ТИРИСТОРНЫЙ РЕГУЛЯТОР ТЕМПЕРАТУРЫ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЯ Российский патент 1997 года по МПК G05D23/24 

Изобретение относится к регуляторам температуры, использующим электрические коммутаторы с электронными средствами управления и термочувствительные элементы, сопротивление которых зависит от температуры.

Известны регуляторы температуры, использующие в качестве коммутирующего элемента тиристор или триак / 1, 2, 3/. Однако эти устройства неэкономичны и громоздки.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому эффекту является устройство для регулирования температуры /4/, работающее от сети переменного тока, содержащее однополярный тиристор с электронными средствами управления в качестве ключевого элемента и терморезистор в качестве датчика температуры. Достоинством этого устройства является обеспечение работы тиристора в диодном режиме, когда включающий ток подается на управляющий электрод заранее, до подачи напряжения на анод. При этом коммутационная помеха оказывается минимальной. Однако средства управления тиристором устройства включают в себя несовершенные пороговые элементы: динистор и база-эмиттерные переходы транзисторов, которые предопределяют недостатки устройства, т.к. динистор работает в режиме самопробоя, не предусмотренном техническими условиями, ими не гарантируется не только стабильность напряжения пробоя, но и само включение динистора при медленном подъеме напряжения на нем через относительно высокоомную нагрузку. Кроме того, меньшее из напряжений отсечки базового тока двух используемых в схеме транзисторов определяет момент переключения триггерного устройства, построенного на этих транзисторах. Составляя для большинства типов транзисторов доли вольта, оно существенно зависит от температуры. Стабильность этого напряжения, а, следовательно, и порога срабатывания регулятора, невысока. Другим недостатком устройства является необходимость генерации импульсов запуска тиристоров большой длительности, начинающихся еще во время отрицательного полупериода, а к началу положительной полуволны ток запуска должен поддерживаться в допустимых минимальных пределах. Это заставляет увеличивать емкость накопительного конденсатора и уменьшать его зарядное сопротивление, что приводит к увеличению выделяемой на элементах схемы мощности и не позволяет миниатюризировать регулятор. Следует учитывать также, что при подаче на управляющий электрод тиристора импульсов тока большой длительности заметно возрастает нагрев тиристора.

Целью настоящего изобретения является обеспечение высокой точности регулирования, стабильности, надежности и экономичности регулятора, увеличение его срока службы и уменьшение габаритов.

Для достижения этой цели необходимо установить оптимальный момент включения тиристора относительно начала рабочего полупериода сетевого напряжения. Для этого предложена схема, использующая для контроля температуры сбалансированный мост с терморезистором в одном из плеч и нуль-индикатором в диагонали. Схема содержит терморезисторный датчик температуры, транзистор, первый резистор, два диода, первый конденсатор и цепь, которая выполнена в виде последовательно соединенных электронагревателя и тиристора и подключение к сети переменного тока, при этом управляющий электрод тиристора соединен с одним из электродов транзистора, другой электрод которого соединен с одним из выводов первого резистора.

Предложенное устройство может быть охарактеризовано следующей совокупностью отличительных признаков: введены второй резистор, второй и третий конденсаторы, транзистор выполнен в виде однопереходного транзистора, при этом аноды диодов подключены к первой шине сети переменного тока, катод одного из диодов соединен с другим выводом первого резистора, катод другого диода соединен с первыми выводами второго резистора и первого конденсатора, вторые выводы которых подключены к эмиттеру однопереходного транзистора и первому выводу терморезисторного датчика температуры, второй конденсатор включен между точкой соединения вывода одного из диодов с первым резистором и второй шиной сети переменного тока, третий конденсатор включен между эмиттером однопереходного транзистора и второй шиной сети переменного тока, к которой подключен также второй вывод терморезисторного датчика температуры и катод тиристора.

Одна ветвь моста образована включенными последовательно выпрямительным диодом, цепочкой из соединенных параллельно первого конденсатора и второго резистора, и терморезистором. Вторая ветвь моста образована включенными последовательно вторым диодом, первым резистором, базовым переходом однопереходного транзистора и управляющим электродом тиристора.

Обе ветви моста подключены к сети переменного тока так, что аноды диодов соединены с одной шиной сети переменного тока, а второй вывод терморезистора и катод тиристора соединены со второй шиной сети переменного тока. В качестве нуль-индикатора использован эмиттерный переход однопереходного транзистора.

Состояния сбалансированного моста, в отличие от разбалансированного, не зависят от изменений питающего напряжения, а зависят только от соотношения проводимостей его плеч, что обеспечивает высокую точность регулирования в условиях нестабильной сети.

