Обогреватель на дистанционном управлении. Часть 1.
Возможно, в каждом доме найдется обыкновенный электрический обогреватель. Скорее всего, он не плохо справляется со своей основной задачей — обогревом. Но как на счет щелканья, шума вентилятора, контроля температуры, удаленного использования… Давайте посмотрим, как можно избавить самый дешевый обогреватель от всех недостатков и, кроме того, сделать его частью вашего «умного дома».
Прежде чем перейти к сути, хочу заметить, что моей целью является показать, насколько может быть увлекательна электроника. Особенно тем, кто стоит в начале пути. Пробуйте, ошибайтесь и результат вас обязательно порадует. Все что нужно для сборки, в наше время, стало гораздо доступней и дешевле. Вопрос зачастую только в желании. Я, как обычно, попробую последовательно, шаг за шагом объяснить свои идеи. Если что-то упустил или не понятно пишите в комменты, будем разбираться.
Чтобы не сильно удлинять статью разобьем ее на несколько частей. В первой части рассмотрим:
Во второй части разберемся со светодиодной индикацией, рассмотрим логику работы.
И в третьей части посмотрим, что получилось в результате сборки и подключим обогреватель к системе умного дома.
Эта статья является логическим продолжением статьи «Модуль YK04 — основа для дистанционного управления нагрузками». В этом проекте я буду использовать этот модуль для подачи сигналов дистанционного управления. Обогреватель, который буду переделывать, выбран абсолютно случайно (т.е. тот, что был под рукой). В моем случае это будет так называемый воздухонагреватель RedVerg RD-EHS2. Нагревательный элемент на двух тэнах по 1 кВт. Обогреватель в целом неплохой, но лопасти его пропеллера больно уж шумные. На ночь оставлять только с тампонами в ушах. Придется избавиться от такого вентилятора. Вместо него буду использовать 12 вольтовый малошумный компьютерный вентилятор диаметром 120 мм (если возьмете 140 мм будет только лучше). Запитывать всю схему буду от импульсного блока питания с выходным током в 1А и напряжением 12 вольт. На Aliexpress такого добра полно и не дорого (ссылка на магазин). Импульсный блок питания имеет небольшие размеры, а в условиях малого пространства это важно.
Что мы получим в результате
Итак, как все будет работать. При подключении прибора к сети 220 вольт он перейдет в дежурный режим. При этом выведенные наружу светодиоды белого цвета будут изредка медленно загораться и гаснуть. Питание подано только на часть схемы, отвечающую за прием управляющего сигнала.
Напомню, что сигналов управления у нас четыре A, B, C, D. При подаче сигнала A включается вентилятор, светодиоды синий и зеленый перемигивают демонстрируя вращение вентилятора. Сам вентилятор вращается в двух режимах, которые переключается сигналом B.
Первый режим работы вентилятора – вентилятор начинает вращение со скоростью выше средней, по мере разогрева тэна скорость увеличивается. Но при этом тэн немного охлаждается и скорость замедляется. После отключения тэна вентилятор продолжает его охлаждать. Что не даст еще горячему тэну нагревать корпус обогревателя. Синий и зеленый светодиод перемигивают быстро. Прогрев помещения максимально эффективный, несколько шумноват.
Второй режим работы вентилятора (ночной режим) – при отключенном тэне вентилятор вращается медленно. При разогреве скорость вентилятора плавно нарастает до среднего значения, достаточного для охлаждения нагревателя. При этом уровень шума остается низкий. При остывании тэна вентилятор постепенно переходит к вращению с минимальной скоростью. Синий и зеленый светодиод перемигивают медленно. Эффективность движения теплого воздуха уменьшается, но шум минимальный.
Сигнал C включает тэн или спираль, т.е. непосредственно запускает обогрев. Загораются красные светодиоды, демонстрируя нагрев. Ну, и сигнал D будет отключать или включать светодиодную подсветку. Что полезно для работы в ночное время. (Индикаторный красный светодиод включения обогрева все же оставлю в любом случае).
Доработка схемы включения триггера
В предыдущей статье мы остановились на схеме триггера на микросхеме CD4013:
Все бы хорошо, но в схеме есть один важный недостаток. Каждый раз при включении, на выходе триггера значение «1» или «0» будет устанавливаться произвольно. Такая непредсказуемость совсем не к месту. Нам нужен «0» на прямых выходах триггера и соответственно «1» на инвертированных выходах. К счастью, проблема легко решается. В нашем случае на выводы RESET триггеров, через конденсаторы необходимо подать питающее напряжение + 5 вольт.
Сразу при включении конденсаторы разряжены и пока не зарядятся через них будет протекать ток, устанавливая «1» на выходах RESET. При этом на выходах Q установится «0». Вся информация по установке значений на выводах триггера находится в его даташите. Скорость заряда будет зависеть от величины резистора и емкости конденсатора. Чем выше их номиналы, тем дольше происходит заряд. При отключении питания конденсаторы разряжаются через те же резисторы. Номиналы конденсаторов и резисторов, представленные на схеме, отлично справляются со своей задачей.
