¿Existe un circuito/componente estándar para controlar la temperatura del elemento calefactor resistivo de 500 W de una PCB?

Tengo un elemento calentador de cartucho de 500 W (230 V) y un termopar tipo K. Quiero usar la retroalimentación del termopar para poder variar la temperatura del calentador del cartucho. No me preocupa poder implementar el circuito y el software del termopar, sin embargo, nunca antes había usado un elemento calefactor de alta potencia.

Estoy investigando el control del elemento. Personalmente, no tengo ningún problema con un control de encendido y apagado (como en, estoy de acuerdo con aplicar algo de histéresis y tener, digamos +/- 10 ° C del valor deseado, o usar PWM), sin embargo, tal vez hay algunas otras consideraciones sobre por qué esto no sería una buena idea (cambiar los ciclos de vida, por ejemplo). Si hay un componente para variar de manera segura la potencia del elemento calefactor, de modo que pueda implementar PID, por ejemplo, entonces también estaría interesado en eso.

Como quiero controlar los elementos calefactores desde un microcontrolador (preferiblemente 3v3, pero puedo cambiar el nivel a 5v si es necesario), he estado buscando relés. Sin embargo, estoy luchando con los requisitos de energía: por lo que encontré, 500 W parece ser mucha potencia para un relé basado en PCB (aunque como nunca antes he usado un relé, tal vez esté malinterpretando las especificaciones). También me preocupan las huellas reales en la PCB: preferiría tener el relé controlado por las huellas de la PCB, pero los elementos calefactores solo se conectan al relé mediante cables, si existe tal dispositivo.

He investigado relés de estado sólido con enclavamiento, sin enclavamiento, SCR, triac, pero siento que cuanto más lo analizo, menos seguro estoy. Ahora estoy en el punto en el que siento que debe haber una forma estándar de hacer esto, pero me estoy perdiendo en el mar de opciones.

Entonces, ¿hay un circuito/dispositivo estándar para controlar de manera segura la temperatura del elemento calefactor de 500 W (230 V) usando voltajes de nivel de microcontrolador? En mi opinión, el método más barato/más simple suele ser mejor, siempre que sea seguro.

EDITAR:

Gracias a todos por los comentarios y respuestas hasta ahora. Parece que iré con algún tipo de relé y posiblemente alguna protección de respaldo si quiero usar un relé de enganche. Uno de los principales problemas que tengo para encontrar un relé adecuado es obtener las especificaciones correctas. Por ejemplo, lo siguiente se toma de una hoja de datos de un relé:

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Lo primero que veo es que el voltaje de conmutación máximo y la corriente de conmutación máxima son lo suficientemente altos, genial. Luego vi el cuadro de carga nominal, cuando lo confirma. Sin embargo, lo que me confunde es el 'Max. caja de alimentación de conmutación. Ya estoy un poco confuso sobre la diferencia entre VA y vatios, pero el hecho de que tenga un máximo de 300 W, mientras que mi elemento tiene una potencia nominal de 500 W, me confunde. ¿Alguien puede ayudar a explicar esto?

¿Ha considerado algo similar a un termostato antiguo? Tira bimetálica y un imán, eso es todo lo que necesitas. Sin electrónica activa en absoluto.
No he considerado eso todavía. pensamiento interesante Espero tener un control de software sobre la temperatura, así que supongo que sacrificaría eso con tal sistema.
Sí, el control de la temperatura por software sería difícil en un sistema de este tipo.

Respuestas (3)

500 vatios a 230 voltios son solo 2,17 amperios. Si no desea tener la alimentación encendida continuamente a ese nivel de potencia, es posible que desee diseñar para 2,5 a 3 amperios. Un relé electromecánico montado en PCB para esa clasificación de corriente y una carga resistiva no debería ser difícil de encontrar.

También debe considerar usar un relé de estado sólido para probar con el control de cruce por cero. La idea sería pasar un cierto número de ciclos completos de corriente de línea de CA y bloquear un cierto número, variando la relación de encendido/apagado bajo el control PI o quizás PID. Regular a solo +/- 10°C parece una expectativa bastante pesimista. El termostato pasado de moda sugerido por @Hearth funcionaría mejor que eso.

