Термореле с выносным датчиком температуры: принцип работы

Термореле с выносным датчиком температуры — это устройство для поддержания температуры в заданых пределах. Без него нельзя обойтись в системах отопления, микроклимата и теплицах. Подобные устройства различаются, как характеристиками, так ценой и надежностью. Сделать правильный выбор можно после получения общей информации о таких устройствах.

Что делает термореле

Устройства рассматриваемого типа относятся к классу термостатов. Например, таким считается термореле с выносным датчиком температуры. Это значит, что реле поддерживает температуру в заданных границах. Когда температура выходит за эти границы, реле переключает устройство нагрева: котел, теплый пол, обогреватель или тэн. Переключение делается таким образом, чтобы температура вернулась в заданные границы.

В самом простом случае термостат включает нагреватель, когда температура понизилась и стала меньше требуемой, и выключает, когда температура поднялась выше требуемой. Сложные терморегуляторы могут подключать и отключать несколько секций нагревателей или плавно регулировать мощность.

Термореле состоят из двух обязательных частей: датчика температуры и исполнительного устройства — это часть, которая замыкает контакты в силовой цепи. Эти части совмещаются в одном устройстве или соединяются с помощью кабеля. В каждом из этих случаев, реле работает правильно только тогда, когда датчик расположен там, где выдерживается задаваемая температура.

Кроме датчика и контактов выхода термореле часто содержат также устройство для установки желаемой температуры. В старых устройствах такое устройство выглядело как поворотная ручка или диск с шкалой, наносимой по радиусу указывающего клювика или метки. Новые, современные устройства, в большинстве цифровые и содержат несколько клавиш и дисплей. Но в некоторых моделях температура задается по прежнему, поворотной ручкой, что предпочитают потребители, в основном пожилые люди, с устоявшимися привычками. Выбор на рынке достаточен.

Основные параметры термореле

Таких параметров несколько. Вот самые важные из них:

• диапазон рабочих температур;
• точность уставки;
• гистерезис;
• мощность нагрузки.

Задаваемая для работы реле температура называется уставкой. Уставка лежит в диапазоне рабочих температур, с которыми работает температурное реле.

Гистерезисом называется промежуток температур устойчивого состояния реле, когда реле поддерживает нагрузку во включенном состоянии. Уставка может занимать любое положение на этом промежутке, но принадлежит этому промежутку. Гистерезис не есть плохое качество реле, часто нормируется, даже отдельно регулируется и помогает избежать слишком частого переключения в цепи нагревателей, которое будет сокращать срок службы тэнов.

В домашних устройствах положение уставки характеризуется как “плюс-минус”. Так проще считать. Например, комнатная температура комфортна для человека в пределах 18-20 градусов Цельсия. Если гистерезис регулятора составляет 1 градус, то уставка в этом случае составит 19 градусов. Если при этом точность термореле составляет 0,5 градусов, то температура будет поддерживаться в пределах 17,5 … 20,5 градусов. Говоря точнее, будет срабатывать термореле, а истинная температура будет определяться мощностью нагревателя, который работает совместно с этим реле.

Мощность нагрузки выражается через ток, который реле способно переключать. Известно, что электронагреватели потребляют наибольшую мощность среди остальных потребителей энергии. Значит, таким нагревателям необходим достаточный ток и реле должно обеспечить этот ток своими контактами. Если токовая нагрузка слишком велика для контактов реле, то используют промежуточное реле: магнитный пускатель или электронный силовой ключ. Иначе контакты реле быстро подгорят и реле выйдет из строя.

Виды термореле и его устройство

Применяются такие типы термореле, которые отличаются друг от друга принципами работы:

1. Реле с биметаллической пластиной.
2. Реле с термосопротивлением.
3. Реле с термопарой.
4. Реле с цифровым датчиком.

Рассмотрим каждый из видов этих реле подробнее. Такие термореле продаются и потребителю следует иметь о них достаточное представление.

C биметаллической пластиной

Эти реле стали применяться одними из первых и для своего времени были лучшими. В реле с биметаллической пластиной датчик температуры и контакты внешней цепи расположены рядо. Как основная деталь используется биметаллическая пластина. Ее изготавливают из двух металлов с различными коэффициентами теплового расширения. При нагреве, металл с большим коэффициентом расширяется сильнее другого. Это приводит к тому, что деталь, изготовленная из такой пластины, начинает изгибаться с постоянной зависимостью от температуры.

Изгибающаяся пластина действует на механическую часть с контактами, которые замыкаются и размыкаются под действием температур. Для добавления гистерезиса в механическую часть добавлено упругое коромысло, придающее механизму триггерный эффект для четкого переключения. На этот механизм также производится регулирующее действие со стороны винта, связанного со шкалой, размеченной в градусах или условных знаках.

