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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Kühlschrank-Steuergerät. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Haus, Haushalt, Hobby Der Autor wurde durch ein häusliches Ärgernis gezwungen, mit der Verbesserung des STINOL-104-Kühlschranks zu beginnen – zum zweiten Mal in fünf Betriebsjahren fiel der Thermostat aus. Es war nicht möglich, ein neues Gerät zu kaufen, um es selbst zu installieren – das Gerät wurde zu einem völlig inakzeptablen Preis verkauft, in dem die Installationskosten enthalten waren. Das den Lesern zur Kenntnis gebrachte selbstgebaute Gerät ersetzt nicht einfach den Standard-Thermostat. Zum Schutz des Kühlschranks in vielen Notsituationen, die während des Betriebs auftreten, sind zusätzliche Funktionen vorgesehen. Der Schwachpunkt aller Kompressorkühlschränke ist die Überlastung des den Kompressor antreibenden Elektromotors, wenn dieser kurze Zeit nach dem Stoppen wieder eingeschaltet wird. Ursache der Überlastung ist der über längere Zeit im Kondensator der Kühleinheit verbleibende hohe Kältemitteldruck. Die Bedienungsanleitung des STINOL-Kühlschranks fordert, dass die Verzögerung zwischen dem Ausschalten und dem Einschalten des Kompressors mindestens 3 Minuten beträgt. Doch angesichts der heute typischen unerwarteten Stromausfälle und Neustarts ist es nicht möglich, diese Anforderung zu erfüllen, ohne die Elektronik „um Hilfe zu rufen“. Zum Schutz des Elektromotors verfügen Kühlschränke über ein Thermorelais. Normalerweise wird es mit einem Anlaufrelais kombiniert und als Anlaufschutzrelais bezeichnet [1]. Die Praxis zeigt jedoch, dass ein solcher Schutz wirkungslos ist. Wie jedes andere Elektrogerät ist es sinnvoll, einen Kühlschrank vor erheblichen Abweichungen der Netzspannung von den nominalen 220 V zu schützen. Eine Vielzahl von Veröffentlichungen zu diesem Thema (z. B. [2, 3]) weisen auf die Relevanz des Problems hin sowohl in ländlichen Gebieten als auch in Großstädten. Das vorgeschlagene Steuergerät erfüllt folgende Funktionen:
Der Status der Steuereinheit wird durch die LEDs „Betrieb“ (der Kompressor ist eingeschaltet), „Pause“ (der Kompressor ist aus), „Blockierung“ (die fünfminütige Einschaltsperre ist nicht abgelaufen), „<“ angezeigt. (Netzspannung liegt unter dem minimal zulässigen Wert), „>“ (Spannung im Netz über dem maximal zulässigen Wert). Das Blockdiagramm ist in Abb. dargestellt. 1. Es besteht aus einer Thermostateinheit auf dem DA2-Chip, einem Einschaltverzögerungstimer auf dem VT1-Transistor und den Elementen DD1.1, DD1.2, einer Netzwerkspannungssteuereinheit auf den Elementen DD1.3, DD1.4 und dem DD2-Chip, ein Aktuator auf den VT2-Transistoren, VT3.
