Za ovu objavu imamo dvije plinske ploče za kuhanje spremne za odlagalište metalnog otpada. Stoga je ovo prilika da vidimo kako izgledaju i na koji način funkcioniraju električni sustavi na takvim pločama. To je sustav električnog paljenja plina koji radi na mrežni napon i električni sigurnosni plinski ventil sa senzorom detekcije plamena na gorionicima koji radi posve autonomno.
Na rubu svakog gorionika nalaze se dva štapićasta elementa: jedan je elektroda za iskru (unutar bijelog keramičkog tijela), a drugi je termo-električni pretvornik (termopar) za detekciju prisutnosti plamena. Ovi elementi se lako uočavaju i vrlo slično izgledaju praktično na svim kućanskim plinskim pločama.
Unutrašnja konstrukcija plinske ploče BSH (Balay). Gore desno u kutu je VN bobina za proizvodnju iskre za paljenje plina. Iz nje vode VN žice na elektrode (iskrišta) svakog gorionika. Žice iz termoparova svakog gorionika pak vode svaka na svoj sigurnosni plinski ventil.
Sigurnosni plinski ventili su u kombinaciji sa električnim tipkalom kojim se aktivira bobina za proizvodnju iskre. Vidi se da su tipkala na sva četiri ventila spojena paralelno što znači da se pritiskom bilo kojeg tipkala aktivira iskra na sva četiri gorionika istovremeno.
Slika lijevo: Sigurnosni ventil ima tri priključka: cijev za dovod plina, priključak za termopar (sigurnosni elektromagnetski ventil) i tipkalo za mrežni napon (aktivacija paljenja plina električnom iskrom). Slika desno: priključak termopara i elektrode za iskru u blizini dizne plamenika.
Visokonaponska bobina za proizvodnju iskre za paljenje plina.
Unutrašnja konstrukcija plinske ploče Franke. Lako možemo uočiti iste elemente kao i na plinskoj ploči BSH (Balay).
Sistem za stvaranje električne iskre za paljenje plina
Električnu iskru stvara svojevrsni visokonaponski transformator slično kao i bobina kod automobilskog sustava paljenja (vidi objavu Osciloskop SUN Scope SS-70-4). Da bi to funkcioniralo na primarni dio transformatora je potrebno dovesti istosmjerni impulsni napon. Kod automobila se isti dobiva prekidanjem istosmjernog akumulatorskog napona mehaničkim (platinskim) ili elektroničkim prekidačem. Kod plinskih ploča se također koristi elektronički prekidač na primaru VN transformatora (bobine). Međutim, za razliku od automobilskih bobina koje su u osnovi autotransformatori, bobine za plinske ploče moraju obavezno imati galvanski odvojen primar od sekundara kako se na elektrodama ne bi pojavio mrežni napon.
Sa plinskim ventilima je kombinirano električno tipkalo koje se aktivira svakim pritiskom na plinski ventil.
Gore je bobina iz ploče BSH (Balay), a ispod nje je bobina iz ploče Franke.
Na svakoj bobini se uočava ulaz za mrežni napon (lijevo) i četiri visokonaponska izlaza za iskru (desno). Broj izlaza naravno ovisi o broju gorionika na ploči.
Bobine se sastoje od visokonaponskog transformatora i relaksacijskog oscilatora za napajanje primara. Sve ove komponente su obično trajno zalivene u čvrstu izolacijsku masu tako da nije moguće rastavljanje ni popravak istih.
Bobine za plinske ploče se uglavnom izrađuju kao gotovi blokovi zajedno sa elektronikom, sve trajno zaliveno u izolacijsku masu te se kao takve ne mogu rastavljati ili popravljati. Na Internetu sam uspio pronaći svega dvije elektroničke sheme bobina za plinske ploče, obje nastale „obrnutim inženjeringom“ tvorničkih modula, tako da moguće nisu potpune ili posve točne. U jednom slučaju je izvedena shema relaksacijskog oscilatora sa tinjalicom kao okidačem za izlazni tranzistor, no nije posve jasno da li su to stvarno ti elementi. U drugom slučaju se koristi specifični 5-slojni poluvodič naziva SIDAC ili SYDAC (Silicon Diode for Alternating Current).