Gracias por tu respuesta. He editado mi pregunta con una hoja de datos de relé de ejemplo. Si bien tengo la esperanza de encontrar algo adecuado, tengo algunas preocupaciones que muestra la edición. ¿Pueden ayudarme a comprender qué especificaciones debo tener en cuenta al buscar un relé? También miraré lo del paso por cero, muchas gracias.
Esa no es una especificación muy clara, pero sospecho que los valores de cambio entre paréntesis son para CC.
Los valores entre paréntesis son para relés de "tipo de contacto de barra transversal bifurcada"; la hoja de datos es para varios modelos. Lo siento, debería haber incluido eso en la captura de pantalla. Principalmente estoy confundido acerca de los 2500 VA (que es mucho más de lo necesario para mi elemento de 500 W, excelente), y los 300 W (que obviamente no son buenos) están en la misma especificación de "Potencia de conmutación máxima".
Dado que se han explicado los paréntesis, propondría 300 W como clasificación de conmutación de CC.

La forma más fácil, y probablemente la que producirá el mejor control, es comprar un controlador de temperatura industrial con algún tipo de interfaz serial y cambiar un relé de potencia o un SSR con la salida. Eso le permite comprar el extremo frontal del termopar, debidamente aislado de tierra para que se pueda usar un sensor rápido, un algoritmo PID de sintonización automática y una pantalla de usuario.

Los relés de potencia son económicos y confiables; sin embargo, se desgastan después de unas 100 000 operaciones a plena corriente. A 20 segundos por ciclo, eso es un par de años funcionando las 24 horas del día, los 7 días de la semana. Si reduce la capacidad de contacto, puede obtener una vida útil considerablemente más larga.

Los SSR generan calor (aunque no mucho con solo unos pocos amperios, pero generalmente requerirán un disipador de calor) y tienden a fallar de manera más aleatoria, y generalmente fallan 'encendidos', lo que a menudo es un problema.

En cualquier caso, si el controlador está atascado 'encendido' o 'apagado' podría causar lesiones o daños importantes, necesitará una copia de seguridad redundante, como un fusible térmico o un controlador de límite independiente.

No estoy tan interesado en un controlador preconstruido, ya tengo un circuito termocople de un circuito anterior que sé que me permite leer la temperatura con precisión. Y el proyecto tiene un microcontrolador que se usa en otros lugares, por lo que no es complicado agregar algún PID al software. Gracias por la información sobre relés y SSR. 20 segundos por ciclo funcionando 24/7 llegarían a 100.000 ciclos en unos 24 días, ¿no? Pero creo que 100.000 ciclos serán suficientes para la vida útil de este proyecto.
He editado mi pregunta para agregar una hoja de datos de relé. ¿Hay más consejos que pueda dar sobre los relés de potencia para ayudar a mi confusión?
¿Puedes vincular la hoja de datos del relé real?
docs.rs-online.com/51dc/0900766b80dbf2c8.pdf Es una hoja de datos para varios modelos, pero la captura de pantalla era de la página 4
El resultado final se refiere a cambiar una carga resistiva de CC, por lo que puede ignorarlo en su aplicación. DC es más problemático de cambiar porque no hay cruces por cero para ayudar a interrumpir el arco. VA=W para una carga resistiva.

Hay muchas formas de despellejar a un gato, como has descubierto...

Si su carga de calefacción tiene una gran masa térmica y tarda un tiempo en calentarse, entonces el modelo de encendido/apagado bang-bang es simple y puede usar un relé. Puede obtener relés con pestañas Faston, de modo que no esté pasando la corriente a través de su PCB, aunque 2.2Amps no es tan difícil de hacer en una PCB. Vea la imagen de ejemplo a continuación, aunque este relé específico puede no ser lo que necesita, muestra la rapidez de montaje.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Siendo que son solo 2.2Amps, también puedes controlarlo con Triacs. Esto permitiría un control mucho más fino, como PWM pero ciclo por ciclo. Habría mayores pérdidas en el lado de la carga en comparación con un relé, pero la bobina del relé también es una pérdida, por lo que tendría que ver si uno gana sobre el otro para su situación.

Tiene razón en que he podido encontrar muchos relés que se cargan para 2A, sin embargo, estoy luchando porque muchos de ellos parecen continuar diciendo que se cargan para menos de 500W. He editado mi pregunta para ilustrar esto, ¿pueden ayudarme con esto?