Автохолодильники на элементах Пельтье используются в летний период на отдыхе, там, где имеется постоянное напряжение питания 12 В: в автомобиле, катере, яхте и т.п. Но эти устройства, несмотря на свою простоту, иногда выходят из строя. Несколько раз приходилось ремонтировать подобные холодильники автору этих строк. В настоящей статье для домашних умельцев приведена полезная информация, которая необходима для ремонта этих устройств.
Автомобильный холодильник «Термия» GSA-001В производства ПАО «Маяк», г. Винница, выполнен в виде пластмассового термоса-контейнера с убирающейся ручкой для переноски и крышкой, в которую помещена вся механика с электроникой устройства. Холодильник легко помещается в багажный отсек автомобиля. В крышку корпуса встроены элемент Пельтье, все элементы системы управления режимом
работы холодильника и электронный термометр, а встроенный вентилятор обеспечивает постоянный эффект стабильной температуры.
GSA-001В может работать не только как холодильник, но и как подогреватель. Он имеет два режима работы:
- в режиме «Охлаждение» он позволяет поддерживать температуру до 15°С ниже температуры окружающей среды;
- в режиме «Нагрев» он поддерживает температуру внутри корпуса аппарата на уровне 56°С.
Этот холодильник отличается простотой конструкции, высокой надежностью, экологической безопасностью, не содержит фреона. Холодильник работает от бортовой сети автомобиля (через розетку прикуривателя) как во время движения автомобиля, так и во время стоянки. Он может работать также от сети переменного тока 220…230 В/50 Гц. Холодильник укомплектован двумя шнурами питания (со стандартной вилкой и штекером для прикуривателя) и автоматическим защитным устройством М-50к-12 (см. [1]), которое контролирует предельно допустимую разрядку аккумуляторной батареи 11,6 В.
Основные параметры и характеристики холодильника «Термия» GSA-001В:
- объем холодильной камеры 25 л;
- охлаждение ниже температуры окружающей среды на 15°С;
- номинальная мощность 52 Вт;
- напряжение питания =12 В/~220 В;
- класс защиты II;
- габаритные размеры 325x216x260 мм;
- вес 4 кг.
Caractéristiques de conception
Основой холодильника служит, так называемый, элемент Пельтье типа ТЕС1-12706 (ТЕС от англ. Thermoelectric Cooler – термоэлектрический охладитель). Его работа основана на эффекте Пельтье, который был открыт еще в 1834 г.
Эффект Пельтье – это термоэлектрическое явление, которое возникает при пропускании электрического тока через контакт (спай) двух различных проводников или полупроводников. На этом контакте (спае), помимо джоулева тепла, происходит выделение дополнительного тепла при одном направлении тока и его поглощение при обратном направлении. Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека.
Элемент Пельтье ТЕС1-12706 (Figure 1) представляет собой «сэндвич» толщиной 3,8 мм из двух плоских керамических пластин размерами 40×40 мм, между которыми находится множество чередующихся последовательно соединенных полупроводниковых элементов типов «n» и «р» (Figure 2).
Figure. 1
При прохождении постоянного тока через такое соединение одна сторона р-n контактов (одна керамическая пластина) будет нагреваться, а другая, наоборот, охлаждаться.
Figure. 2
Если изменить направление тока через элемент Пельтье, то та керамическая пластина, которая до этого нагревалась, будет охлаждаться, а та, что охлаждалась, начнет нагреваться Элемент Пельтье ТЕС1-12706 (китайского производства) имеет следующие параметры:
- напряжение питания постоянное 3,7… 16 В (чем выше напряжение, тем лучше эффект);
- номинальное напряжение питания 12 В;
- максимальный ток при напряжении 12 В составляет 4,5 А;
- мощность 50…60 Вт;
- максимальная разница температур более 66°С.
ТЕС1-12706 имеет два гибких вывода из проводов красного и черного цвета. Если подать «+» источника питания на красный провод, а «-» на черный, то охлаждаться будет сторона элемента, на которую нанесена надпись «ТЕС1-12706», а противоположная будет нагреваться. При изменении полярности напряжения, подписанная сторона будет греться, а противоположная охлаждаться.