Nema sumnje da pogonski relaksacijski oscilatori za VN sustave paljenja plinskih ploča mogu biti izvedeni na različite načine, sa različitim elementima. Sigurno da se uvijek teži najjednostavnijim i najjeftinijim rješenjima te se ona razvijaju i mijenjanju kako se razvijaju nove (namjenske) elektroničke komponente za takve primjene.
Elektronika paljenja FZ 4 za plinsku ploču BSH (Balay) nekako izvađena iz izolacijske mase. Fali jedna dioda koje je uništena tijekom vađenja.
Primar transformatora ima dvadesetak namotaja žice promjera 0,6 mm namotanih na feritnu jezgru. Visokonaponski sekundarni namotaji su raspoređeni u sekcije radi sprječavanja probojnog napona. To su dva zasebna namota, svaki za dva gorionika.
Elektroniku paljenja BF 0046-N80 za plinsku ploču Franke jedva smo uspjeli iskopati iz neke krute plastične smole u koju je zalivena.
Izvedene elektroničke sheme bobina BSH-Balay (lijevo) i Franke (desno). Sheme obje ploče su praktički iste, razlika je što se kod ploče BSH-Balay kao prekidački element koristi Switching Spark Gap, a kod ploče Franke se koristi SIDAC.
Kod ploče BSH-Balay relaksacijski oscilator se bazira na posebnom prekidačkom elementu oznake Epocs CS 230, a to je svojevrsno iskrište (engl. Switching Spark Gap). Kod određenog probojnog napona, u konkretnom slučaju 230 V, doći će do ionizacije plina i pojave iskre između elektroda iskrišta ovog elementa, čime isti postaje vodljiv. Specifičnost Switching Spark Gap elemenata u odnosu na obična iskrišta (surge arrester) je što mogu podnositi stalne brze (ponavljajuće) proboje, odnosno brzo se pale i brzo gase. Maksimalna brzina prekidačkih ciklusa za naš konkretni Epocs CS 230 je 25 Hz, podnosi struje do 300 A, a vijek trajanja mu je oko 9 milijuna ciklusa paljenja.
Elektronička shema je vrlo jednostavna. Mrežni napon se ispravlja diodom RL107 (1A / 1000V). Poluvalno ispravljeni mrežni napon doseže maksimalnu amplitudu (vršnu vrijednost) od 325 V. Tim naponom se puni kondenzator od 1,5 µF preko otpornika za ograničenje struje od 15 kΩ i 18 kΩ (otpornik od 4,7 MΩ vezan paralelno kondenzatoru je bleeder otpornik). Međutim, kada tijekom punjenja napon na kondenzatoru dosegne 230 V provede iskrište (Epocs CS 230) te zatvori strujni krug preko primarne zavojnice. U tom trenutku napon na kondenzatoru padne, iskrište se ugasi i ciklus se ponavlja.
Napon na kondenzatoru dakle nikad neće premašiti 230 V jer iskrište kratko spaja krug na tom naponu. Stoga kondenzator može biti za maksimalne napone 250 V. Poluvalno ispravljeni mrežni napon ima frekvenciju 25 Hz te će se iskra generirati frekvencijom od 25 puta u sekundi. To je i maksimalna frekvencija rada iskrišta Epocs CS 230.
Elektronika ploče Franke radi na isti način, osim što se ovdje kao prekidački element koristi Sidac (silicijska dioda za izmjeničnu struju). To je komponenta sa dva izvoda koja radi slično kao i diac, no s bitnom razlikom što podnosi puno veće struje i napone od diaca. Stoga sidac u nekim slučajevima može zamijeniti kombinaciju diaca i tiristora/triaka, odnosno može se koristiti izravno kao elektronički prekidač, a ne samo kao okidni element za neki drugi prekidački element snage. Slično kao iskrište i diac tako i sidac ima definiran nazivni napon na kojem počne voditi. Ispod tog napona sidac ne vodi struju i ponaša se kao otvorena sklopka. Na nazivnom naponu ili višem sidac ulazi u vodljivo stanje i u stanju vođenja ostaje sve dok primijenjena struja ne padne ispod nazivne struje držanja (bez obzira na napon).
