اتصال کوتاه

.

.

.

گرم کردن با نیروی برق، به ویژه برای محیط های بسته، بهترین روش گرمایش است. تبدیل نیروی برق به انرژی گرمایی نه تنها بسیار تمیز است و هیچ گاز خطرناک یا دوده ای تولید نمی کند، بلکه به سادگی و به دقت قابل کنترل و تنظیم و نظارت است. اما بسیاری از گرمکن های برقی فاقد ترموستات هستند و یا ترموستات مکانیکی از نوع «بی متال» دارند که مستقیماً داخل وسیله ی گرمایشی قرار دارد و در حقیقت نه دمای اتاق، بلکه دمای اطراف خود گرمکن را تا حدودی ثابت نگه می دارد!

در اینجا مدار ساده ای را معرفی می کنیم که توان الکتریکی وارده به گرمکن برقی را با کنترل فاز برق ورودی به آن، به نرمی بین صفر تا 95% توان اسمی آن، کنترل می کند.

همان طور که در تصویر زیر دیده می شود، مدار از تعداد کمی افزاره های الکترونیکی ارزان قیمت تشکیل شده و در چند ساعت به طور کامل ساخته و آماده ی نصب و استفاده می شود.

.

.

ضمن یادآوری مجدد این نکته ی مهم که تمام بخش های این مدار به شبکه ی برق شهری وصل می شود و بسیار خطرناک است، خوب است بدانیم که این مدار یک طراحی خالص AC است. افزاره های به کار رفته در طرح شامل «ترایاک»، «دیاک»، خازن، مقاومت پتانسیومتر و «ترمیستور»، همگی افزاره های جریان متناوب هستند. در این مدار برای سرکوب کردن پالس های ولتاژی که به علل مختلف روی شبکه ی برق شهری وجود دارند، از دو عدد دیود زینر استفاده کرده ایم که پشت به پشت به هم بسته شده اند. اما اگر شما یک «وریستور» از نوع اکسید فلزی  یا به انگلیسی MOV=Metal Oxide Varistor با همین مشخصات در اختیار داشتید، می توانید از آن به جای دو دیود زینر ذکر شده استفاده کنید. تنها وسایل غیر AC در این مدار ترانزیستورهای آن می باشند که یک «زوج مکمل» هستند و می بایستی کلکتورهای آنها را از طریق دو دیود به هم وصل می کردیم تا در حقیقت از مجموع این 4 افزاره، یک «ترانزیستور AC» درست کنیم، ترانزیستوری که در هر دو نیم سیکل برق، هم نیم سیکل منفی و هم نیم سیکل مثبت، عمل کند. این تدبیر خیلی خوب جواب می دهد، اما اگر مشخصات ترانزیستورها به اندازه ی کافی به هم نزدیک نباشد، می تواند سبب شود که ترایاک در یک نیم سیکل زودتر از نیم سیکل دیگر «آتش شود» (به هدایت برود). این امر می تواند در معدودی از حالات باعث سوار شدن یک جزء DC روی خط شبکه ی AC شود که ممکن است به مشکلاتی منتهی گردد. بدین دلیل، خوب است که در انتخاب دو ترانزیستور به کار رفته در این مدار دقت بیشتری گردد که مشخصات آنها تا حد ممکن به هم نزدیک و به قول انگلیسی  Matched Pair باشند.

خوب، حالا فرض می کنیم که کار مدار با یک نیم سیکل مثبت آغاز شود. با بالارفتن ولتاژ، مقاومت 22 کیلواهمی مدار را تغذیه می کند. دیود زینر بالایی ولتاژ ورودی به مدار از طریق این مقاومت را روی 42 ولت نگه می دارد، در حالی که دیود زینر پایینی فقط در حالت هدایت قرار دارد. پتانسیومتر 100 کیلواهمی طوری تنظیم شده که ولتاژ بیس-امیتر ترانزیستورها درست در مرز کفایت برای هدایت ترانزیستور مثبت (PNP) قرار داشه باشد. خازن به آرامی شروع به شارژ شدن می کند تا موقعی که ولتاژ آن، در طول زمان این نیم سیکل، به 32 ولت برسد. در این ولتاژ «دیاک» آتش می شود و به حالت هدایت می رود و شارژ خازن را در ترایاک تخلیه می کند. در نتیجه، ترایاک هم آتش شده و برای باقی مانده ی این نیم سیکل به وضعیت هدایت می رود و ولتاژ تغذیه ی مدار کنترل پیش از خود را قطع (صفر) می کند.

در نیم سیکل منفی همه چیز همان طور که در نیم سیک مثبت بود، عیناً تکرار می شود، به استثنای این که زینرها نقش خود را با هم عوض می کنند و ترانزیستور منفی (NPN) به حالت هدایت می رود. در هر دو حالت، آن ترانزیستوری که بیکار می ماند، پیوند بیس-امیترش 0/6 ولت معکوس دریافت می کند و کلکتورش توسط دیود مربوطه ایزوله و جداسازی می شود.