Как было отмечено выше, весь холодильник собран в съемной крышке. Там же на двух радиаторах расположен элемент Пельтье. Два радиатора нужны для отвода (подачи) тепла от сторон элемента Пельтье. Устройство содержит два вентилируемых канала, которые условно назовем внутренним и внешним. Они обеспечивают обдув соответствующих радиаторов для ускорения и улучшения теплообмена. Внутренним каналом будем называть канал обдува радиатора, который обеспечивает необходимую температуру внутри прибора, а внешним каналом – канал, обеспечивающий теплообмен второго радиатора и внешней среды.
De Figure. 3 показана съемная крышка холодильника с нижней стороны. На этом рисунке хорошо виден внутренний радиатор и канал обдува этого радиатора со снятыми крышками, а также датчик температуры. Замечу, что крышка внутреннего канала крепится в устройстве с помощью 13-ти защелок, которые при снятии этой крышки открываются с помощью плоской отвертки. На fig. 3 показаны элементы только одной из этих защелок.
Figure. 3
Для «вскрытия» крышки холодильника необходимо открутить два винта-самореза вверху крышки (Figure 3), раскрыть ряд защелок сбоку по периметру крышки. Резиновый уплотнитель (Figure 3) трогать и, тем более, отдирать не следует. Он обеспечивает герметичность конструкции, выбирая мельчайшие щели между корпусом и крышкой холодильника, и к разборке устройства отношения не имеет.
Раскрытая крышка холодильника — Figure 4. На этом рисунке показан второй радиатор аппарата и канал его обдува. Я умышленно не пользуюсь термином «охлаждение», так как, работая в режиме «Охлаждение», этот радиатор действительно будет нагреваться, и принудительный обдув будет его охлаждать, а работая, как подогреватель (режим «Нагрев»), он будет охлаждаться, и обдув будет повышать его температуру.
Figure. 4
Весьма интересен способ установки элемента Пельтье на радиаторы. На Figure 3 et Figure 4 этот элемент не виден – только радиаторы.
На эскизе рис. 5 показано, как установлен элемент Пельтье на радиаторах в холодильнике GSA-001 В. Нижний радиатор обдувается вентилятором и определяет температуру внутри аппарата, а верхний, который также обдувается вентилятором, и «греет» (или «охлаждает») окружающую среду.
Fig. 5
Одна из сторон элемента через слой термопасты КПТ-8 соединена непосредственно с верхним радиатором. Вторая сторона этого элемента «сидит» на нижнем радиаторе через алюминиевый переходник, который необходим для того, чтобы разнести холодный и горячий радиаторы на определенное расстояние для уменьшения теплообмена между ними. С этой же целью между радиаторами уложена теплоизоляция из пенопласта. Естественно, между алюминиевым переходником элементом Пельтье и нижним радиатором проложены слои термопасты КПТ-8.
Весь этот «бутерброд» скреплен двумя винтами М4 через изоляционные пластмассовые втулки. Головки этих винтов видны на Figure. 3 со стороны внутреннего радиатора. Для уменьшения теплообмена между внешним радиатором и внутренним каналом, головки винтов (во втулках) покрыты толстым слоем силиконового герметика.
На переходнике установлен термостат (термореле) типа KSD301, нормально замкнутые контакты которого размыкаются при достижении температуры +85°С. Это обеспечивает ограничение температуры внутри прибора в режиме «Нагрев».
Замечу, что обдув радиаторов обеспечивается одним вентилятором с двумя крыльчатками, двигатель которого размещен в пространстве между внешним и внутренним каналами обдува (внутри пенопластовой теплоизоляции).
De Figure. 4 несложно заметить три печатные платы:
- управления;
- электронного термометра;
- сетевого блока питания.