Razna iskrišta, diaci i sidaci dakle rade vrlo slično, to su u osnovi naponske sklopke. Razlika između njih se očituje u visini napona vođenja i napona prekida vođenja za koji mogu biti konstruirani, u najvećoj frekvenciji ili brzini sklopnog ciklusa kojom mogu raditi, u maksimalnoj struji koju mogu voditi i slično. Na osnovu tih parametara odabire se najpogodniji element za neku primjenu. Naš sidac ima oznaku K277 i napon vođenja mu je u rasponu 210-230 V. Maksimalna kontinuirana struja je 1 A, no kad kao u našem slučaju radi impulsno na frekvenciji 25 Hz te struje mogu biti i preko 120 A (ovisno o širini impulsa). Može raditi na frekvencijama prekidanja preko 5 kHz (max 10 A). Sidac dakle podnosi veće struje i napone od diaca, te veće frekvencije preklapanja od iskrišta. Iskrišta pak mogu podnijeti veće struje od sidaca.
Sidac K277 izgleda kao jača dioda, no s obzirom da je sidac bipolarna (izmjenična) komponenta onda nema otisnut karakteristični prsten za polarizaciju kao dioda. Osim po izgledu kućišta između sidaca i diode nema nikakve druge sličnosti.
Iskrišta kod plinskih ploča su obične vodljive elektrode povezane VN žicom. To nisu otporne žice koje bi ujedno ograničavale maksimalnu struju na elektrodama kako je to uobičajeno za automobilske kablove.
Sigurnosni sustav detekcije gorenja plamenika
Vrlo opasna situacija kod plinskih ploča može nastati ako se plamen tijekom kuhanja iz nekog razloga ugasi, a plin i dalje nastavi dotjecati na dizne plamenika. To će uzrokovati nakupljanje plina u prostoriji i potencijalne opasnosti od trovanja i eksplozija. Stoga svaka plinska ploča ima ugrađen sigurnosni sustav koji automatski zatvara plinski ventil ukoliko nema gorenja na otvorenim plamenicima.
Kod kućnih plinskih ploča obično se za to koristi električni, ali posve autonomni sustav koji ne ovisi o vanjskom napajanju. Sustav čini termo-električni pretvornik (termopar) postavljen u plamen plamenika i elektromagnetski plinski ventil. Termopar pod utjecajem temperature počinje proizvoditi određeni napon i struju koja se koristi za zadržavanje elektromagnetskog ventila u otvorenom položaju.
Termoparovi iz ploče Franke (gore) i BSH-Balay (dolje).
Testom smo izmjerili da naši termoparovi mogu dati maksimalno do cca 23 mV napona u praznom hodu. To je uobičajena vrijednost za većinu tipova termopara. Za veće napone, više termoparova može biti serijski spojeno u zajedničkom kućištu.
Sigurnosni plinski ventil ploče Franke. Jasno se vidi odvojeni dio elektromagnetskog solenoida, koji pritišće mehanički dio ventila za protok plina.
Sigurnosni plinski ventil ploče BSH-Balay.
Mehanički dio ventila je jednostavan. Lijevo se vidi poluga kao sprega između solenoida i samog plinskog ventila.
Solenoidi izvađeni iz kućišta. Ove solenoidne kapsule se mogu kupiti zasebno te po potrebi zamijeniti. Iako se radi o dvije posve različite plinske ploče, vidimo da su ventili vrlo slični i rade na istom principu.
Zavojnica ili solenoid sigurnosnog elektromagnetskog ventila.
Zavojnica ili solenoid sigurnosnog elektromagnetskog ventila plinskih kuhala sadrži svega desetak namotaja deblje žice, tako da je otpor iste vrlo malen, reda 15 mΩ, dakle praktički kratki spoj. Ovakav dizajn omogućava maksimalnu istosmjernu struju preko zavojnice i time maksimalno moguće magnetsko polje. Nadalje, jezgra zavojnice je u obliku potkove i namotaji su na dva kraka motani u suprotnim smjerovima. Time se na rubovima potkovičaste jezgre, koji se prostorno nalaze jedan do drugoga u ravnini, dobivaju dva pola magneta. Znamo da je magnet najjači na svojim polovima. Ovakvim dizajnom se stoga zbrajaju privlačne sile oba pola koncentrirane na krajevima potkove, upravo gdje je i dodirna površina kotve sa metalnim prihvatom ventila. Kod štapičastih (elektro)magneta privlačne sile su polovično raspoređene na dva suprotna kraka jezgre što nije pogodno za ovu primjenu.
