sterownik różnicowy kolektora słonecznego - serwis.avt.pl · sterownik różnicowy kolektora...
TRANSCRIPT
26 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 3/2018
PROJEKT Y
Sterownik różnicowy kolektora słonecznegoModa na „eko” zatacza coraz szersze kręgi. Nic dziwnego, skoro często stoi za tym również zwykła ekonomia. Przykładem może być zaprzęgnięcie energii słonecznej do ogrzewania ciepłej wody użytko-wej (CWU) na potrzeby domu jed-norodzinnego. Aby taka instalacja była bezpieczna i działała wydaj-nie, należy zaopatrzyć ją w stosow-ny układ nadzorujący jej pracę. Właśnie do tego służy urządzenie opisane w niniejszym artykule.
Rekomendacje: sterownik przyda się w domku jednorodzinnym lub na ogródku działkowym.
Schemat nieskomplikowanej instalacji do so-larnego podgrzewania CWU pokazano na ry-sunku 1. W najczęściej spotykanym układzie wymiennik ciepła znajduje się niżej niż kolek-tory, dlatego jest potrzebna pompa do wymu-szenia obiegu czynnika grzewczego. Bez niej, naturalna konwekcja spowodowałaby szybkie zagotowanie się cieczy w kolektorze, ponieważ ogrzany płyn ma mniejszą gęstość i pozostaje na górze instalacji.
Pompa działająca bez przerwy byłaby dla systemu źródłem strat w sytuacji, gdy woda jest już ogrzana, a promieni słonecznych jest mało lub nie ma ich wcale – na przykład nocą lub w pochmurny dzień. Ponadto, odbije się to negatywnie na zużyciu energii elektrycznej oraz trwałości samej pompy.
Najlepszym rozwiązaniem jest załączanie pompy tylko wtedy, gdy temperatura w kolek-torze jest wyższa od temperatury wody w wy-mienniku. W ten sposób można wykorzystać każdy silniejszy błysk promieni słonecznych nawet, gdy danego dnia woda jest dodatkowo ogrzewana np. elektrycznie. Do tego właśnie służy opisywane urządzenie: mierzy tempe-raturę cieczy w kolektorze oraz wody w zbior-niku (punkty zaznaczone na rys. 1) i załącza pompę, jeśli ta pierwsza wartość będzie wyż-sza od drugiej o zadany próg. Mieszanie ustaje z chwilą zrównania się obu temperatur. Dzięki histerezie pompa nie będzie bez przerwy prze-łączana. Stąd nazwa urządzenia – „sterownik różnicowy”, ponieważ bierze ono pod uwagę jedynie różnicę temperatury, a nie konkretną jej wartość. Rysunek 1. Schemat najprostszej instalacji do ogrzewania CWU kolektorami słonecznymi.
27ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 3/2018
Sterownik różnicowy kolektora słonecznego
Rysunek 2. Schemat ideowy różnicowego sterownika kolektora słonecznego.
