光電水位控制儀的設計

摘要：為了解決太陽能熱水器上水過程中嚴重的水資源浪費問題，文中介紹了一款使用便捷、造價低廉、且節(jié)水節(jié)能的水位控制儀的設計方法。
關鍵詞：光電控制；水位；太陽能熱水器；控制儀

0 引言
    自太陽能熱水器問世起，上水均采用手動方式。但在太陽能熱水器實際使用過程中發(fā)現(xiàn)，手動上水裝置的水資源浪費現(xiàn)象較為嚴重。隨著科技進步，自動上水儀使這一問題得到了緩解。但同時，目前市場上的自動上水儀要消耗電能，而且最主要的是接入的220 V交流電對用戶安全使用構成了威脅。再者，結構設計上也不大合理，安裝比較復雜，且對太陽能熱水器主體改動較大。因此，本文對以上這些缺點進行了改進，提出了一種新的光電水位控制儀的設計方案。

1 綜合試驗系統(tǒng)的組成
    為了達到控制精度高、使用壽命長、操作簡單、安全可靠，節(jié)約用水用電的目的，本文提出了圖1所示的水位控制儀系統(tǒng)方案。此水位儀由四個部分組成，其中電磁閥主要負責自來水水路的通斷(常閉式承壓范圍0．02 Mpa～0．8 Mpa)；控制盒負責對光電能進行儲存，以及水位信號的接收、處理和電磁閥動作控制；太陽能電池板可將太陽能轉化成電能輸送給控制盒中的蓄電瓶；水位探頭則可通過對高、低兩個水位的感應來反饋給系統(tǒng)，從而實現(xiàn)太陽能熱水器的自動上水。

2 系統(tǒng)工作原理
    在圖1中，太陽能電池板可先將太陽能轉化成電能儲存在控制盒中的蓄電瓶，蓄電瓶用于給整個系統(tǒng)提供正常工作時所必須的電能，從而使系統(tǒng)能夠不間斷的獲取水位探頭感應的低、高兩個水位信號，該信號經(jīng)控制和處理后，最終可轉變?yōu)殡姶砰y與控制盒蓄電瓶電路的通、斷，從而達到自動上水的目的。另外，考慮到氣候差異會使太陽能電池板的工作效率降低，本設計還內(nèi)置了蓄電瓶充電器，以確保系統(tǒng)可靠、絕對的正常運行。
    本系統(tǒng)中的控制板電路如圖2所示。該電路利用了三極管的放大、飽和、截止等工作特性。其中采用的三極管為2N5551。2N5551的類型為NPN(UBE=0．6～0．7V)，集電極-發(fā)射集最小雪崩電壓Vceo(V)為160。集電極最大電流Ic(max)為0．600 A，功率(W)為0．31；直流電流增益hFE最小值(dB)為80；直流電流增益hFE最大值(dB)為250；最小電流增益帶寬乘積Ft(MHz)為100，封裝采用T092，溫度范圍為-55～150℃。
    根據(jù)已知的蓄電瓶的額定工作電壓Ucc，可以選定額定工作電壓(線圈工作電壓)為Uo=Ucc的繼電器，此繼電器的吸合電壓為U吸，而釋放電壓則為U放。
    根據(jù)繼電器的工作特性，當繼電器兩端電壓UJ滿足Uo≥UJ≥U吸時，繼電器正常工作且處于吸合狀態(tài)；當UJ<U釋時，繼電器觸片釋放。

3 控制儀的工作原理
3．1 上水開始
    在圖2所示電路中，先閉合K，之后當水位下降到最低設定水位a或b(此時a、b兩點同高度)時，繼電器開始吸合。此時，JK1斷開，JK2閉合，T1截止不工作。此時有：Uo≥UJ≥U吸。
    圖3所示是開始上水的電路圖。

    該電路的繼電器電流，其中RJ由選定繼電器決定。由于2N5551的集電極最大電流IT為0．600A。
    故有：
   
    其中I3為通過R3的電流。
    另外，要使繼電器吸合，則應滿足Uo≥UJ≥U吸的條件，即：
   
3．2 上水停止
    在圖2電路中，當水位上升到最高設定位置a時，要停止上水，則須滿足UJ<U釋的條件。此時，JK1恢復到閉合，JK2恢復到斷開。
    停止上水時，其工作電路圖如圖4所示。

    此時有：

    由(9)、(10)式聯(lián)立得：
   
    經(jīng)測量得，Uo為12V的繼電器RJ的值為120Ω。因此，當Ucc為2 V時，為求電路工作可靠，應有18833．3Ω>R3>2354Ω。而由于基極偏壓電阻越小，集電極負載電阻越大，三極管越容易進入飽和狀態(tài)。故取R3為5 kΩ，再由(11)式解得：818kΩ>R1>2354Ω，即取R1=27 kΩ(計算過程取β=125，UBE=0．7 V)。
    電路中的D4004為續(xù)流二極管，是反向并聯(lián)在繼電器線圈的兩端。由于繼電器線圈在電流通過時，會在其兩端產(chǎn)生感應電動勢。而當電流消失時，其感應電動勢又會對電路中的原件產(chǎn)生反向電壓。當反向電壓高于元件的反向擊穿電壓時，可能會使元件(如三極管)損壞。故將續(xù)流二極管反向并聯(lián)在繼電器兩端，這樣，當流過繼電器線圈中的電流消失時，繼電器線圈產(chǎn)生的感應電動勢就會通過二極管和繼電器線圈構成的回路做功而消耗掉，從而保護了電路中其它元件的安全。
    圖2中，R2和R2’可由給定發(fā)光二極管參數(shù)解得。而接入的交流220 V變直流12 V的變壓器為成品變壓器。

4 太陽能電池板的配型
    按照每天上水一次，每次上水時間約為分鐘來考慮。若已知12 V電磁閥的功率為10 W，2N5551的功率為0．31 W，繼電器的功率為0．9 W，綠色發(fā)光二極管為0．06 W，則電路中電阻的總功率可計做1W。假設整個電路全天工作，電磁閥工作時間為T。那么，設計時配型時，首先應計算出每天消耗的瓦數(shù)，由測量可得，停止上水時的電路功率為：
   

    這樣，在計算太陽能電池板的時候給12 V蓄電瓶充電必須選取大于供電電壓(大于12 V)的太陽能電池板。本設計采用1塊尺寸為235x170 x23 mm，電壓為18 V，電流為100 mA的單晶硅太陽能電池板給蓄電瓶充電，其功率為P=1×18×0．1=1．8 W。由于電路損失及光照強度的因素，在充電過程中，太陽能電池板轉化的電能實際儲存率η=70％。
    每天所需要的光照時間為。所以每天太陽能電池板只需要5小時的光照便可保證系統(tǒng)的正常運行。

5 結束語
    本設計的光電水位控制儀具有安全可靠，價格低廉，安裝便捷等優(yōu)點。系統(tǒng)工作時所需的電力完全由太陽能轉化而來，因此，在節(jié)約水資源的基礎上，也節(jié)省了電能，這無疑是一項綠色、環(huán)保、節(jié)能安全的設計方案。