Male struje i naponi koje generira termopar mogu stvoriti samo neko slabo magnetsko polje unutar solenoida ventila, svakako ne dovoljno jako za privlačenje kotve, svladavanje opruge i drugih mehaničkih dijelova ventila. Stoga sigurnosni ventil na plinskim pločama zapravo nije električki, nego mehanički. Ventil se otvara ručno (mehanički), pritiskom gumba na ploči. Pritiskom gumba se gura kotva elektromagnetskog ventila u krajnji otvoreni položaj. Na toj krajnjoj poziciji kotve se nalazi metalni prsten. Gurnuta kotva će dakle na svojem krajnjem položaju dotaknuti taj metalni prsten, te će sada i slabo magnetsko polje biti dovoljno da zadržati magnetiziranu kotvu privučenu na metalni prsten. Magnetsko polje koje stvara solenoid dakle nije dovoljno da privuče kotvu od početne do krajnje pozicije, no dovoljno je da istu zadrži na krajnjoj poziciji kada jednom do nje bude ručno pritisnuta.
Ukoliko se plamen na gorioniku ugasi, napon termopara kroz 5-10 sekundi pada na nulu, nestaje napajanje elektromagneta, nestaje magnetsko polje koje kotvu drži u otvorenoj poziciji te opruga mehanički povlači kotvu natrag u početni položaj i zatvara ventil. Jednako tako, ako dođe do bilo kakvog električnog kvara na termoparu, žicama ili elektromagnetu, nestati će i to slabo podržavajuće magnetsko polje, te se ventil automatski vraća u početni zatvoreni položaj.
Mjerenje struje i napona na slabim izvorima
Na termoparu je voltmetrom izmjereno maksimalno 23 mV napona bez opterećenja, a ampermetrom je izmjerena struja kratkog spoja od oko 16 mA. Rezultati su dobiveni nakon što je termopar držan oko 10 sekundi na najjačem plamenu. Mjerenje struje međutim nije točno te ćemo objasniti zašto.
Testom samog ventila laboratorijskim izvorom napona izmjerili smo da njemu na 23 mV napona treba barem 100 mA struje da bi ostao zadržan u otvorenom položaju. Čak i kad se solenoid izvadi iz ventila, još uvijek je potrebno 90 mA struje da drži sam sebe u otvorenom položaju. Mi smo međutim izmjerili struju od samo 16 mA te je nejasno kako struja jačine 16 mA iz termopara može držati ventil otvorenim, a kad ventil napajamo laboratorijskim napajanje onda je treba 100 mA struje. Nešto se očito ovdje ne slaže.
Također, primijetio sam da kod spojenog ampermetra struja više nije dovoljno jaka da zadrži solenoid. Očito je da unutrašnji otpor ampermetara ima značajni utjecaj na mjerni krug i čini se da su ovdje sva mjerenja struje termopara posve pogrešna.
Standardni digitalni multimetri na strujnim opsezima imaju „burden“ napon tipično 1 mV / 1 mA. Moj Fluke 8840A je najbolje što imam i ima burden napon 0,5 mV / 1 mA. To znači da kod mjerenja struje od 16 mA stvara pad napona od 8 mV, a to je puno kada se mjeri na izvoru koji daje maksimalno 23 mV. Svakako je to dovoljan pad napona da solenoid više ne radi kad se serijski u krug priključi ampermetar sa svojim unutrašnjim otporom. O standardnim DMM-ovima koji u istim uvjetima mjerenja stvaraju pad napona od 16 mV ili veći, kao i o analognim mili-ampermetrima ne treba ni govoriti. Mjerenja na izvorima koji daju vrlo male napone i struje je svakako zahtjevno te je potrebno imati posebnu instrumentaciju za tu svrhu.