ARK2
4x BYS11-90 GND
100n
GND
1000u 100n 220u
GND GND GND GND
+5V
63mA
100n 4,7
7N391
GND
+5V
10u10n
GND GND
100
BAS85
BAS85
GND
3,3k
+5V+5V
BC847
GND
10k
3,3k
GND
VCC
ARK3
VCC
ARK2
GND
+5V
10u10n
GND GND
100
BAS85
BAS85
GND
3,3k
+5V+5V
ARK3
16x 330
74HC595D
AT5636BMR
74HC595D
AT5636BMG
+5V +5V +5V
74HC595D
10k
10u
+5V
GND
10u
10n
+5V
GND
IDC 10GND
GND
10k
+5V
33R/2W
10n/630V
ARK2
630mA
BT136 MOC3063
330
330
330
330
BC847
GND
10k3,3k
GND
TSZZ2/003MP
7805
G
+5V
+5V
+5V
100n 100n 100n
GND GND GND GND GND GND
BC857
3,3k
BC857 BC857
3,3k 3,3k
3,3k
VCC
R
GND
GND
4x10k+5V
J1
D1
D2
D3
D4C3C2 C4 C5
F1
C1 R1V1
C16C15
R32
D7
D8R31
T5
R33
R34
J5
J6
C14C13
R30
D5
D6R29
J4
R9
R10
R11
R12
R13
R14
R15
R16
QB 1QC 2QD 3QE 4QF 5QG 6QH 7
SCL10 SCK11
RCK12
G13
SER14 QA 15
QH* 9
US2
CA3CA2
abcdefg
dp
CA1
DISP1
R17
R18
R19
R20
R21
R22
R23
R24
QB 1QC 2QD 3QE 4QF 5QG 6QH 7
SCL10 SCK11
RCK12
G13
SER14 QA 15
QH* 9
US3
CA3CA2
abcdefg
dp
CA1
DISP2
GND 14VCC1
ADC7/PA76
MOSI/ADC6/PA67 MISO/ADC5/PA5 8SCK/ADC4/PA4 9
T0/ADC3/PA3 10AIN1/ADC2/PA2 11AIN0/ADC1/PA1 12
AREF/ADC0/PA0 13
RESET4
INT0/PB25
XTAL2/PB13XTAL1/PB02
US5
ATtiny44A
QB 1QC 2QD 3QE 4QF 5QG 6QH 7
SCL10 SCK11
RCK12
G13
SER14 QA 15
QH* 9
US4
R28
C10
C12
C11
12345678910
J3
S1
R8R2
C9
J2
F2
SCR1
1
24
6OK1
R3
R4
R36
R5
T1 R7
R6
TR1 GNDIN OUT
US1
LED1
GN
DVC
C8
16
US4P
GN
DVC
C8
16
US2P
GN
DVC
C8
16
US3PC6 C7 C8
T2
R25
T3 T4
R26 R27
R35
LED2
345
21
RN1
SCKSCK
MISO
MISO
MOSIMOSI
TEMP_WTR
TEMP_WTRALARM
ALARM
DATA
DATA
SHCP
SHCP
SHCP
SHCP
STCP
STCP
STCP
STCP
TEMP_SOL
TEMP_SOL
RST
RST
SW_TEMP
SW_TEMP
PUMP
PUMP
OE
OE
DP1
DP1
G1
G1
F1
F1
E1
E1 D1D1 C1C1 B1B1 A1A1
DP2
DP2
G2
G2
F2
F2
E2
E2D2
D2 C2
C2 B2
B2 A2
A2
DIG
3
DIG3
DIG
2
DIG2
DIG
1
DIG1
+ +
PRI
SEC
kondensatora elektrolitycznego, bezpiecznik odetnie zasilanie i zapobiegnie poważniejszym następstwom takiej awarii.
Po stronie wtórnej transformatora włączono typowy mostek Graetza do prostowania prądu przemiennego. Wykonano go z diod Schottky, aby uzyskać mniejszy spadek napięcia w kie-runku przewodzenia. Obwód tzw. snubbera złożony z rezystora R1 i kondensatora C1 tłumi zakłócenia wysokoczęstotliwościowe poprzez wytracanie ich energii w rezystorze R1. W urzą-dzeniu są wykorzystywane dwa napięcia stałe. Pierwsze, o wartości ok. 9 V, pochodzi z kon-densatora elektrolitycznego filtru za mostkiem
przedostające się z sieci. Moc transformatora wynosząca 2 VA jest w zupełności wystarcza-jąca do tego zastosowania.
Sterownik musi być przystosowany do pracy samodzielnej, bez ciągłego nadzoru człowieka, więc trzeba było wyposażyć go w warystor oraz bezpiecznik zabezpieczające obwód w razie awarii. W wypadku wystąpienia znaczącego przepięcia w sieci elektroenergetycznej, wa-rystor „otworzy się”, co spowoduje przepale-nie bezpiecznika F1. To uchroni układ przed wystąpieniem w nim dalszych zniszczeń. Ponadto, w wypadku wystąpienia zwarcia w układzie spowodowanego np. uszkodzeniem
BudowaSchemat ideowy sterownika różnicowego poka-zano na rysunku 2. Dla ułatwienia zrozumienia zasady działania, budowa sterownika zostanie omówiona blok po bloku.
ZasilacZ. Cały układ sterownika jest zasi-lany z sieci napięcia przemiennego 230 V AC za pomocą zasilacza transformatorowego. Dużą zaletą takiego rozwiązania, w porówna-niu do przetwornicy impulsowej, jest prostota budowy, niejako naturalna izolacja galwa-niczna od sieci energetycznej zapewniania przez transformator sieciowy, duża trwałość oraz odporność na przepięcia i zakłócenia
28 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 3/2018
PROJEKT Y
DODATKOWE MATERIAŁY DO POBRANIA ZE STRONY:
www.media.avt.plW ofercie AVT* AVT-5621Podstawowe informacje: yCzytelny wyświetlacz LED. yMenu użytkownika z przyciskiem. yPomiar temperatury cieczy w kolektorze oraz wody w zbiorniku. ySterowanie pompą zależnie do zmierzonej różnicy temperatury. yOdizolowany galwanicznie za pomocą optotriaka. yMikrokontroler ATtiny44A. yPółprzewodnikowe wyjście alarmowe. y Zasilanie z sieci 230 V AC za pośrednic-twem transformatora.
Projekty pokrewne na www.media.avt.pl:AVT-5618 Sterownik bojlera
do instalacji PV (EP 2/2018)AVT-5620 Wielozadaniowy termostat
(EP 1/2018)AVT-5589 4-kanałowy termostat
z alarmem (EP 6/2017)AVT-5354 Zaawansowany, funkcjonalny
termostat (EP 11/2016)AVT-1908 Termostat 4-kanałowy
(EP 5/2016)AVT-1878 Prosty termostat cyfrowy
(EP 8/2015)AVT-3131 Uniwersalny termostat
(EdW 6/2015)AVT-1855 Sterownik wentylatora
z czujnikiem wilgotnościpowietrza (EP 5/2015)
AVT-1830 Termometr z alarmem(EP 11/2014)
AVT-5441 Cyfrowy termostat(EP 3/2014)
AVT-5489 8-kanałowy termometrz alarmem i wyświetlaczemLCD (EP 11/2013)
AVT-1742 Rozbudowany termostat(EP 6/2013)
AVT-5363 Termostat z regulowaną pętląhisterezy (EP 9/2012)
AVT-1699 Regulator temperatury(EP 8/2012)
AVT-5354 Termostat (EP 7/2012)AVT-3025 Regulowany termostat
cyfrowy (EdW 03/2012)AVT-5305 Dobowy, grzejnikowy
regulator temperatury(EP 9/2011)
AVT-5152 Termostat dobowy(EP 10/2008)
AVT-950 Termostat elektroniczny(EP 9/2006)
AVT-5094 Bezprzewodowy regulatortemperatury (EP 1-2/2003)
* Uwaga! Elektroniczne zestawy do samodzielnego montażu. Wymagana umiejętność lutowania!Podstawową wersją zestawu jest wersja [B] nazywana potocznie KITem (z ang. zestaw). Zestaw w wersji [B] zawiera elementy elektroniczne (w tym [UK] – je-śli występuje w projekcie), które należy samodzielnie wlutować w dołączoną płytkę drukowaną (PCB). Wykaz elementów znajduje się w dokumentacji, która jest podlinkowana w opisie kitu.Mając na uwadze różne potrzeby naszych klientów, oferujemy dodatkowe wersje: wersja [C] zmontowany, uruchomiony i przetestowany zestaw [B] (elementy
wlutowane w płytkę PCB) wersja [A] płytka drukowana bez elementów i dokumentacjaKity w których występuje układ scalony wymagający zaprogramowania, posiadają następujące dodatkowe wersje: wersja [A+] płytka drukowana [A] + zaprogramowany układ [UK]
i dokumentacja wersja [UK] zaprogramowany układNie każdy zestaw AVT występuje we wszystkich wersjach! Każda wersja ma załączony ten sam plik pdf! Podczas składania zamówienia upewnij się, którą wersję zamawiasz! http://sklep.avt.pl Rysunek 3. Schemat montażowy płytki sterownika.
Załączenie pompy jest sygnalizowane za po-mocą zielonej LED na płytce sterownika. Jest ona połączona szeregowo z diodą nadawczą optotriaka, co eliminuje konieczność dodania drugiego rezystora. Wejście tranzystora T1 w stan nasycenia załącza tę gałąź, a rezystor R7 służy do jego wyłączenia w razie braku sy-gnału z mikrokontrolera.
Mikrokontroler. Wymagania dotyczące mi-krokontrolera zarządzającego pracą sterownika nie są wygórowane, więc postawiono na tani i sprawdzony układ z rodziny AVR, a dokład-niej – ATtiny44A. Pamięć Flash mieszcząca 4 kB i 11 programowalnych wyprowadzeń (bez użycia wyprowadzenia Reset) są w pełni wy-starczające do tego zastosowania. Mikrokon-troler, podobnie jak większość elementów, jest montowany powierzchniowo, więc do jego pro-gramowania przewidziano 10-pinowe złącze KANDA (J3). Rozmieszczenie poszczególnych sygnałów w tym złączu odpowiada standardom programatorów ISP.
pochodzi ze stabilizatora 7805 i służy do zasi-lania układów cyfrowych.
obwód Zasilania poMpy. Pompa obiegowa jest załączana poprzez triak, a nie przez przekaź-nik elektromagnetyczny. Pomimo niewątpli-wych zalet przekaźnika elektromagnetycznego, wybrano triak ze względu na jego wielokrot-nie większą trwałość. Obwód pompy również jest zabezpieczony bezpiecznikiem na wypa-dek wystąpienia w nim przeciążenia, np. zwar-cia lub zablokowania wirnika pompy. Triak został zbocznikowany snubberem, który jest zalecany przy przełączaniu obciążeń o charak-terze indukcyjnym. Do załączania triaka służy optotriak typu MOC3063. Zapewnia on izolację galwaniczną od sieci dla reszty elektroniki oraz „pilnuje”, aby załączenie odbyło się w zerze na-pięcia zasilającego. Ta wersja optotriaka do po-prawnego załączenia wymaga tylko 5 mA prądu płynącego przez wbudowaną diodę nadawczą, w przeciwieństwie do np. MOC3061, który wy-maga 15 mA.
Graetza. Używa się go tam, gdzie nie ma du-żych wymagań odnośnie do stabilności napię-cia, czyli załączanie diod LED. Drugie napięcie
29ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 3/2018
Sterownik różnicowy kolektora słonecznego
R E K L A M A
Fotografia 4. Szczegółowy widok zmontowanej płytki od strony spodniej.
Rysunek 5. Konfiguracja bitów zabezpieczających.
temperatury. Bezpośrednie sterowanie tymi wyświetlaczami (w trybie multipleksowym) wymagałoby użycia aż 14 wyprowadzeń mikro-kontrolera. Za pomocą rejestrów przesuwnych można ich liczbę ograniczyć do zaledwie 3. Katody segmentów każdego wyświetlacza są podłączone przez rezystory 330 V do wyjść rejestrów typu 74HC595. Trzeci rejestr załącza jeden z trzech tranzystorów uruchamiających poszczególne cyfry w wyświetlaczach. Wysy-łając odpowiednią sekwencję bitów można jed-nocześnie ustawić segmenty i załączyć wybrane cyfry. Częstotliwość wywoływania przerwań obsługujących wyświetlacz wynosi 25 0 Hz, czyli każda cyfra jest odświeżana z częstotliwo-ścią ok. 83 Hz. Wyjścia rejestrów są zaopatrzone w bufory trójstanowe. Stan wysoki na linii OE (Output Enable) wyłącza je, przez co przecho-dzą one w stan wysokiej impedancji. Obwód RC złożony z kondensatora C10 i rezystora R20, na kilkaset milisekund od włączenia zasilania dezaktywuje wyjście układu US4.
Ma to na celu wyeliminowanie nieestetycz-nego „mrugnięcia” wyświetlaczy, jakie zdarza się zanim mikrokontroler rozpocznie pracę, po-nieważ zawartości rejestrów są wtedy losowe. Wyłączenie tranzystorów sterujących anodami cyfr zapobiega temu zjawisku.
cZujniki teMperatury. Do pomiaru tempera-tury służą dobrze znane czujniki cyfrowe typu DS18B20. Powodami, dla których zostały wy-brane, są: brak konieczności kalibracji, niska cena i łatwa dostępność. Tego typu czujniki zo-stały sprawdzone już w wielu aplikacjach, więc nie powinny sprawiać problemów.
