На первом рисунке приведена схема терморегулятора релейного типа [1], выполненная на таймере КР1006ВИ1. Наличие в этой микросхеме делителя напряжения и компараторов упрощает конструкцию устройства, а наличие RS-триггера позволяет организовать привязку моментов включения нагрузки к моментам прохождения сетевого напряжения через ноль, благодаря чему исключается возникновение помех и других нежелательных явлений. При использовании указанного на схеме симистора к терморегулятору можно подключать нагрузку мощностью до 1000 Вт.

          При разработке схемы учитывалось то обстоятельство, что в отличие от аналогов у микросхемы КР1006ВИ1 вход R имеет приоритет над входом S. Это значит, что при наличии на входе R напряжения, превышающего пороговое значение U_R, микросхема находится в нулевом состоянии (на её выходе присутствует уровень логического нуля) независимо от напряжения на входе S. Резистор R4 придаёт терморегулятору небольшой гистерезис (около 11 мВ), который необходим, чтобы исключить пребывание микросхемы в линейном режиме (т. е. промежуточных состояниях между 0 и 1). Дело в том, что потребляемый микросхемой ток в линейном режиме может достигать нескольких сотен миллиампер, что нарушило бы нормальное функционирование устройства. Величину гистерезиса можно изменять путём подбора резистора R4, однако увеличивать сопротивление этого резистора нежелательно, иначе гистерезис может оказаться недостаточным для устойчивой работы регулятора.

          Питание низковольтной части устройства, в том числе микросхемы, осуществляется постоянным напряжением 5,6 В, которое формируется с помощью однополупериодного выпрямителя на диоде VD4, сглаживающего фильтра R8C5 и параметрического стабилизатора R5VD2. Конденсаторы C2 и C3 дополнительно фильтруют выходное напряжение стабилизатора. В цепи питания также задействован один из диодов моста VD3. Конденсатор С6 служит для защиты устройства от помех в питающей сети. Ток, протекающий через резистор R5, составляет приблизительно 7,4 мА, поэтому если требуется снабдить устройство индикатором питания, можно уменьшить сопротивление резистора R5 до 5,6 кОм и последовательно с ним включить светодиод.

          Узел коммутации нагрузки выполнен с использованием высоковольтного транзистора VT1 (КТ940А), диодного моста VD3 (КЦ407А) и симистора VS1 (КУ208Г). Сигнал с выхода микросхемы DA1 (вывода 3) через резистор R7 поступает на базу транзистора. Когда на выходе микросхемы присутствует сигнал высокого уровня, транзистор открывается, между управляющим электродом и условным анодом симистора через диодный мост и открытый транзистор начинает протекать ток, приводящий к открыванию симистора и включению нагрузки.

          Элементы C4 и R9 служат для повышения надёжности устройства. Конденсатор C4 способствует уменьшению броска тока через коллектор транзистора VT1 в момент включения устройства в сеть. Резистор R9 снижает вероятность спонтанного открывания симистора.

          В качестве датчика температуры применён терморезистор RK1, включённый в одно из плеч измерительного моста, который образован делителем напряжения RK1R1R2 и внутренним делителем микросхемы. Резистором R2 можно выставить требуемую температуру. Конденсатор C1 подавляет помехи, наводимые на провода, ведущие к датчику. Когда температура системы превышает заданную, напряжение на входе R микросхемы выше порогового, равного примерно 2/3 напряжения питания микросхемы. При этом на выходе микросхемы присутствует низкий логический уровень, транзистор VT1 и симистор VS1 закрыты – нагрузка выключена. После того, как температура системы понизится, и напряжение на входе R станет меньше порогового значения, таймер дожидается снижения напряжения на входе S менее 1/3 напряжения питания микросхемы, и затем переключается в единичное состояние, включая нагрузку. Благодаря делителю R6R3 это условие выполняется, когда мгновенное напряжение в сети по модулю не превышает примерно 5 В. Таким образом, поскольку моменты включения нагрузки привязаны к нулям сетевого напряжения, обеспечивается снижение коммутационных помех. После включения нагрузки таймер сохраняет единичное состояние до тех пор, пока напряжение на входе R снова не повысится до порогового значения. Диод VD1 служит для ограничения напряжения на входе S микросхемы.