Подведем итог: при подключении к сети на выходах А1, В1, С1, D1 устанавливается «0» — напряжение близко к нулю, на инверсных выводах триггера А0, В0, С0, D0 устанавливается «1» — напряжение близко к напряжению питания триггера (+5 вольт). Для построения схемы пригодятся как прямые, так и инверсные выходы.
Схема включения вентилятора
Поскольку нагрев тэнов обогревателя без работы вентилятора может привести к перегреву, включение вентилятора должно быть первоочередным. К тому же вентилятор может работать и в жаркую погоду, просто перемешивая воздух.
Управлять вентилятором я буду с помощью ШИМ-контроллера или преобразователя DC-DC на основе микросхемки MP2315 (аббревиатура на микросхеме IAGCH) (на алиэкспрессе)
У контроллера хорошие температурные показатели, что важно при размещении в корпусе обогревателя. К тому же на плате распаяны резисторы для снятия фиксированного выходного напряжения. Этим можно воспользоваться для задания различных режимов работы. Внешний вид модуля и его схема приведена ниже:
Как видно из схемы задать необходимое напряжение на выходе модуля очень просто. Необходимо изолировать построечный резистор и вместо него подключить необходимый фиксированный. Например, чтобы задать 5 вольт нужно соединить перемычкой слева и разрезать справа (см. рисунок ниже)
Для работы в малошумном режиме соединим перемычки в точке «А», а для работы вентилятора в более быстром, но и более шумном режиме – в точке «В».
Вот только спаивать эти места мы не будем. Соединение будет происходить с помощью MOSFET транзисторов. Посмотрим схему ниже.
Истоки транзисторов соединены между собой. Напряжение на стоках относительно земли приблизительно 0,8 В. Значит при напряжении на затворе 5 вольт, управляющее напряжение составит 4,2 вольта. Что, в общем, вполне достаточно для нормальной работы транзисторов в ключевом режиме. Управляющий сигнал на транзисторы необходимо подавать таким образом, чтобы в любой момент времени был открыт только один из них.
Замечание: не стоит выбирать для работы в малошумном режиме слишком малое напряжение, оборотов должно быть достаточно для охлаждения тэна
Если для управления переключением транзисторов имеется только один сигнал, можно применить схему с простым инвертором.
В нашем случае она не потребуется.
Если расположить между землей и стоками транзисторов датчик температуры, то можно добавить дополнительный эффект. При росте температуры сопротивление датчика будет уменьшаться, а напряжение на вентиляторе расти. С помощью построечного резистора можно более точно настроить начальное напряжения на вентиляторе.
К сожалению, термодатчик даст возможность изменять напряжения только в пределах 1.5 вольт и то, если установить два датчика по 10 кОм последовательно друг другу. Самым эффективным решением будет выпаять smd резистор и заменить его на терморезистор. Смотрите ниже на рисунок.
При этом размах изменения напряжения увеличится фактически вдвое, но придется повозиться с мелкими контактами.
Если вдруг появятся пульсации, выраженные писком вентилятора, можно дополнительно установить конденсатор побольше емкости параллельно выходу контроллера. Это не уберет совсем, но снизит помеху. Впрочем, если все спаять правильно шумов быть не должно. Для переключения я использовал транзисторы IRF1404. Но думаю подойдут и другие с низким сопротивление сток/исток и напряжением открытия от 4 вольт.
Для запуска контроллера потребуется еще один MOSFET, включенный истоком и стоком между общей «землей» и «землей» контроллера. Включаться он будет при появлении управляющего напряжения на контакте А1. Транзистор откроется и на контроллере появится входное напряжение от 12 вольтового блока питания. Таким образом схема примет вид:
Устанавливать резистор на затворе не обязательно, т.к. скорость переключения явно не будет высокой. И все же я их установил с параметрами рекомендуемыми в даташите. Можете считать меня параноиком, но токи включения/выключения никто не отменял.
Схема в структурном виде:
Схема включения силовой нагрузки (нагревателя)
Лучшим способом включения высоковольтной нагрузки с помощью управляющего напряжения малой мощности, будет использование симисторной оптопары. Подробно работа схемы описана в статье «Симисторная оптопара. Управление симистором.»
Озвучу лишь некоторые нюансы, касающиеся нашего случая. Я использовал в схеме оптосимистор MOC3083. Напомню его внутреннюю структуру.
Озвучу лишь некоторые нюансы, касающиеся нашего случая. Я использовал в схеме оптосимистор MOC3083. Его внутренняя структура на рисунке справа.
Для нормального включения оптрона необходим ток 10 мА, с учетом ослабления свечения внутреннего светодиода от времени. Замеры показали, что ток нашего управляющего сигнала 5мА. И хотя его достаточно для включения оптосимистора, его может не хватить со временем.
Поэтому в схему включения я добавил транзистор (в моем случае 2N5551). После транзистора ток усилится с избытком, поэтому необходим ограничительный резистор. С учетом падения напряжения на транзисторе, 330 Ом будет как раз то, что нужно.
Объединим со схемой включения вентилятора получим:
В структурном виде:
