Конструирование и производство
датчиков, приборов и систем
УДК 641.544.72
ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ТЕРМОРЕГУЛЯТОР НА ОСНОВЕ Б-НЕГАТРОНОВ
А. М. Кравченко, А. М. Анохин
Приведено описание электрической схемы двухканального терморегулятора промышленного применения, построенного на основе температурного сенсорного негатрона с Б-образной вольтамперной характеристикой. Предложены и рассмотрены новые схемотехнические приемы построения терморегулятора, позволившие получить существенные конструктивные и эксплуатационные преимущества относительно аналогов традиционного построения.
Ключевые слова: полупроводник, сенсор, негатрон, Б-образная ВАХ, температурный порог, функция преобразования, позиционное регулирование.
ВВЕДЕНИЕ
В ряду задач термостатирования можно отметить как наиболее часто встречающиеся следующие три варианта решения. Первый вариант — поддерживать температуру объекта не ниже заданного уровня в технологиях с принудительным нагревом и естественным охлаждением, второй вариант — поддерживать температуру не выше заданной в технологиях с принудительным охлаждением и естественным нагревом и третий вариант — поддерживать тепловое состояние объекта в заданном температурном коридоре в техно -логиях комбинированного типа, например, в климат-контроле авиа-или автосалонов.
Для решения двух первых задач вполне эффективен двухпозицион-ный закон регулирования, который предопределяет две фазы теплооб-менного процесса — активную фазу принудительного теплового воздействия на объект (нагрева или охлаждения) и пассивную фазу естественного теплообмена между объектом и средой. Двухпозиционный закон схемотехнически просто реализуется посредством использования в качестве первичного преобразователя температуры бистабильного термо-
чувствительного негатрона, обладающего ¿-образной вольтамперной характеристикой (ВАХ), т. е. ¿-негатрона [1, 2]. Для решения задачи третьего варианта необходимо применить трехпозиционное регулирование. Оно может быть реализовано путем совместного использования двух каналов с двухпозицион-ным регулированием.
Ниже описана принципиальная электрическая схема двухканаль-ного двухпозиционного регулятора температуры, построенного на основе ¿-негатронов [3].
ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ТЕРМОРЕГУЛЯТОРА
Принципы схемотехнического построения терморегулятора предопределены двумя особенностями вольт-амперной характеристики его первичного преобразователя, т. е. ¿-негатрона: во-первых, свойством переключательности (из непроводящего состояния в проводящее и обратно) и, во-вторых, температурной зависимостью порогового напряжения переключения. Эта зависимость выражается кельвин-вольтовой характеристикой (КВХ) преобразования. Она является метрологической основой принципа работы
терморегулятора. Ее типичный вид представлен на рис. 1.
Питают ¿-негатрон импульсным напряжением промышленной частоты, которое периодически открывает его на время, определяемое длительностью импульсов на уровне порога. По индивидуальной КВХ негатрона шкалу терморегулятора градуируют и по шкале температур в рабочем процессе выставляют пороговые значения амплитуд импульсов питания.
Принцип работы терморегулятора пояснен диаграммами на рис. 2, где на рис. 2, а, б показан принцип формирования измерительного сигнала, а на рис. 2, в, г — принцип формирования управляющего сигнала [1].
На рис. 2, б, представлена последовательность разноуровневых импульсов питания, где импульс с амплитудой уровня 1 — неоткрыва-ющий при температуре ниже 1 импульс с амплитудой уровня 2 — пороговый при ¿1, а импульс уровня 3 — пороговый при ¿2. На рис. 2, а, изображены ВАХ схемы включения ¿-негатрона (последовательного соединения негатрон — резистор нагрузки) при двух температурах — ¿1 и ¿2.
28
Эепвогв & Эувгетв • № 2.2013
Рис. 1. Келвин-вольтовая характеристика преобразования
я
18Т
и»
^ V А'
—■■- иП
ЧПТ1 ЧПТ2
) \_I__I__
0 г
а)
1ДЦ,
кор иП
и
иф
и
0
в
Фаза нагрева Фаза охлаждения
г)
б)
Рис. 2. Диаграммы, поясняющие принцип работы терморегулятора:
Чл — напряжение питания; ЧпТ1, ЧПТ2 — пороговые напряжения переключения при температурах ¿1 и /2; — ток ^-негатрона; Тут — пороговое значение тока переключения негатрона; Лн — сопротивление нагрузочного резистора; А и С — точки открывания негатрона соответственно при температурах ¿1 и ¿2; В и Я — точки устойчивого удержания в открытом состоянии; Ж — точка возврата из открытого состояния (впадина); V — точка сброса в устойчивое закрытое состояние; Чф — напряжение на выходе сглаживающего фильтра, Чъ — напряжение срабатывания ключа, управляющего режимом переключения выходной цепи
Характерный участок вида А—А' на ВАХ ^-негатрона соответствует динамике его открывания в том случае, когда амплитуда импульса питания (уровень 3) больше требуемого порогового уровня (уровня 2) при заданной температуре переключения (¿1).
На рис. 2, в, изображена последовательность импульсов, выделяемых на нагрузочном резисторе, где Цд — напряжение на резисторе, а на рис. 2, г, показана динамика напряжения, формируемого на выходе фильтра, при сглаживании импульсной последовательности.
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ТЕРМОРЕГУЛЯТОРА И ЕЕ РЕАЛИЗАЦИЯ
Электрическая схема терморегулятора представлена на рис. 3.
В ее состав входит источник вторичного электропитания ИВЭП, построенный на основе силового трансформатора ТУ марки ТПГ-2-2х15 (2,5 Вт, 160 мА) с двумя раздельными вторичными обмотками на 15 В каждая. Одна из обмоток питает через выпрямительный мост В1 (марки В40С800G) накопительную емкость С1 (330,0 х 25 В), балансный резистор Я9 (100 х 0,5) и стабилитрон УБ9 (15 В, 1 Вт) напряжением + 15 В (измеряется в контрольной точке А), входные цепи устройств коммутации обоих каналов. Показателем наличия этого напряжения служит зеленый светодиод УБ8 (марки L44), который подключен через гасящий резистор Я8 (6,8 к х 0,125).
Вторая выходная обмотка трансформатора питает сенсорные схемы двух идентичных измерительных каналов. Синусоидальное напряжение с сетевой частотой 50 Гц
и амплитудой (15 72 ) В разделяется двумя полумостами УБ1—УБ2 и УБ3— УБ4, выполненными на диодных сборках марки КДС—111В, на две однополярные импульсные последовательности, взаимно сдвинутые на половину периода. Этот схемотехнический прием позволил установить раздельный во времени режим питания двух измерительных каналов от одного источника напряжения ограниченной мощности (вторичной обмотки) и почти исключить их взаимное влияние в моменты переключений.
Задатчик уставочных амплитуд импульсов питания (измеряются в контрольной точке Б) построен на управляемом стабилитроне УБ5 марки КР142ЕН19 и резистивной цепи делителя напряжения Я1—Я5. Резисторы этой цепи выполняют следующие функции: Я1 (910 Ом х 0,5) — токоограничивающий; Я2 (переменный 1 к) регулирует амплитудные уставки в диапазоне пороговых напряжений от 3 до 15 В; Я3 (под-строечный 220 Ом) — регулирует гистерезисные уставки в диапазоне дикор = 10 В; Я4 (91 Ом) — балластный; Я5 (200 Ом) — опорный. Но-
¿1 > ¿2
В
0
0
3
г
t
+ 15 В
2 канал
TV
та
ч i-I
VD3.
На 2 канал + 15 В
Рис. 3. Электрическая схема терморегулятора
минал резистора R2 и соответственно диапазон регулирования пороговых напряжений выбирается в зависимости от заданных граничных значений температуры по индивидуальной ГХП (см. рис. 1) S-негат-рона.
В качестве термочувствительного S-негатрона VD6 применен прибор, представляющий собой диодную p-n структуру с S-образной ВАХ — Z-термистор [5] серии "HN". Приборы этой серии выпущены фирмой "HARBIN NOVEIKE SENSOR CO", применяющей их в качестве термосенсоров в системах пожарной сигнализации (JTW-BD-1 и JTW-BC-1). Эти приборы являются модификацией S-диода [2], направленной на повышение его температурной чувствительности.
Однако для того чтобы избежать неоднозначного понимания термина "Z-термистор", используемого в работе [5], необходимо обратить внимание на его некоторую условность, так как общепринято считать, что термистор — это полупроводниковый термочувствительный резистор (не p-n-структура), а литерой Z обозначают диоды Зене-ра [6]. Поэтому целесообразнее в дальнейшем называть термочувствительные S-негатроны и в том числе Z-термисторы обобщающим и функционально более информативным термином — "S-термосенсор".
Поскольку КВХ ¿-термосенсо-ров, так же как и характеристики любых других сенсоров, имеют случайный и технологически предопределенный разброс параметров, необходимо для типизации ¿-тер-мосенсоров ввести их нормативную маркировку по пороговым напряжениям на входе схемы включения при нормативной температуре и нормативной нагрузке.
Предположим, что условная марка ¿-термосенсора обозначается STC — 8.1/25/5. Это означает, что нормативное пороговое напряжение схемы включения ¿-термо-сенсора составляет ит^ = 8,1 В при нормативной температуре 25 °С и нормативном сопротивлении нагрузки 5 к. Типичные пороговые напряжения на краях температурного диапазона у термосенсора такого типа имеют значения: при —10 °С — около 15 В, при 90 °С — около 4 В, что иллюстрирует уникально высокую температурную чувствительность ¿-термосенсоров. В границах обозначенного температурного диапазона ее среднее значение будет порядка 110 мВ/°С.
Так как КВХ ¿-термосенсора нелинейна, особенно в области нижних температур (см. рис. 1), то возникает задача линеаризации шкалы температурных уставок. Она решается путем использования в качестве потенциометра, задающего амп-
литуду импульсов питания, переменного резистора Я2 с нелинейной функциональной характеристикой, например типа А или Б.
Последовательность импульсов с пороговой амплитудой, проходя через открываемый ими ¿-термо-сенсор УБ6, выделяется на нагрузочном резисторе Я6 (3,6 к) (см. рис. 2, в) и сглаживается емкостным фильтром. Схема фильтра содержит запирающий диод УБ7 (КД 522А), накопительный электролитический конденсатор С2 (330,0 х 25 В) и разрядный резистор Я7 (5,1 к). Потенциал Цф на выходе сглаживающего фильтра (рис. 2, г) открывает электронный ключ УТ1, выполненный на полевом транзисторе марки КП505А.
Стоковый канал ключа коммутирует входные цепи маломощного двухканального оптоэлек
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.