3 лампы накаливания мощностью 15,25 и 40 Вт (в сумме 80 Вт), а Ю. В. Проскурин 2 лампы по 40 Вт. Общий у них также и принцип регулирования степени электроподогрева — в зависимости от погодных условий (температуры наружного воздуха) они предлагают регулировать температуру внутри термоящика простым включением (выключением) лампочек. Однако следует сразу отметить и некоторую разницу. Очевидно, конструкция А. Ф. Вершкова в этой части все же предпочтительней, так как, имея набор из 3 ламп разной мощности, удается обеспечить целых 6 степеней подогрева, устанавливая мощность нагревателя в 15, 25, 40, 55, 65 и 80 Вт. При этом поддерживать температуру внутри ящика на требуемом уровне в 2…4 °C (таковы научные рекомендации) существенно легче.

Отметим также, что дефицитные сейчас обыкновенные лампы накаливания не лучшие нагреватели, они легко повреждаются не только чисто механически, но и в результате броска тока в момент включения «холодной» лампы. Ведь опасность перегорания ее нити тем выше, чем ниже начальная температура нити, то есть при работе ламп на морозе вероятность их перегорания в момент включения значительно выше.

Для обеспечения «мягкого» включения бытовых ламп накаливания автором этих строк уже предложено довольно несложное устройство, которое было опубликовано в журнале «Радио» № 12 за 1990 год (статья «Защита электроосветительных приборов»). Но поскольку этот журнал читают в основном радиолюбители, а проблема продления срока службы ламп в доме интересует едва ли не каждого, имеет смысл вкратце повторить основное содержание этой статьи. Тем более что в наше время всеобщего дефицита приобретение новой электролампочки зачастую превращается в настоящую проблему.

Основная причина перегорания бытовых ламп накаливания состоит в том, что в момент их включения подводимая к нити лампы мощность многократно (в 10 раз и более) превышает номинальную, так как сопротивление нити накала в холодном состоянии значительно меньше, чем в нагретом То есть при включении лампы по ее нити накала наносится своеобразный удар — в конце концов лампа не выдерживает этих ударов и перегорает. При «мягком» подключении лампы ток через нить увеличивается плавно, не достигая экстремального значения, и долговечность лампы неизмеримо возрастает.

Чтобы обеспечить «мягкое» включение лампы EL1, придется собрать небольшую электронную схему (рис. 1). Пусть новичков в электронике она не смущает: при исправных деталях и правильном монтаже эта схема работает сразу и в каком-либо налаживании не нуждается.

Рис. 1. Схема для «мягкого» включения лампы (двухполюсник обведен пунктирной линией)

Схема представляет собой двухполюсник, включенный «в разрыв» провода, подводящего питание от сети переменного тока напряжением 220 В. Именно эта особенность схемы позволяет расположить электронную добавку в любом удобном месте: возле лампы EL1, около выключателя SA1 или даже подвесить небольшой в пластмассовой коробочке, на проводах питания лампы.

Как же работает схема защиты ламп от перегорания?

Диоды VD1-VD4 включены по мостовой схеме (рис. 2), особенность которой состоит в том, что если накоротко замкнуть между собой катоды диодов VD1 и VD3 (нижние выводы на схеме) с анодами диодов VD2 и VD4 (верхними выводами), то лампа EL1 будет гореть (разумеется, при замкнутых контактах выключателя SA1) точно так же, как если бы диодного моста VD1-VD4 не было вовсе. (На рисунке перемычка обозначена пунктирной линией.) Если соответствующие катоды и аноды диодов не будут закорочены, то лампа EL1 не загорится.

Рис. 2. Мостовая схема выпрямителя (диоды для наглядности расположены так же, как и в схеме на рис. 1)

Объяснение этому простое. В первом случае положительная (относительно нижнего провода) полуволна синусоидального напряжения сети пойдет через диоды VD3 и VD2, а отрицательная — через диоды VD4 и VD1. Во втором же случае диоды VD1 и VD3, а также VD 2 и VD4 образуют две пары, в каждой из которых они включены хотя и последовательно, но во встречном направлении. Естественно, что при этом все они будут закрыты как для положительной, так и для отрицательной полуволн сетевого напряжения

После того как мы познакомились с принципом работы диодного мостика VD1-VD 4, расскажем и о работе всей схемы в целом.