На рисунке выше показан пример биметаллического реле (клапана) для водяной системы отопления. В настоящем реле вместо штока или плунжера усилие передается на электрические контакты. Подобное устройство использовалось в старых электроутюгах, тепловых реле магнитных пускателей, и до сих пор используется (в нерегулируемом исполнении) для защиты электрочайников от включения без воды. Но не только. Ему находилось применение в промышленности. У лучших образцов достигалась хорошая точность, но за счет усложнения и высокой цены.

Для чего нужен терморегулятор на батарею отопления, как он устроен, как им пользоваться и как самому смонтировать – обо всем этом мы расскажем в специальной статье.

В биметаллических реле, чтобы управлять уставкой и гистерезисом одновременно, часто применялось сразу два реле, перекидные контакты которых соединялись в соответствии с требуемой логикой. Такое реле показано на рисунке выше. На нем видна одна из двух биметаллических пластин, которую для большей чувствительности свернули в спираль. Одна шкала использовалась для уставки включения, а другая — для уставки выключения и гистерезис выбирался произвольно.

Преимуществами биметаллических термореле является их дешевизна и надежность, а недостатками — чувствительность к толчкам и ударам, а также невысокая точность и невозможность использовать выносной датчик.

Реле с термосопротивлением

Термореле с сопротивлением использует зависимость электрического сопротивления проводника или полупроводника от окружающей температуры. Этот тип реле распространился в 1970-х годах в промышленности, когда стали использоваться операционные усилители. Датчик в таком реле можно выносить на достаточное расстояние, а сам датчик может иметь миниатюрные размеры.

В качестве датчика в промышленных термореле использовались стандартные медные или платиновые сопротивления, заключаемые в герметичный корпус из нержавеющей стали. Такие датчики взаимозаменяемы. В простых и дешевых моделях, в частности бытовых, где не требуется высокая точность и стабильность контроля, применяется термисторный датчик.

Обратите внимание! Термистор (полупроводниковый терморезистор) имеет хороший отклик на изменение температуры, но недостатком термистора является нелинейность зависимости сопротивления от температуры. Из-за этого, каждый прибор может работать только с одним типом датчика и даже одним экземпляром. При замене на однотипный может потребоваться повторная калибровка.

Электронная часть термостатов описываемого типа состоит из делителя напряжения, одним плечом которого используется термистор, а другим — сопротивление с малым температурным коэффициентом. Получаемый сигнал усиливается и управляет электромагнитным реле. Улучшенные схемы используют мостовое включение датчика, усилитель сигнала с моста и компаратор с регулируемым опорным (сравнивающим) напряжением. Уставка задается величиной опорного напряжения, а гистерезис — либо подбором усиления сигнала (в дешевых устройствах), либо применением двух компараторов.

Реле с термопарой

Этот тип устройств близок к предыдущему, работающему на термосопротивлениях. Разница состоит в том, что для регистрации температуры используется не изменение сопротивления датчика, а термо э.д.с. (электродвижущая сила). Э.д.с. возникает в сплаве (спае) двух изолированных проволок из разных металлов. Такие датчики имеют хорошие характеристики, но требуют компенсации для второго спая. Так как на практике его обычно нет, то эта компенсация создается искусственно, причем “холодный спай” считается имеющим температуру в 20 градусов Цельсия, стандартную нормальную (комнатную) температуру.

Примечание! “Холодный спай” назван так не за свою температуру, а за то, что он, в противоположность “горячему”, не участвует в измерениях.

Обратите внимание! Для приборов изготовленных в США для внутреннего рынка, нормальной температурой считается 27 градусов Цельсия.

Термопары стандартизованы и взаимозаменяемы, но только на оригинальный тип, на который настроен используемый прибор. Подключение термопар иногда может использовать три клеммы, к одной из которых подключается компенсирующий термистор. Это используется при повышенных требованиях к точности и малом рабочем диапазоне.

Обратите внимание! При подключении термопар требуется соблюдать правильную полярность. Это важно учитывать при ремонте после обрывов!

Реле с цифровым датчиком

Это самый современный тип термореле для диапазона температур от -50 до +100 градусов, то есть, близкого к сфере деятельности человека и окружающей среды.

В качестве датчика используется полупроводниковый кристалл большой интегральной схемы (меньше спичечной головки), содержащей полупроводниковый датчик и микропроцессор для обработки данных сигнала. Для связи с остальной частью реле используется три провода: земля, питание и однопроводный интерфейс.

Особенность таких датчиков — они могут соединяться параллельно “гирляндой”, до 64 датчика и работать независимо в одной сети на одной шине. Для работы с ними разработан специальный протокол: контроллер передает адрес датчика, вслед за чем получает от него ответ. Благодаря этому можно получать продвинутые устройства контроля температуры с гибкими конфигурациями и минимальным расходом проводов и кабелей.

