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):