После замыкания контактов выключателя SAI конденсатор С1 не заряжен и транзистор VT1 закрыт. Это равносильно разомкнутым между собой катодам диодов VD1 и VD3, а также анодов диодов VD2 и VD4. Ясно, что лампа EL1 гореть не будет. Однако довольно быстро конденсатор С1 зарядится через резистор R1 и диодный мостик. При этом транзистор VT1 станет постепенно открываться, замыкая разорванную цепь. В конце концов конденсатор С1 полностью зарядится, а транзистор VT1 перейдет в режим насыщения, то есть полностью откроется, что эквивалентно замыканию электрической цепи — иными словами, лампа EL1 загорится полным светом.

Объяснение принципа работы схемы заняло довольно значительное время, однако на практике плавный разогрев нити лампы идет весьма быстро — примерно в течение 0,1 с. Естественно, человеческий глаз не способен различить такой незначительный промежуток времени.

Применение в схеме транзистора КТ848А, обладающего большим статическим коэффициентом передачи тока и значительной мощностью, дало возможность обойтись конденсатором С1 сравнительно небольшой емкости. К тому же транзистор (он применяется в электронном коммутаторе 36.3734 бесконтактной транзисторной системы зажигания автомобилей «Спутник» ВАЗ-2108, ВАЗ-2109 и «Таврия» ЗАЗ-1102) несложно приобрести в магазинах автомобильных запасных частей. Он относится к числу так называемых «составных» транзисторов и работает при сравнительно небольшом базовом токе, что дает возможность использовать резистор R 1 довольно большого сопротивления, то есть уменьшить емкость конденсатора С1 и сократить габариты устройства до минимума.

При мощности лампы EL1 до 100 Вт транзистор VT1 монтируют без организации теплоотвода (установки радиатора). При большей мощности (но не более 300 Вт) потребуется радиатор. Диоды КД202К можно заменить на другие диоды этой же серии с буквенными индексами от Л до С. В ряде случаев конструктивно удобнее диодные матрицы серии КЦ, подходящие по напряжению и току.

Вернемся, однако, непосредственно к электросхеме термоящика. Ведь в нем должна быть не 1 лампа, а по меньшей мере 3 лампы. Что же, придется добавлять к ним 3 дополнительные электронные схемы? Вовсе не обязательно, ограничимся и одной. Вот только лампы EL1…EL3 придется коммутировать вполне определенным образом (рис. 3).

Рис. 3. Схема «мягкого» включения 3 ламп (схема двухполюсника приведена на рис. 1)

Так, при изменении мощности электроподогрева нужно будет вначале выключить все лампы (проще всего это сделать, выдернув вилку питания из сетевой розетки), затем замкнуть контакты выключателей SA1…SA3 в нужном сочетании, и только потом вновь подать напряжение на схему. Только при таком способе действий лампы будут надежно защищены от перегорания в момент их включения.

Но далеко не каждый в ладах с электроникой, да и нужные детали не всегда удается достать. Более того, одно дело торшер, бра или люстра (именно для подобных электроосветительных приборов была сконструирована схема на рис. 1) — их лампы должны включаться без всякой видимой задержки и светить на полную мощность. Совсем иное дело — подогреватель термоящика. Для него совсем не важно, чтобы лампы загорались мгновенно. Уже поэтому здесь емкость конденсатора С1 лучше увеличить до 20…50 мкФ — это только повысит надежность защиты ламп. Кроме того, для термошкафа совсем не важно и качество освещения — лишь бы лампы грели.

Учитывая последние соображения, подойдем по-иному к проблеме электронагрева термошкафа. Здесь вся электроника состоит из диода VD1 (рис. 4).

Рис. 4. Схема электронагрева с диодом (лампы светятся вполнакала)

Как известно, диод пропускает только одну полуволну синусоидального напряжения сети. По этой причине лампы EL1…EL3 будут светиться вполнакала, то есть станут работать в более «щадящем» режиме не только во время включения, но и в течение всего времени работы. К тому же их номинальную мощность можно увеличить вдвое, что пойдет только на пользу механической прочности их нитей накала («волоски» более мощных ламп толще!).