Nakon nekoliko mjerenja zaključio sam da standardni digitalni mili-ampermetri tipično imaju unutrašnji otpor od nekoliko oma (1-4 Ω) te stvaraju padove napona od desetak mA. Unutrašnji otpor se tijekom mjerenja može i mijenjati kako ampermetar automatski prilagođava mjerni opseg. Time obični mili-ampermetri nikako nisu pogodni za mjerenje struje na naponskim izvorima ispod 100 mA, a i tu će stvarati pad napona od 10%. Unutrašnji otpor ampermetra 1-4 Ω je daleko veći od unutrašnjeg otpora solenoida (15 mΩ) te će na ampermetru nastati veliki pad napona (izmjereno cca 7 mV) čime solenoid dobiva gotovo dvostruko manji napon od nominalnog.
Za naš konkretni krug je teško mjeriti struje i nekim posrednim metodama. Naime, jedina veličina koju u našem mjernom krugu možemo relativno točno izmjeriti to je napon termopara jer se unutrašnji otpor instrumenta od 10 MΩ kod mjerenja napona praktično može zanemariti. Točno mjerenje otpora kako bi primijenili Ohmov zakon je opet dosta problematično. Solenoid ima izuzetno mali otpor, gotovo kratki spoj. Unutrašnji otpor termopara se također ne može lako izmjeriti pošto isti generira napon. Također, taj otpor je vjerojatno ovisi i o trenutnoj temperaturi termopara. Mi bi mjerenje trebali vršiti na zagrijanom termoparu, a to je svakako neizvedivo izravnom metodom mjerenja jer termopar tada generira najveći napon.
Specijalni mili-ampermetri bez vlastitog unutrašnjeg otpora
Za mjerenje struje termopara morali bi koristiti posebne mili-ampermetre koji praktički nemaju vlastiti unutrašnji otpor, odnosno za mjerni krug predstavljaju prividni ili virtualni kratki spoj. U objavama Ampermetar za mjerenje foto-struje LMT I 1000 i Ampermetar za mjerenje foto-struje LMT I 510 opisali smo takve instrumente. Međutim, oni su predviđeni samo za mjerenje vrlo malih struja, reda pA, te im je maksimalni domet mjerenja do 15 mA.
Često u svojim objavama naglašavam kako je kod pojedinih mjerenja treba biti dobro upoznat sa specifikacijama mjernog instrumenta kojim se služimo jer se vrlo lako izvrše netočna mjerenja koja onda vode do pogrešnih zaključaka. Svaki instrument će tijekom mjerenja pokazati neki otklon, no rezultat ne treba odmah prihvatiti kao točan pogotovo ako je on izvan očekivanih granica. Uvijek treba dobro promisliti ima li nešto u strujnom krugu ili samom procesu mjerenja što može utjecati na točnost mjerenja. Ovo se posebno odnosi na mjerenja niskih napona i struja, te mjerenja raznih impulsnih i izmjeničnih signala koji nisu čistog sinusnog oblika.
Na Interentu je naravno nemoguće naći pouzdane podatke za neko dublje razumijevanje rada kombinacije termopara i solenoida unutar plinskih sigurnosnih ventila i nisam našao da je netko mjerio stvarne struje unutar ovih krugova.
Testirao sam i mogućnost da je ovdje možda treba uračunati sam tlak plina koji djeluje na ventil. Moguće je da taj tlak potpomaže otvaranje ventila, tako da je potrebna manja snaga za zadržavanje istog u otvorenom položaju kada ima pritiska plina. Međutim, utvrdio sam da se ventil zadržava u otvorenom položaju samo na struji iz termopara, dakle i bez tlaka plina. Očito da tlak plina nije potreban da bi se ventil zadržao u otvorenom položaju i posve je dovoljna struja koju generira sam termopar.
Za sada samo možemo izvesti zaključak kako je za zadržavanje kotve elektromagnetskog sigurnosnog ventila potrebna zaista mala snaga, reda 2 do 3 mW, a termopar to svakako može osigurati. Međutim, sve skupa treba zahvaliti dobro promišljenom sistemu, gdje je na osnovu električnih karakteristika termopara konstruiran solenoid koji će maksimalno iskoristiti svu raspoloživu snagi koju solenoid može generirati.
Zadržati ćemo termoparove i ventile za neka buduća mjerenja i eksperimente, razmotriti ću mogućnost a sve ostalo što se tiče starih i potrošenih plinskih ploča za kuhanje sada može biti slobodno odloženo kao sekundarna sirovina 🙂