Die parallel geschalteten Kontakte des Relais K1 werden anstelle der Kontakte des Standard-Kühlschrankthermostats in den Kompressormotorkreis eingebunden. Das Netzteil des Gerätes besteht aus dem Transformator T1, einem Gleichrichter (Diodenbrücke VD1) und einem integrierten Stabilisator DA1 für eine Spannung von 9 V. Um zu verhindern, dass Änderungen in der Belastung des Gleichrichters beim Aktivieren und Lösen des Relais K1 den Betrieb der Spannungssteuereinheit beeinträchtigen, ist ein Widerstand R27 vorgesehen, der über den Transistor VT3 mit dem Gleichrichter verbunden ist, wenn die Relaiswicklung stromlos ist. Der Widerstandswert des Widerstands ist gleich dem Widerstand der Relaiswicklung, sodass der vom Gleichrichter aufgenommene Strom unverändert bleibt. Nehmen wir an, das Gerät ist mit einer Nennspannung von 220 V an das Netzwerk angeschlossen und die Spannungsregelung beeinträchtigt seinen Betrieb nicht. Der Transistor VT1 ist geschlossen, der Kondensator C2 ist entladen, der Logikpegel am Ausgang des Elements DD1.2 ist niedrig, die Diode VD3 ist offen, daher ist der Thermostat am Operationsverstärker DA2 in einem Zustand gesperrt, der der niedrigen Temperatur im Kühlraum entspricht Kammer, daher ist der Kompressor ausgeschaltet. Transistor VT2 ist geschlossen, Relais K1 ist stromlos. Die LEDs HL1 „Lock“ und HL5 „Pause“ leuchten. 5 Minuten nach dem Laden des Kondensators C2 über den Widerstand R2 auf die Schaltschwelle des Schmitt-Triggers an den Elementen DD1.1, DD1.2 wird der Pegel am Ausgang des letzteren hoch, die Diode VD3 wird geschlossen und der Thermostat kann arbeiten. Die HL1-LED erlischt. Mit steigender Temperatur im Kühlraum sinken der Widerstand des Thermistors RK1 und der Spannungsabfall an ihm. Wenn die Temperatur so hoch ist, dass die Spannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers DA2 geringer ist als am nichtinvertierenden, ist der Pegel am Ausgang des Operationsverstärkers hoch, was zum Öffnen des Transistors VT2 führt und der Betrieb des Relais K1, das den Kompressor einschaltet. Die HL4-LED leuchtet, die HL5-LED nicht. Wenn die Temperatur in der Kühlkammer sinkt, steigt die Spannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers, was zu einer Zustandsänderung des Operationsverstärkers führt und der Kompressor abgeschaltet wird. LED HL4 erlischt, LED HL5 leuchtet. Der Spannungsabfall am Kollektor des Transistors VT2 im Moment des Auslösens des Relais führt dazu, dass sich der Kondensator C6 auflädt und der Transistor VT20 kurzzeitig (für 1 ms) mit einem Ladestromimpuls öffnet. Über den geöffneten Transistor entladen, beginnt sich der Kondensator C2 wieder langsam aufzuladen, nachdem das Gerät an das Netzwerk angeschlossen wurde, was zu einem fünfminütigen Einschaltverbot des Kompressors führt. Die Diode VD2 schützt den Emitterübergang des Transistors VT1 vor einem negativen Impuls, wenn der Kondensator C6 über den Transistor VT1 entladen wird, der öffnet, wenn das Relais K2 eingeschaltet wird. Die gewünschte Temperatur im Kühlraum wird über einen variablen Widerstand R16 eingestellt. Die Breite der Thermostat-Hystereseschleife wird durch den variablen Widerstand R20 gesteuert. Die Notwendigkeit, die Hysterese während des Betriebs zu ändern, ist umstritten, lässt sich jedoch bei der Ersteinstellung nicht vermeiden. Die Hysterese sollte ausreichend sein, damit der Kompressor nicht zu oft einschaltet und in Betriebspausen die Temperatur der Wände der Kühlkammer einen positiven Wert erreicht und der darauf gebildete Reif schmilzt, ohne sich anzusammeln. Betrachten wir die Funktionsweise der Netzspannungsüberwachungseinheit. Liegt sie innerhalb akzeptabler Grenzen, ist die