Te czujniki można zasilać w trybie pasożyt-niczym (parasite power), w którym do przy-łączenia czujnika są wymagane tylko dwa przewody, ale nie jest to zalecane przy wy-sokiej temperaturze. Tutaj temperatura może przekraczać 100°C (zwłaszcza w kolektorze), a czujniki muszą działać wtedy niezawodnie. Dlatego złącza J4 i J5 dla nich dedykowane mają trzy zaciski. Między linię zasilającą a masę zo-stały włączone kondensatory dla odfiltrowania ewentualnych tętnień.
Przewody łączące czujnik z płytką sterow-nika mogą być długie, toteż mogą się w nich indukować zakłócenia o znacznej amplitudzie.
w strukturze mikrokontrolera, jest wspoma-gany przez dodatkowy rezystor R8. Zmniejsza to impedancję tego obwodu, co z kolei redukuje podatność na zakłócenia.
wyświetlacZe. Wyniki pomiarów tempera-tury są na bieżąco wskazywane na dwóch wy-świetlaczach 7-segmentowych, po trzy cyfry każdy. Rozdzielczość wyświetlanych wyni-ków wynosi 0,1°C. Służą one również do sy-gnalizowania awarii w obwodzie czujników
Przez większość czasu wyprowadzenia te nie są używane, dlatego ich potencjał wzglę-dem masy ustalają zewnętrzne rezystory za-warte w drabince rezystorowej RN1. Ułatwia to odprowadzanie z nich ładunków elektrosta-tycznych oraz zmniejsza wrażliwość na zakłó-cenia elektromagnetyczne.
Ustawienie żądanej różnicy temperatur od-bywa się poprzez przyciskanie przycisku SW1. Wewnętrzny rezystor podciągający, zawarty
30 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 3/2018
PROJEKT Y
Fotografia 7. Widok układu przy wystąpieniu błędu czujnika tempe-ratury.
Fotografia 6. Widok prawidłowo działającego układu.
Wykaz elementów: Rezystory: (SMD 1206)R1: 4,7 V SMD1206R2: 33 V/2 W (THT)R3, R4, R36: 330 VR5, R9…R24: 330 V (SMD 0805)R6, R25…R27, R29, R31, R34, R35: 3,3 kV (SMD 0805)R7, R8, R28, R33: 10 kV (SMD 0805) R30, R32: 100 V (SMD 0805)RN1: 4×10 kV (SIL5)Kondensatory:C1, C3, C4, C6…C8: 100 nF (SMD 0805) C2: 1000 mF/25 VC5: 220 mF/16 VC9: 10 nF/630 VC10, C12, C14, C16: 10 mF/10 V (SMD 0805) C11, C13, C15: 10 nF (SMD 0805) Półprzewodniki:D1…D4: BYS11-90 (lub podobne)D5…D8: BAS85DISP1: AT5636BMR (lub podobny) DISP2: AT5636BMG (lub podobny) LED1: LED zielony 5 mmLED2: LED czerwony 5 mmOK1: MOC3063 (DIP6)SCR1: BT136 (TO220)T1, T5: BC847 (SOT23)T2…T4: BC857 (SOT23)US1: 7805 (TO220)US2…US4: 74HC595 (SO16)US5: ATtiny44A (SO14)DS18B20 – 2 szt. (opis w tekście)V1: 7N391 lub podobnyInne:F1: 63 mA kubkowy, prostokątnyF2: 630 mA kubkowy, prostokątnyJ1, J2, J6: ARK2/5 mmJ3: IDC 10pin THT 2,54 mmJ4, J5: ARK3 5 mmS1: przycisk miniaturowy 12 mm×12 mm TR1: TSZZ2/003MP (6 V/2 VA)Podstawka DIP6
wyświetlanej temperatury wynosi 0,1°C, po-wyżej 100°C część ułamkowa jest pomijana. Oprogramowanie nie umożliwia pomiaru temperatury poniżej 0°C.