При этом в качестве ламп лучше использовать 3 лампочки, рассчитанные на номинальное напряжение 220 В и мощностью 25,40 и 100 Вт. Ведь благодаря ограничивающему действию диода VD1 (подойдут и другие диоды, например, Д226В или Д226Б) мощность, потребляемая этими лампами, будет снижена вдвое. Выбирая ту или иную схему включения ламп, удается менять мощность подогревателя в пределах от 12,5 до 82,5 Вт. Отметим, что свечение этих ламп будет пульсирующим (мигающим) При освещении помещений такое мигание (с частотой 50 Гц, а не 100 Гц, как в обычном случае) довольно неприятно для глаз. Однако для термошкафа оно вряд ли имеет какое-либо принципиальное значение.

Те, у кого в доме пока еще осталось напряжение 127 В, могут применить 3 лампы на 220 В мощностью 25, 40 и 60 Вт без включения ограничительного диода. Фактическая потребляемая лампами мощность при этом будет почти вдвое меньше, то есть соответственно 14,4, 23,1, 34,5 Вт. (Эти цифры получены путем деления номинальной мощности лампы на 220 В и умножения результата на 127 В; такая простая арифметическая операция возможна, поскольку при достаточно сильном нагреве нити сила тока через нее почти не зависит от напряжения.)

Включая те или иные лампы, обеспечивают регулировку мощности нагревателя термошкафа от 14,4 до 72,1 Вт.

Поскольку максимально достижимая мощность (72,1 Вт) несколько меньше рекомендуемой авторами упомянутых в начале статей, вместо лампочки в 60 Вт (на напряжение 220 В) ставят лампу в 100 Вт (на напряжение 127 В), включенную через диод. Тогда фактическая потребляемая ею мощность будет равна 50 Вт, что даст возможность менять мощность от 14,4 до 87,5 Вт.

Если же в распоряжении умельца окажутся менее дефицитные сейчас лампы на 127 В, а напряжение в доме 220 В, то и это не беда. Соединив лампы равной мощности попарно последовательно, без проблем удастся изготовить нужный подогреватель.

2 лампы мощностью по 15 Вт, соединенные последовательно, будут потреблять мощность 26 Вт (а не 30 Вт). Если их подключить через ограничительный диод, то потребляемая лампами мощность снизится вдвое, то есть до 13 Вт (см. рис. 4). Точно так же включены и лампы номинальной мощностью 25 Вт и 60 Вт. Эти пары будут на самом деле потреблять соответственно 21,6 и 52 Вт. При этом мощность подогревателя можно будет регулировать в пределах от 13 до 86,6 Вт. Ясно, что лампы при этом будут достаточно надежно защищены от преждевременного перегорания.

* * *

До сих пор мы рассмотрели варианты, в которых регулирование мощности подогревателя производилось ступенчато. Однако такую регулировку вполне по силам сделать и плавной. Для этого следует взять лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) либо применить самодельный или промышленный тиристорный (симисторный) регулятор мощности (светорегулятор), который пока еще бывает в продаже (например, типа СРП-300-1, рассчитанный на мощность нагрузки от 60 до 300 Вт). Сразу же заметим, что, если лампы включать только с помощью этих устройств, причем достаточно плавно, вполне гарантируется их надежная и долговечная работа.

Кстати, имея ЛATP или светорегулятор, можно обойтись одной лампой EL1, номинальная мощность 100…150 Вт (рис. 5 и 6).

Рис. 5. Схема электронагрева, регулируемого с помощью ЛАТРа

Рис. 6. Схема электронагрева, регулируемого с помощью светорегулятора

В этом случае, подобрав опытным путем нужное положение ручки «ЛАТРа или регулятора мощности и сверяя фактически достигнутую температуру по термометру, который целесообразно расположить внутри шкафа, в зависимости от температуры воздуха на улице внутри термоящика легко установить оптимальный температурный режим 2…4 °C. Более того, вместо лампы здесь подойдет любой электронагревательный прибор — паяльник, плитка, утюг или ТЭН подходящей мощности. Естественно, делать это нужно при соблюдении всех необходимых мер пожаро- и электробезопасности!

Однако же, как нетрудно заметить, все перечисленные электросхемы обладают одним серьезным недостатком — они требуют непрерывного контроля за своей работой, а также постоянной регулировки в зависимости от погодных условий. Это довольно неудобно. На самом деле ведь никому не придет в голову, что домашний холодильник нужно все время подстраивать, регулировать в зависимости от температуры в комнате.

Чтобы избежать этого весьма существенного недостатка, требуется ввести в термошкаф устройство автоматического регулирования температуры, которое уже в течение десятилетий используется в бытовых холодильниках. Более того, в термошкафе такое устройство более нужно, чем в домашнем холодильнике, ведь температура в комнате почти неизменна. Иное дело улица. Здесь не в диковинку, что после крепкого мороза вдруг наступит оттепель, либо теплая погода неожиданно сменится сильными заморозками.