Spannung an den Eingängen des Elements DD1.3 niedriger und an den Eingängen des Elements DD2.1 höher als deren Schaltschwelle. Die Pegel an beiden Eingängen des DD2.3-Elements sind hoch und an seinem Ausgang niedrig, sodass alle anderen Knoten des Blocks auf die oben beschriebene Weise arbeiten können. Wenn die Netzspannung unter dem zulässigen Wert liegt, ändert das Element DD2.1 seinen Zustand. Der logische Pegel an seinem Ausgang wird hoch, und das Gleiche gilt für die Ausgänge der Elemente DD2.3, DD2.4. Die LED HL3 leuchtet auf und der Transistor VT1, der durch die über den Widerstand R19 an seine Basis angelegte Spannung geöffnet wird, entlädt den Kondensator C2 und blockiert dadurch den Kompressor. Mit der Wiederherstellung der Normalspannung erlischt die HL3-LED, der VT1-Transistor wird geschlossen und nach der zum Laden des Kondensators C2 erforderlichen Zeit kann der Thermostat arbeiten. Wenn die Netzspannung den zulässigen Wert überschreitet, führt ein niedriger Pegel am Ausgang des Elements DD1.3 zu einem hohen Pegel an den Ausgängen der Elemente DD1.4 und DD2.3. Dann passiert alles wie beim Absenken der Spannung, nur dass statt der HL3-LED HL2 aufleuchtet. Es wird empfohlen, die Netzspannungswerte, bei denen der Schutz auslöst, auf 242 (mit Trimmwiderstand R5) und 187 V (mit Trimmwiderstand R6) einzustellen. Eine Unterbrechung der Stromversorgung wird vom Gerät als unzulässiger Spannungsabfall wahrgenommen. Es ist wichtig, dass ein Neustart des Kompressors verboten ist, wenn die Dauer der Unterbrechung die zum Stoppen erforderliche Dauer überschreitet. Die Reaktion sollte jedoch nicht zu schnell erfolgen – die Wahrscheinlichkeit von Fehlalarmen steigt (z. B. durch die Einbindung leistungsstarker Elektrogeräte in das gleiche Netzwerk). Die Reaktionszeit des beschriebenen Geräts bei einem plötzlichen Spannungsabfall im Netz – ca. 65 ms – ist die Summe der erforderlichen Entladung des Kondensators C1 auf eine dem zulässigen Minimum entsprechende Spannung und der Zeit der Entladung des Kondensators C2 durch der geöffnete Transistor VT1. Die Reaktionszeit auf einen plötzlichen Spannungsanstieg im Netzwerk beträgt weniger – 25...40 ms. Es wird für das Aufladen des Kondensators C1 auf den eingestellten Schwellenwert und das Entladen des Kondensators C2 aufgewendet. Alle Elemente der Steuereinheit, mit Ausnahme des Relais K1, der variablen Widerstände R16 und R20, des Thermistors RK1 und des Sicherungseinsatzes FU1, sind auf einer einseitigen Leiterplatte untergebracht (Abb. 2).
Kondensatoren 04, C5 - KM-6 oder andere Keramik, der Rest sind importierte Oxide und Kondensator C2 ist von der LL-Serie (mit geringem Leckstrom). Die zulässige Spannung der Kondensatoren C1 und C6 (25 V) wurde mit einer Reserve für den Notfall einer Netzspannungserhöhung gewählt. Trimmerwiderstände R5 und R6 – SP4-1, Konstantwiderstände – MLT. Variable Widerstände R16 und R20 - SPZ-12 mit linearer (A) Widerstandsabhängigkeit vom Drehwinkel der Welle. Das Hauptkriterium für die Wahl dieser speziellen Widerstände war, dass das Gewinde an ihrer Montagehülse mit dem des Standard-Kühlschrankthermostats übereinstimmt. Die LEDs HL1-HL3 sind rot und HL4 und HL5 sind grün. Zusätzlich zu den in der Abbildung angegebenen sind auch andere LEDs geeignet, auch für den Hausgebrauch, mit geeigneter Größe und Leuchtfarbe. Die Mikroschaltung KR140UD608A kann durch KR140UD608B oder KR140UD708 ersetzt werden. Der Transformator T1 sollte in geringer Höhe gewählt werden, damit er im Instrumentenfach des Kühlschranks platziert werden kann (siehe unten). Der Autor verwendete einen vorgefertigten Transformator mit einem Durchmesser von 40 und einer Höhe von 28 mm auf