Michał Kurzela, EP
• Low Fuse – 0xE2,• High Fuse – 0xDC.Szczegóły tej konfiguracji zawarte
są na zrzucie z programu BitBurner, widocz-nym na rysunku 5.
Jeżeli programowanie powiodło się, można podłączyć czujniki temperatury typu DS18B20 do odpowiednich złącz. Po ponow-nym włączeniu zasilania, oba wyświetlacze powinny wskazywać właściwą temperaturę, jak na fotografii 6. Wciskając (oraz przytrzy-mując na dłużej) przycisk S1 można usta-wić żądaną histerezę w stopniach Celsjusza. Im mniejsza, tym częściej będzie pracowała pompa, lecz mniejsze ryzyko przegrzania układu. Wtedy wyświetlacz temperatury wody gaśnie i jest również wyłączana pompa, jeżeli aktualnie pracuje.
Domyślna histereza wynosi 0,5°C, można ją zmienić maksymalnie do 20°C z kro-kiem 0,5°C (powyżej 10°C krok wynosi 1°C). Wyświetlona wartość zostaje rów-nież zapamiętana w nieulotnej pamięci EEPROM mikrokontrolera.
Po sprawdzeniu poprawności dzia-łania, można przyłączyć pompę oraz – ewentualnie – zewnętrzny obwód sygna-lizujący alarm. Alarm zostaje uruchomiony w dwóch sytuacjach:
1. Któraś ze zmierzonych tempe-ratur wynosi 95°C lub więcej(co grozi zagotowaniem).
2. Wystąpił błąd w komunikacji z któ-rymś czujnikiem temperatury.
Pompa obiegowa jest wtedy załączona na stałe. W przypadku drugiego wariantu, wyświetlacz przynależny do danego czujnika dodatkowo wyświetla napis „Err”, jak na fo-tografii 7. Warto pamiętać, że w trakcie eks-ploatacji instalacji może wystąpić przerwa w dostawie energii elektrycznej lub awaria pompy, więc instalacja musi być wyposa-żona w tradycyjne systemy bezpieczeństwa, takie jak zawór ciśnieniowy. Rozdzielczość
Aby nie uszkodziły one delikatnych portów wejścia-wyjścia mikrokontrolera, zostały one zabezpieczone dodatkowymi diodami tłumią-cymi przepięcia. Rezystor 100 V ma za zada-nie rozproszenie większość energii zwieranego zakłócenia oraz ograniczenie natężenia prądu w linii danych, aby tranzystor wyjściowy układu DS18B20 nie uległ uszkodzeniu.
Magistrala 1-Wire wymaga do poprawnej pracy rezystora podciągającego linię danych do szyny zasilania układów cyfrowych. Z mo-ich doświadczeń wynika, że przy dłuższych przewodach (rzędu kilkunastu metrów) naj-lepiej sprawuje się w tym celu rezystor o war-tości 3,3 kV.
wyjście alarMowe. Niebezpieczne sytuacje, takie jak przegrzanie kolektora oraz błąd ko-munikacji z którymkolwiek z czujników, są sy-gnalizowane przez załączenie dedykowanego wyjścia alarmowego. Ma ono niewielką wydaj-ność prądową, celowo ograniczoną rezystorem R36, lecz z powodzeniem nadaje się do załą-czenia przekaźnika półprzewodnikowego (SSR) lub jasnej diody LED. Oprócz specjal-nego wyjścia, użytkownik ma do dyspozycji świecącą na czerwono diodę znajdującą się obok wyświetlaczy.
Montaż i uruchomienieUkład sterownika zmontowano na pojedynczej, dwustronnej płytce drukowanej o wymiarach 80 mm×95 mm, której schemat montażowy pokazano na rysunku 3. Elementy przewle-kane znajdują się po obu stronach płytki, lecz większość z nich jest od strony elementów SMD, czyli spodniej (Bottom). Wyświetlacze, diody LED i przycisk są od strony górnej (Top). Montaż należy przeprowadzić typowo, od ele-mentów najniższych po najwyższe, a zmon-towaną płytkę od strony spodniej pokazuje fotografia 4.
Do pamięci Flash mikrokontrolera należy wgrać załączony plik HEX oraz ustawić odpo-wiednie bity zabezpieczające (szesnastkowo):