В простейшем случае спасет положение существующая автоматика бытового холодильника. Здесь контакты SK1 термостата управляют работой нагревателя (лампа EL1) с помощью электромагнитного реле.

Чтобы понять, как работает эта схема, первоначально целесообразно рассмотреть устройство самого термостата.

По существу, термостат представляет собой своеобразный термометр, который устанавливается рядом с морозильной камерой — испарителем холодильника. Вместо «носика» градусника у термостата имеется довольно длинная и тонкая медная трубка, собственно и реагирующая на изменения температуры в «морозилке». Эта чувствительная трубочка и связанная с ней внутренняя полость термостатав виде гармошки (сильфон) заполнены газом и герметично запаяны.

Когда температура повышается, «гармошка» сильфона распрямляется и наоборот. С сильфоном механически связаны встроенные в термостат электрические контакты. При достаточно высокой температуре (например, комнатной) эти контакты замкнуты. Если же вследствие работы агрегата температура падает, контакты размыкаются. Регулировку момента размыкания контактов термостата по температуре можно изменять, вращая расположенную на нем ручку. Именно это мы и делаем, выставляя режим работы холодильника: таяние, норма, холодно. Причем, вывернув ручку до упора против часовой стрелки, мы отключаем контакты термостата.

Когда температура довольно высока (скажем, комнатная), контакты термостата замкнуты, то есть холодильник работает.

В нашем же случае задача термостата несколько иная. Здесь он должен включать подогреватель, когда температура станет ниже той, которая требуется для хранения овощей. Одним словом, нам требуется прямо противоположный (противофазный) сигнал. Рассмотрим работу нужной нам схемы (рис. 7).

Рис. 7. Схема электронагрева с реле, работающим от переменного тока

Чтобы изменить фазу сигнала с контактов SK1 термостата, здесь использовано электромагнитное реле.

Если температура воздуха, окружающего термостат, достаточно велика, его контакты SK1 замкнуты. При этом обмотка К1 реле находится под током, а его контактная группа К1.1 разомкнута, то есть лампа EL1 не включена.

Если же температура внутри шкафа снизится настолько, что контакты SK1 термостата разомкнутся, обмотка KI реле будет обесточена, а его контактная группа KI замкнет цепь питания лампы EL1 через диод VD 1. При этом лампа будет гореть, нагревая воздух внутри шкафа.

Как только шкаф прогреется, контакты SKI термостата замкнутся, обмотка KI вновь окажется под током, а лампа EL1 погаснет. Таким образом, в зависимости от температуры в термошкафу, термостат будет то включать, то выключать подогрев, обеспечивая тем самым поддержание нужной температуры внутри термошкафа.

В схеме, приведенной на рис. 7, можно применить либо одну лампу номинальной мощности 150…200 Вт, либо несколько параллельно соединенных ламп мощностью 100 Вт. Следует помнить, что в результате ограничительного действия диода VD1 фактическая потребляемая лампой (лампами) мощность будет вдвое ниже номинальной.

Термостат подойдет практически любой, например, наиболее распространенный сейчас термостат типа АРТ-2 (автоматический регулятор температуры). Реле должно быть рассчитано на подключение к сети переменного тока 220 В, например, реле типа МКУ-48С (в защитном пластмассовом кожухе) или МКУ-48 (без кожуха).

Если реле МКУ-48 (МКУ-48С) уже не новое, а паспортные данные на него отсутствуют, «переменные» реле от «постоянных» различить довольно легко: у первых выступающий из катушки (обмотки) свободный конец сердечника реле разрезан на две части, одна из которых охвачена короткозамкнутым витком в виде нескольких шайб из красной меди. Этот виток устраняет дрожание подвижных частей реле при питании его обмотки переменным током с частотой 50 Гц.

Если же достать реле переменного тока не удастся, то ставьте реле постоянного тока. Однако при этом придется несколько усложнить схему, подключив обмотку КИ реле через уже известный нам диодный мостик VD1-VD4 (рис. 8,а) или же просто через пару диодов VD1, VD2 (рис. 8,б), один из которых пропускает на обмотку К1 только положительные полуволны сетевого напряжения, а второй поддерживает ток в обмотке К1 во время отрицательных полуволн напряжения.