einem Ringmagnetkern mit einer Sekundärwicklung von 12 V bei einem Strom von 0,3 A. Kommerziell hergestellte Transformatoren, zum Beispiel TP-321-5 und TPK2-22 geeignet. Es ist zu berücksichtigen, dass im Notbetrieb die Netzspannung teilweise auf 380 V ansteigt. Dies geschieht beispielsweise, wenn der Neutralleiter des Hauptkabels bricht. Wenn der Transformator T1, der dieser Spannung nicht standhalten kann, ausfällt, führt dies nicht zum Einbau eines teuren Kompressors, was in dieser Situation unerwünscht ist. Der Sicherungseinsatz FU1 (VP1-1) dient zum Schutz des Transformators vor Feuer. Besonderes Augenmerk sollte auf die Qualität gelegt werden und auf keinen Fall durch ein Ersatzmodell ersetzt werden. Thermistor – MMT-1 oder MMT-4. Wenn sein Nennwiderstand von dem im Diagramm angegebenen Wert abweicht, muss der Wert des Widerstands R12 um den gleichen Betrag geändert werden. Sie sollten jedoch keinen Thermistor mit einem Widerstand von mehr als 3...4 kOhm verwenden, da dies die Störfestigkeit des Thermostats verschlechtert. Relais K1 - RP-21-004 mit einer 24-V-DC-Wicklung. Der Test ergab, dass 12 V zum Betrieb ausreichen und bei einer Spannung von 16 V arbeitet das Relais recht zuverlässig. Sie können ein anderes Relais verwenden, zum Beispiel RENZZ. Bei der Auswahl eines Ersatzes sollte besonderes Augenmerk auf die Fähigkeit der Relaiskontakte gelegt werden, dem Anlaufstrom des Kompressors standzuhalten, der mehrere Ampere erreichen kann. Die montierte Leiterplatte und das Relais K1 werden im Servicefach oben am Kühlschrank platziert. Die parallel geschalteten Relaiskontakte werden anstelle der Hauptkontaktgruppe des Standardthermostats angeschlossen. Die zweite Kontaktgruppe, die den Kühlschrank für längere Zeit ausschalten soll, wird durch eine Brücke ersetzt. Jetzt kann der Kühlschrank nur noch auf eine Weise vom Netz getrennt werden – durch Ziehen des Netzsteckers aus der Steckdose. Dies gewährleistet laut Autor höchste elektrische Sicherheit bei Vorbeugungs- und Reparaturarbeiten. Die einheitliche Frontplatte des Fachs verfügt über Löcher für zwei Thermostate. Der zweite ist jedoch nur in Kühlschränken mit zwei Kompressoren verfügbar; in einem normalen Kühlschrank mit einem Kompressor ist es praktisch, hier einen variablen Widerstand R20 zu installieren. Anstelle des externen Standardthermostats wird der variable Widerstand R16 installiert. In der Frontplatte des Servicefachs müssen Sie noch fünf Löcher bohren, in die die auf der Steuereinheitsplatine montierten LEDs passen. Auf der Tafel daneben können erläuternde Notizen angebracht werden. Die Anschlüsse der Primärwicklung des Transformators T1 (einer davon ist über einen in den Drahtspalt eingelöteten Sicherungseinsatz FU1) sind mit den im Kühlschrank verlaufenden Netzwerkkabeln zur Betriebsanzeigelampe verbunden. Das abgeschirmte Kabel, das den Temperatursensor – Thermistor RK1 – mit der Platine der Steuereinheit verbindet, wird in einem isolierenden Rohr, beispielsweise aus Polyvinylchlorid, verlegt und entlang der Route des entfernten Metallbalgrohrs des Standardthermostats verlegt. Der Thermistor selbst ist in der Kühlkammer dort installiert, wo das Balgrohr endet. Es muss gut isoliert und vor Feuchtigkeit und Frost geschützt sein. Die Einrichtung des Steuergerätes beginnt mit der Anpassung der Netzspannung des Steuergerätes. Dazu senken sie mithilfe eines einstellbaren Spartransformators (LATR) die Spannung auf 187 V. Durch Drehen des Schiebers des Trimmwiderstands R6 erreichen sie ein instabiles Leuchten („Blinken“) der HL3-LED. Anschließend wird die Spannung auf 242 V erhöht und der Trimmwiderstand R5 auf die gleiche Weise angepasst, wobei der Fokus auf