اگر دمای اتاق تنها اندکی افزایش یابد، مقدار اهمی مقاومت NTC کمی کاهش می پذیرد. این امر موجب کم شدن ولتاژ بیس-امیتر ترانزیستورها می شود. در نتیجه جریان کلکتور-امیتر ترانزیستورها به شدت تنزل می کند و به این ترتیب، ترایاک بسیار دیرتر در طول زمان حضور نیم سیکل آتش می شود. بنابراین، مقدار توانی که توسط ترایاک به مصرف کننده (بار، که مثلاً یک المنت گرمکن است) منتقل می شود، به شدت کاهش پیدا می کند. حال اگر دما به اندازه ی کافی بالا برود، مثلاً بر اثر تابش نور آفتاب از پنجره به داخل اتاق، دیگر شارژ خازن اصولاً به 32 ولت نخواهد رسید و ترایاک هیچ آتش نمی شود و مصرف کننده (المنت گرمکن) به طور کامل بدون جریان می ماند. در طول توالی سیکل ها خازن مرتباً به صورت مثبت و منفی پر خواهد شد، اما مقدار انرژی ذخیره شده در آن چنان نیست که ولتاژ آن را به 32 ولت برساند. بنابراین دیاک هرگز آتش نمی شود و المنت گرمکن خاموش باقی می ماند. در سیکل های بعدی خازن به صورت منفی و مثبت شارژ خواهد شد، هیچگاه ولتاژ کافی برای آتش کردن دیاک به دست نمی آورد و بروز حالت مشکل برانگیزی را که در برخی طراحی ها وجود دارد و به آن Odd-Cycle Firing می گویند، حذف می کند.

در دماهای کمتر، ترانزیستورها اشباع هستند و ترایاک را، در همان لحظات آغازین رسیدن دامنه ی نیم سیکل به 42 ولت، آتش می کنند. به این ترتیب مصرف کننده می تواند در حدود 95% کل انرژی را از مدار دریافت کند.

.

نکات عملی در ساخت و کاربرد دستگاه

تلفات توان روی مقاومت 22 کیلواهمی از توان اتلافی روی گرمکن در زمان کاهش توان خروجی مدار بیش تر است و هنگامی که گرمکن کاملاً قطع باشد این توان به حدود 2 وات می رسد. افت ولتاژ در ترایاک در حدود 1/5 ولت است. بنابراین، با داشتن یک گرمکن 2 کیلوواتی، تلفات درون ترایاک در حدود 15 وات خواهد بود! روشن است که ترایاک داغ می شود و برای دفع حرارت به گرماگیر نیاز دارد. زبانه ی فلزی پشت ترایاک به پایانه ی  یکی از آنودهای آن وصل است و مستقیماً با برق شبکه در ارتباط می باشد. به این علت ترایاک را نمی توان با پیچ و مهره به بدنه ی فلزی ترموستات وصل کرد، زیرا بدنه ی آن برقدار خواهد شد! لازم به ذکر نیست که از این طور بی مبالاتی های خطرناک باید اکیداً دوری کرد. تنها راه درست، استفاده از ترایاک هایی است که زبانه ی گرماگیر آنها از داخل عایق شده اند و از نظر الکتریکی خنثی می باشند. این ترایاک ها در همه ی فروشگاه های معتبر الکترونیک به فروش می رسند.

هم ترایاک و هم مقاومت 22 کیلواهمی، و به درجاتی کمتر بقیه ی افزاره های این مدار گرما تولید می کنند و اگر شما در انتخاب محل استقرار ترمیستور دقت نکنید، این حرارت بر عملکرد ترمیستور تاثیر خواهد گذاشت و باعث خطای عملکرد ترموستات خواهد شد. از سوی دیگر باید توجه کرد که در صورت قرار دادن ترمیستور در نقطه ای دور از ترموستات و کشیدن سیم طولانی بین دو عضو دستگاه، این خطر وجود دارد که سیم ارتباطی مانند یک آنتن عمل کرده و انرژی فرکانس بالای ناشی از فرستنده های اطراف، گوشی های تلفن و حتی WLANها به آن القا و جذب شوند و باعث روشن و خاموش شدن های "بی دلیل" مدار ترموستات شوند که می تواند به نوبه ی خود خطراتی را به وجود بیاورد. بهتر آن است که ترمیستور و بقیه ی مدار ترموستات را نزدیک هم و به صورتی قرار دهید که جریان هوا بتواند به صورت عمودی در جعبه ی آن جریان داشته باشد و ترمیستور در پایین ترین نقطه در داخل جعبه و افزاره های مولد گرما در بالای آن مستقر باشند. حتی می توان به کمک چند قطعه ی کوچک آلومینیومی نوعی جداسازی حرارتی در داخل جعبه بین ترمیستور و قسمت های گرم مدار ایجاد نمود. به هر حال، توجه داشته باشید که ترمیستور باید دمای اتاق را حس کند، نه چیز دیگر!

.

.

طرح فیبر مدار چاپی پیشنهادی و ترتیب چینش افزاره ها بر روی آن در تصویر بالا دیده می شود. محل استقرار ترایاک مخصوصاً در لبه ی فیبر طراحی شده تا امکان نصب آسان گرماگیر و یا پیچ گردن آن به بدنه ی فلزی جعبه ی ترموستات (با رعایت نکاتی که در بالا گفته شد) وجود داشته باشد.

مشخصات اجزا و افزاره ها در نقشه آمده است. ترمیستور (NTC) باید در هوای 25 درجه (شرایط متعارفی) در حدود یک کیلواهم مقاومت داشته باشد. زینرهای 42 ولتی را از سری کردن زینرهای دیگر (مثلاً 30+12 ولت) نیز می توان درست کرد. توان 1 یا 1/3 وات برای این زینرها ضروری است.

.

زمینه های کاربرد این ترموستات

علاوه بر استفاده از این ترموستات ساده و ارزان در وسایل گرمایشی خانه، از آن می توان برای کنترل دمای آکواریوم ماهیان آب های گرمسیری، در فرآیندها و فعل و انفعالات کنترل شده ی شیمیایی، و اصولاً در هر جای دیگری که خطای اندازه گیری در حدود 2 درجه ی سانتی گراد قابل قبول باشد، بهره گیری نمود.

.

.

مطالب مرتبط:

http://etesalkootah.ir/1394/06/01/Adjustable_Thermostat_with_Hystersis

http://etesalkootah.ir/1394/04/15/How_to_Build_Zener_Diode_with_Desired_V_and_W

.

.