К сожалению, холодильник, как это принято последние 15-20 лет, не укомплектован принципиальной схемой. Нет никакой технической информации, за исключением «Инструкции пользователя», об этом холодильнике и в сети Интернет. Поэтому принципиальные схемы этого аппарата в целом и печатных плат, в него входящих, автору пришлось восстанавливать по монтажу.
De рис. 6 показана общая принципиальная схема автомобильного холодильника «Термия» GSA-001В, на которой платы электронного термометра и сетевого блока питания показаны в виде прямоугольников. Об этих узлах будет рассказано отдельно.
Рис. 6
Остановимся на схеме рис. 6 подробнее.
Назначение деталей:
- Х1 – сетевой разъем;
- Х2 – разъем кабеля от бортовой сети автомобиля 12 В;
- S1 – выключатель-переключатель напряжения сети;
- S2 – выключатель-переключатель режимов «Охлаждение-Нагрев»;
- HL1 – красный светодиод-индикатор режима «Нагрев»;
- HL2 – зеленый светодиод-индикатор режима «Охлаждение»;
- R1, R2 – ограничивающие резисторы;
- М1 – двигатель вентилятора;
- D1-D4 – диодный мост – коммутатор напряжения питания двигателя вентилятора;
- SK1 – термостат (термореле) KSD301 +85‘С;
- ЕК1 – элемент Пельтье типа ТЕС1-12706.
При включении холодильника с помощью переключателя S1 (Figure 6) и выключенном S2 (положение OFF) будет включен только термометр, показывающий температуру внутри холодильника.
Выключатель-переключатель S2 при переключении режимов «Охлаждение-Нагрев» меняет полярность напряжения питания на элементе Пельтье. При этом меняется полярность напряжения на светодиодах HL1 и HL2, засвечивая тот из них, который смещен в прямом направлении. Чтобы при переключении режимов не менялось направление вращения крыльчаток вентилятора, надо сохранить при этом полярность напряжения питания двигателя вентилятора М1. Поэтому напряжение питания поступает на двигатель вентилятора через диодный мост D1-D4. Заметим, что независимо от полярности напряжения на входе моста, на его выходе полярность напряжения, используемого для питания М1, будет неизменной.
Размещение на передней панели холодильника выключателей-переключателей S1 и S2, индикаторов режимов и семисегментного индикатора термометра показано на Figure 7.
Fig. 7
Thermomètre électronique
Электронный термометр позволяет визуально контролировать температуру внутри холодильника. Он собран на печатной плате размерами 75×35 мм (Figure 8, Figure 9).
Рис. 8
Рис. 9
Принципиальная схема термометра, восстановленная автором по монтажу, показана на рис. 10.
Рис. 10
Термометр собран на микроконтроллере (МК) IC1 типа HT46R47 компании Holtek Semiconductor Inc. МК имеет минимум элементов обвязки.
Питание МК осуществляется напряжением 5,1 В, которое формируется параметрическим стабилизатором на стабилитроне DW1 с балластным резистором R1.
Датчик температуры расположен внутри крышки холодильника и термоизолирован пенопластом. Прямого доступа (если не выковыривать пенопласт) к этому датчику нет. Торец этого датчика «выглядывает» из крышки внутрь холодильника, что можно рассмотреть на Figure 3. Скорее всего, это датчик без АЦП производства компании Honeywell с полупроводниковым чувствительным элементом серии TD или датчик с платиновым чувствительным элементом серии 700 этой же компании.
Аналоговый сигнал от датчика температуры поступает на вход внутреннего АЦП микроконтроллера RB0/AN0 (вывод 8 IC1). МК обеспечивает преобразование сигнала от датчика температуры в цифровой двоично-десятичный код и выводит его на двухразрядный семисегментный индикатор красного цвета с общими катодами IC2 типа FYD-3621AR.
Сетевой блок питания
Сетевой блок питания (БП) обеспечивает получечие постоянного стабилизированного напряжения 12 В из переменного напряжения сети 220 В, 50 Гц с гальванической развязкой вторичной и первичной цепи БП, которая обеспечивается трансформатором и оптопарой.