dem Zustand der LED HL2 liegt. Nach der Einstellung sollten die Schieber des Trimmerwiderstands mit Nitrolack versiegelt werden. Nachdem Sie das Gerät vom Netzwerk getrennt haben, stellen Sie anschließend den variablen Widerstand R16 auf die minimale Position und R20 auf den maximalen Widerstand. Stellen Sie (mittels LATR) die Netzspannung auf 220 V ein und schalten Sie das Gerät ein. Die LEDs HL1 und HL5 sollten aufleuchten, nach ca. 5 Minuten sollte die LED HL1 erlöschen. Die Dauer seines Glühens und ggf. das Blockieren des Kompressorstarts wird durch Auswahl des Widerstands R2 geändert. Um die weitere Anpassung zu erleichtern, werden die Eingänge des DD1.1-Elements (Pins 8, 9) vorübergehend über eine Brücke mit dem +9-V-Kreis verbunden, beispielsweise mit Pin 14 der DD1-Mikroschaltung. Der Thermistor RK1 ist in schmelzendes Eis eingetaucht. Nachdem sich seine Temperatur stabilisiert hat, wird der Widerstandswert des variablen Widerstands R16 schrittweise erhöht, wodurch sichergestellt wird, dass das Relais K1 aktiviert wird, die LED HL4 aufleuchtet und HL5 erlischt. Das Rückschalten sollte mit einer leichten Verringerung des Widerstandswerts des Widerstands R16 erfolgen. Die Hysterese (der Unterschied in den Positionen des variablen Widerstands R16 des Motors, wenn das Relais aktiviert und freigegeben wird) sollte mit abnehmendem Widerstand des variablen Widerstands R20 zunehmen. Am Ende des Tests wird der zuvor installierte temporäre Jumper entfernt. Vor dem Einschalten des Kühlschranks mit der neuen Steuereinheit werden die Schieber der variablen Widerstände R16 und R20 in die Mittelposition gebracht. Nachdem Sie den Kühlschrank ausreichend lange laufen lassen, um das Temperaturregime zu stabilisieren, sollten Sie sicherstellen, dass der Reif, der sich während des Betriebs des Kompressors an der Rückwand des Kühlraums bildet, während der Pause auftaut. Geschieht dies nicht, müssen Sie die Hysterese mit dem variablen Widerstand R20 erhöhen. Die Durchschnittstemperatur in der Kammer wird durch den variablen Widerstand R16 verändert. Wenn es nicht möglich ist, mit variablen Widerständen das gewünschte Temperaturregime zu erreichen, sollten Sie die Widerstände R14 und R15 wählen. Einige Kühlschränke bieten eine automatische Abtauung des Gefrierfachs – alle 8 bis 10 Betriebsstunden schaltet die Automatisierung den Kompressor für eine Weile zwangsweise ab, während der speziell installierte Heizelemente in Betrieb sind. In diesem Modus läuft der Kompressor nicht, auch wenn das Relais K1 aktiviert ist und die LED HL4 leuchtet. Diese Situation sollte nicht mit der Situation verwechselt werden, die auftritt, wenn das Thermorelais zum Schutz des Kompressormotors aktiviert wird, was mit den gleichen Symptomen einhergeht. Es ist ganz einfach, eine „geplante“ Kompressorabschaltung von einer Notfallabschaltung zu unterscheiden. Im letzteren Fall läuft der im Gefrierschrank eingebaute Ventilator (bei geschlossener Tür) weiter. Das Gerät kann auch in Kompressorkühlschränke anderer Modelle eingebaut werden, wobei deren Eigenschaften zu berücksichtigen sind, indem die Platzierung des Temperatursensors, die Einstell- und Anzeigeelemente und gegebenenfalls die Abmessungen der Leiterplatte geändert werden. Durch Entfernen der Elemente des Thermostats – Thermistor RK1, Mikroschaltung DA2, Diode VD3, Widerstände R12-R16, R20, R21, Kondensatoren C4, C5 – und Verbinden des linken Anschlusses des Widerstands R23 im Diagramm mit dem Ausgang des Elements DD1.2 Mit dem Block können beliebige Elektrogeräte vor Netzspannungsschwankungen geschützt werden. Literatur
Autor: A. Moskvin, Jekaterinburg
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