На рисунке выше показана плата одноканального термореле с дисплеем. Три кнопки предназначены управления режимом работы. Одной кнопкой реле переводится в режим задания уставки, а две другие кнопки используются для “прокрутки” значений на дисплее. Затем устройство переходит в режим поддержания температуры. Это пример самого простого цифрового термореле для бюджетных применений.

Цифровое термореле не обязательно использует цифровые датчики температуры. Такое реле может быть изготовлено для аналоговых датчиков с оцифровкой входного сигнала в самом реле, но датчик будет выносным. В устройстве может быть расположен датчик, измеряющий его внутреннюю температуру.

Видео — Терморегуляторы с датчиком температуры воздуха

Реле на DIN-рейку

Модули, собираемые на DIN-рейку, теперь окончательно вытеснили старый щитовой монтаж оборудования в шкафах, очень неудобный для обслуживания и ремонта. Защелкивание на рейку занимает секунды. Провода прокладываются в кабельных лотках в пределах шкафа и зажимаются винтовыми клеммами в точках подключения при их полной доступности для монтажа и освещенности.

Таким способом собирается электротехническое оборудование промышленного, коммунального и бытового назначения. Не составляют исключение и термореле, которые тоже выпускают в корпусе под крепление на DIN-рейку.

При установке в шкаф или бокс исчезает необходимость портить стены и внешний вид помещений. Датчики реле выводятся в контролируемую зону, а сами реле стоят с остальным оборудованием в шкафу.

В исполнении для DIN-рейки выпускаются термореле большинства типов. Интернет-магазины предлагают потребителям большой выбор. Некоторые модели содержат интерфейс для подключения по кабелю, например, для устройства беспроводной связи, если есть необходимость управлять реле удаленно с мобильника или смартфона.

Термореле своими руками

Для тех, кто умеет мастерить: работать с паяльником, имеет достаточный минимум знаний в области электротехники, есть варианты самостоятельного изготовления термореле. Из имеющегося разнообразия лучше выбирать не архаичные схемы прошлых десятилетий, а вариант, близкий к современности. Легче найти современные комплектующие, надежные в работе и точнее старых. Электрические схемы также стали проще, благодаря высокой степени интеграции новых чипов. Вот вариант с полупроводниковым аналоговым датчиком:

Датчик U1 выпускается в корпусе TO-92 или TO-220. В первом случае он годится только для измерения температуры воздуха. Второй корпус подходит для крепления к металлическим пластинам, например, для измерения температуры батарей или труб. Переменный резистор R5 должен быть с линейной характеристикой, так как датчик LM35 сам имеет хорошую линейность. Компаратор U2 сравнивает образцовое напряжение с ползунка резистора R5 и от датчика.

Выходной сигнал компаратора усиливается по току транзистором T1 и дальше поступает на базу транзистора T2, ключа, который включает реле K1. Диод D1 обязательно должен быть использован, для защиты транзистора T2 от электрического пробоя при самоиндукции катушки реле. Контакты нагрузки должны быть рассчитаны на ток 2-5 А. Если мощность нагрузки больше 400-1000 Вт, что соответствует выбранному реле, то следует применять промежуточный магнитный пускатель или симистор.

Таблица 1. Замена транзисторов и диодов

Датчик можно выносить за пределы платы устройства на расстояние 5-10 метров. Но в этом случае провод от вывода 2 должен быть в металлической оплетке (экранирован). Оплетка соединяется с выводом 3 (земля), а питание подается отдельным проводом. Резистор R1 и конденсатор C2 также требуется выносить вместе с датчиком и помещать в его собственный корпус. Устройство питается от источника напряжения постоянного тока 12 В.

Шкалу нужно отградуировать по показаниям образцового термометра, который поместите близко к датчику. Изменяя температуру, надо выждать 2-3 минуты, чтобы показания датчика и термометра уравнялись между собой.

Заключение

Термореле — терморегулятор, реле температуры, термостат, синонимы устройства. Развиваясь от простых электромеханических, с биметаллической пластиной или сильфоном, до современных цифровых устройств термореле претерпели большие улучшения показателей в сторону точности и надежности. При этом их цена остается невысокой, доступной для потребителей, а сами устройства — необходимыми для бытового кондиционирования, микроклимата, кухонной техники и тепличного хозяйства.

Перед приобретением термореле желательно ознакомиться с перечисленными здесь параметрами, чтобы выбрать подходящее устройство, а также учитывать особенности купленного прибора для надежной и долговечной работы. И еще надо помнить, что термореле – управляющий прибор, исправность которого влияет на другое оборудование или имущество, и оно должно быть всегда работоспособно и исправно.

Видео — Беспроводной термостат для котла отопления