Рис. 8. Схема электронагрева с реле, работающим от постоянного тока:

_{а — с диодным мостиком VD1-VD4; б — с 2 диодами VD1 и VD2}

И в том, и другом случаях предотвращается вибрация якоря реле. Если же вместо реле типа МКУ-48 (МКУ-48С) ставится какое-либо иное высоковольтное реле, то для предотвращения вибрации его якоря одних диодов уже недостаточно, и придется параллельно обмотке К1 реле включить оксидный (электролитический) конденсатор. Емкость этого конденсатора (ориентировочно) не менее 20…50 мкФ, рабочее напряжение — более 450 В.

При использовании готового термостата от холодильника необходимо учитывать следующие обстоятельства:

во-первых, предусмотреть все меры электробезопасности — ведь нагреватели работают под напряжением 220 В;

во-вторых, обращение с термостатом, в особенности с его чувствительной трубкой, требует особой аккуратности — в случае нарушения герметичности трубки или стенки полости термостата наполняющий их газ испарится, и прибор перестанет работать;

в-третьих, чтобы установить требуемую для работы термошкафа температуру с помощью регулировочной ручки термостата, потребуется ее почти полностью вывести до положения таяния в холодильнике. (Но вывести не до конца, поскольку в этом положении контакты термостата, как уже сказано, постоянно выключены!) Конечно, регулировать температуру ручкой термостата, установленной в крайнем положении, сложновато, поэтому попытайтесь «сместить» ручку термостата ближе к среднему положению, немного сплющив кончик его чувствительной трубки. Тогда выставить ручкой требуемую температуру будет существенно легче. Однако работа эта очень деликатная, и браться за нее следует лишь умельцам, обладающим необходимыми слесарными навыками. Остальным же делать это не рекомендуется, чтобы невзначай не повредить этот прибор.

Для умельцев же стоит рассказать, как проверить срабатывание контактов термостата, если он был перестроен или если возникли сомнения в том, что он вообще работоспособен.

Для этого достаточно всего двух приборов: ртутного или спиртового термометра и омметра (либо тестера, включенного в режим измерения сопротивления). Если омметра (тестера) нет, то легко обойтись и батарейкой с лампочкой от карманного фонаря. Креме того, потребуется источник холода. Им может быть либо уличный воздух (зимой), либо домашний холодильник (в любое время года). Подойдет и достаточно большой кусок сухого льда.

Наш «образцовый» термометр должен непосредственно контактировать с чувствительной трубкой термостата. Лучше всего его укрепить на ней с помощью ниток, куска веревки, отрезка лейкопластыря или изоляционной ленты. Трубку желательно свернуть в плавную (без изгибов!) спираль. (Именно в таком виде новый термостат поступает в продажу.)

Вначале следует задать какую-либо температуру ручкой термостата. Она должна быть близка к тому положению, при котором контакты термостата заведомо разомкнуты.

Далее с помощью омметра или пробника следует убедиться, что контакты термостата замкнуты. Поместив термостат на мороз (или в холодильник), нужно зафиксировать по градуснику ту температуру, при которой контакты термостата разомкнутся. Об этом будет свидетельствовать потухшая лампа пробника или бесконечно большое сопротивление по шкале омметра.

Если же контакты термостата не размыкаются, как бы мы его ни охлаждали, либо если они разомкнуты при любом положении регулировочной ручки, то термостат неисправен.

Несколько слов стоит уделить размещению термостата-холодильника в готовой конструкции «овощехранилища». Расположение трубки термостата внутри шкафа подбирают опытным путем. При этом исходят из того, что включение электроподогрева должно происходить тогда, как только ранее запасенное тепло снизу (от подогревателя) поднимется вверх и рассеется через крышку и стенки, либо уйдет в атмосферу при очередном доставании овощей.

По этой причине чувствительную трубку термостата располагают по возможности ближе к подогревателю. (Аналогично тому, как в холодильнике она окружает испарительную камеру) Однако чересчур близко подводить трубку к подогревателю нельзя, поскольку после его очередного включения нагрев трубки будет происходить слишком быстро, что приведет к преждевременному замыканию контактов термостата, а значит, очередная порция тепла будет слишком мала, и весь объем ящика не успеет в достаточной мере прогреться. Кроме того, расположить эту трубку надо так, чтобы случайно не повредить ее при перекладывании в ящике овощей.