БП собран на односторонней печатной плате размерами 106×38 мм (рис.11, рис.12).
Рис. 11
Рис. 12
Принципиальная схема этого блока восстановлена автором по монтажу и показана на Figure. 13.
Рис. 13
При вычерчивании схемы возникло ряд сложностей, связанных с высокой плотностью и особенностью монтажа:
- ряд деталей, включая оптопару, размещены под импульсным трансформатором;
- надписи на некоторых деталях закрашены или стерты;
- позиционные номера многих деталей неразличимы, так как закрыты самими деталями.
Автор решил восстанавливать принципиальную схему без полной разборки платы. Поэтому на схеме неуказанны типы большинства диодов и номинал резистора R4 фильтра питания оптопары. Замечу, что позиционные номера деталей, указанные на схеме жирным шрифтом, проставлены автором статьи, так как оригинальные номера прочитать не удалось без выпайки деталей.
Архитектура БП классическая. Его основой является блокинг-генератор на полевом транзисторе Q1 типа WFF4N60 и импульсном трансформаторе Т1 типа JL-EER28-009.
Кроме того, БП содержит:
- схему запуска (R12, R10);
- схему ограничения тока полевого транзистора Q1 с датчиком тока истока этого транзистора R2;
- импульсный выпрямитель выходного напряжения на мощном импульсном диоде D9, тип которого установить не удалось.
- каскад стабилизации (схема сравнения) на микросхеме (регулируемом стабилитроне) U2 типа TL431 с цепью регулирующей ООС на оптопаре U1;
- триггера защиты БП от перегрузки на комплиментарной паре транзисторов Q2 SS9014 и Q3 SS9015.
Замечу, триггер защиты собран по схеме, широко используемой в бытовой радиоаппаратуре. Этот триггер можно встретить в сенсорном устройстве УСУ-1-15 телевизоров ЗУСЦТ, блоках питания ряда переносных телевизоров, которые выпускались еще в советские годы, а также в БП импортных телевизоров и видеомагнитофонов. Второе название этой схемы – эквивалент тиристора.
Принцип работы рассматриваемого БП мало чем отличается от работы блока питания телевизоров ЗУСЦТ. Блок питания холодильника даже проще. Поэтому подробно останавливаться на работе схемы рис. 13 не буду. Напомню только, что ограничение тока полевого транзистора 01 происходит каждый период. Q1 открывается за счет блокинг- процесса (за счет наличия ПОС через обмотку 1 -3 Т1), а закрывается, когда падение напряжения тока истока Q1 на датчике тока R2 достигнет определенной величины. Моментом закрывания Q1 управляет U2 через цепь ООС по напряжению, в которую входит оптопара U1.
Восстановление работоспособности холодильника
Напомню, что автор начал разбираться в конструкции, схеме и работе автохолодильника «Термія» GSA-001B, преследуя цель восстановить работоспособность конкретного аппарата, который перестал охлаждать и (нагревать тоже) заложенные в него продукты при сохранении нормальной работы вентилятора и электронного термометра.
После разборки холодильника оказался неисправным элемент Пельтье (термоэлектрический модуль) ЕК1 (см. схему рис.6) типа ТЕС 1-12706. Проверить исправность ТЕС1-12706 несложно. Можно прозвонить модуль омметром. Сопротивление исправного модуля около 2…3 Ом (сопротивление неисправного составляло 20 кОм). Кроме того, если кратковременно подать на исправный термоэлектрический модуль постоянное напряжение 5…12 В от достаточно мощного источника питания, то одна из поверхностей (керамических пластин) элемента Пельтье охладится, а другая нагреется. Замечу только, что подавать напряжение на этот элемент, если он неустановлен на радиаторах, на длительное время не следует, так как это может привести к его перегреву и выходу из строя.
Renvoi
- Безверхний И.Б. М-50к-12 – устройство защиты для автохолодильника // Радиоаматор. – 2011. – №6. – С.29-31.
Auteur : Игорь Безверхний, г. Киев
Source : журнал Радиоаматор №9, №10, 2015