          Терморезистор RK1 может быть любого типа с отрицательным ТКС, например КМТ‑1, КМТ‑4, КМТ‑12, ММТ-4, ММТ‑6. Если используется выносной датчик, то его следует соединить с устройством посредством витой пары. Транзистор VT1, кроме указанного на схеме, может быть КТ6135А, КТ6105А, КТ6139А, КТ520А, КТ6107А, КТ969А, КТ9179А, KSP44, KSP45, MPSA44, MPSA45, BF844, 2N6517, ZTX458. Также возможно, но менее желательно, применение любых приборов из серий КТ604, КТ605. Симистор КУ208Г можно заменить на КУ208Г1, КУ208Д1 и другие, рассчитанные на нужное значение тока нагрузки и напряжение не ниже 400 В. Например, использование в устройстве симистора ТС106‑10‑4 позволяет увеличить максимальную мощность нагрузки до 2 кВт, а использование таких зарубежных симисторов как MAC16D, BTA216‑500B – до 3 кВт. При этом должны быть соответствующим образом выбраны предохранитель FU1 и радиатор симистора. При мощности нагрузки до 1000 Вт симистор следует установить на радиатор площадью 150 см². Диод VD4 – любой, рассчитанный на обратное напряжение не ниже 500 В, например, Д210, Д211, МД217, МД218, Д237В, КД209В, КД109В, КД221Г, КД243 с буквами Д–Ж, КД105 с буквами В–Д, 1N4005–1N4007. Диодный мост VD3 – любой, рассчитанный на обратное напряжение не ниже 400 В, например, КЦ422Г, DB104–DB107. Его также можно составить из дискретных диодов КД109В, КД221 с буквами В, Г, КД243 с буквами Г–Ж, КД105 с буквами Б–Д, КД209 с любыми буквами, 1N4004–1N4007. Диод VD1 – любой маломощный кремниевый. Стабилитрон VD2 кроме указанного на схеме может быть КС409А, 2С101Г, КС156Г, 2С156 с индексами В, Г, а также 1N4626, BZX55‑C5V6. Микросхему КР1006ВИ1 заменять аналогами нельзя из-за различия в логике работы. Конденсатор C6 – типа К73‑17 или другой ёмкостью 0,1…0,22 мкФ, допускающий эксплуатацию при сетевом напряжении.

          Терморегулятор, схема которого показана на втором рисунке, выполнен с использованием микросхемы КР1441ВИ1 [1, 2] – КМОП-аналога таймера КР1006ВИ1. Благодаря применению КМОП-таймера обеспечивается простота и экономичность устройства. Принцип работы данного терморегулятора приблизительно соответствует описанному выше терморегулятору, но отличается отсутствием гистерезиса, что способствует повышению точности поддержания заданной температуры. Вывод 7 DA1 соединён с выводом 6 для того, чтобы ускорять выход таймера из линейного режима, в котором он может оказываться при включённой нагрузке. Действительно, для пребывания таймера в промежуточном состоянии между 0 и 1 необходимо, чтобы на вход R поступал сигнал сброса, а напряжение на входе S равнялось пороговому. Но в этом состоянии внутренний ключ в цепи вывода 7 приоткрыт и устраняет сигнал сброса, тем самым выводя микросхему из линейного режима. Вообще говоря, линейный режим для КМОП-таймера не так опасен, как для биполярного, но в данной схеме всё же нежелателен.

          Питание низковольтной части устройства осуществляется постоянным напряжением 6,2 В, которое формируется при помощи параметрического стабилизатора с использованием балластного резистора R6, прецизионного слаботочного стабилитрона VD1 и сглаживающего конденсатора C1. Вместо стабилитрона КС405А можно применить КС405Б, 1N4627. Диод VD3 и диодный мост VD2 – любые, рассчитанные на обратное напряжение не ниже 400 В. Например, это могут быть диоды КД109В, КД221 с буквами В, Г, КД243 с буквами Г–Ж, КД105 с буквами Б–Д, КД209 с любыми буквами, 1N4004–1N4007. Диодный мост VD2 также может быть КЦ422Г, DB104–DB107. Микросхема КР1441ВИ1 заменяется зарубежными аналогами, такими как ICM7555IPA, ILC555N, GLC555. Вместо транзистора КТ521А подойдут КТ9115А, КТ9178А, КТ6104А, КТ6108А, КТ6138А, KSP94, MPSA94, BF493S, 2N6520, ZTX758, 2SA1625.

          Налаживание рассмотренных терморегуляторов сводится, в случае необходимости, к установке пределов регулировки температуры путём подбора сопротивлений резисторов R1 и R2. Их номиналы, указанные на схемах, выбраны с расчётом на довольно широкие пределы изменения температуры, поэтому желательно либо использовать прецизионный переменный резистор, либо сузить пределы регулировки в зависимости от конкретного применения регулятора. Например, для поддержания температуры в погребе (2…4°C) в первой схеме резистор R1 может иметь сопротивление 510 кОм, R2 – 330 кОм; во второй схеме – резистор R1 может иметь сопротивление 470 кОм, R2 – 820 кОм.

          Поскольку описанные устройства имеют непосредственную связь с сетью с опасным для жизни напряжением 220 В, при испытаниях и эксплуатации терморегулятора следует соблюдать меры предосторожности. Корпус устройства должен быть выполнен из изоляционного материала; ручка переменного резистора и терморезистор, в случае вынесения их наружу, должны быть изолированы; перед первым включением устройства необходимо проверить правильность и качество монтажа. Во избежание поражений электрическим током недопустимо использовать терморегулятор в условиях повышенной влажности и погружать терморезистор в жидкость. Исключением из этого правила может являться использование терморезистора, корпус которого и подходящие к нему провода снабжены надёжной гидроизоляцией.

[1] К. В. Гаврилов. Электронные устройства бытовой автоматики. – <https://microscheme.blogspot.ru/2011/03/blog-post.html>.

[2] Гаврилов К. Применение микросхемы КР1441ВИ1. – Радио, 2011, № 6, с. 34–36.