В предложенной схеме используется гальваническая связь регулирующих цепей и силовой цепи "сеть-тиристор-нагрузка (нагревательный элемент)". Это позволяет существенно упростить и миниатюризировать схему терморегулятора, исключить вторичные источники питания и разделительные трансформаторы, соединить термодатчик с сетью, уменьшить количество элементов и проводников.

Для запуска тиристора в предложенной схеме используется конденсаторный накопитель в виде третьего конденсатора и спусковое транзисторное устройство, обеспечивающие генерацию мощных коротких импульсов тока большой амплитуды, достаточной для непосредственного запуска мощных тиристоров. При таком решении средняя мощность, расходуемая на запуск тиристора, мала и не вызывает существенного нагрева элементов регулятора и снижения его КПД.

Генерирование запускающих импульсов происходит в самом начале рабочих полупериодов сети, что позволяет использовать полную, соответствующую сетевому напряжению, мощность, снижает уровень высокочастотных коммутационных помех и защищает тиристор от перегрузок по du/dt и di/dt. Обеспечивается оптимальное время задержки запускающих импульсов относительно начала рабочих полупериодов сети. Запуск тиристора производится в моменты времени, когда на тиристоре уже присутствует анодное напряжение, достаточное для его включения, но это напряжение близко к минимальному, при котором du/dt, di/dt и коммутационные помехи минимальны.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема предложенного регулятора температуры; на фиг. 2 диаграммы напряжений, иллюстрирующие работу устройства.

Напряжение сети переменного тока 220 В, 50 Гц подается на нагревательный элемент 1, соединенный последовательно с тиристором 5, и на четырехплечую мостовую схему 2, в одной из ветвей которой включен термодатчик 3, а в диагонали в качестве нуль-индикатора используется эмиттерный переход однопереходного транзистора 4, вкюченный последовательно с управляющим переходом тиристора 5. Параллельно этой цепочке установлен конденсатор 6, обеспечивающий большую амплитуду импульсов тока, запускающих тиристор.

Верхнее плечо правой ветви моста 2 включает в себя диод 7, резистор 8 и часть базового перехода транзистора 4. Нижнее плечо этой ветви образовано частью базового перехода транзистора 5 и управляющим переходом тиристора 5. К части правой ветви моста подключен конденсатор 9. Верхнее плечо левой ветви моста состоит из диода 10 и параллельной цепочки из конденсатора 11 и резистора 12. Нижнее плечо этой ветви образовано терморезистором 3.

Устройство работает следующим образом. Генерация запускающих импульсов и включение тиристора 5 происходят в момент, когда напряжение на эмиттере транзистора 4 достигает напряжения на средней точке его межбазового сопротивления база 2 база 1. При этом через промежуток эмиттер база 1 на управляющий электрод тиристора 5 разряжается конденсатор 6 и тиристор включается, замыкая цепь питания нагревателя 1.

Отличительной особенностью работы моста является его питание непосредственно от сети. При этом в его ветвях формируются пульсирующие напряжения и обеспечиваются условия генерации запускающих импульсов в самом начале рабочих полупериодов сетевого напряжения.

Конденсатор 9 в первой ветви моста заряжается от сети через диод 7 и разряжается по экспоненте через резистор 8 и межбазовое сопротивление база 2 - база 1 транзистора 4 (около 10 кОм) с постоянной времени τ = C₉(R₈+ R_σ2-σ1) Благодаря этому к началу каждого рабочего полупериода (t=0) обеспечивается небольшое остаточное напряжение в точке E, на транзисторе 4 и в точке диагонали моста (см. диаграммы на фиг. 2). На диаграммах видно, что это напряжение удерживается в течение 1,43 мс, а затем происходит его быстрое нарастание по синусоиде и уход транзистора от возможности включения.

Напряжение в точке D (в средней точке межбазового сопротивления база 2 - база 1 является частью напряжения в точке E:
U_D= 0,05U_E.

Процессы, происходящие в левой ветви моста, определяются элементами 11 и 12, обладающими наименьшими проводимостями по сравнению с термодатчиком 3. При построении диаграммы напряжений на фиг. 2 учитывались только активный и реактивный токи элементов 11 и 12, а влиянием сопротивления терморезистора 3 пренебрегали. При таком допущении временной ход активной и реактивной составляющих тока, протекающего через терморезистор 3 при приложении к точкам A и B моста сетевого напряжения 220 В, 50 Гц, определяется по формулам:

где
f частота сети 50 Гц;
R₁₂ 30 кОм;
C₁₁ 0,1 мкФ;
Напряжение в точке C повторяет временной ход комплексного суммарного тока левой ветви моста и определяется сопротивлением терморезистора 3, зависящим от его температуры.

Для построения показанных на фиг. 3 диаграмм напряжения в точке C были выбраны три значения сопротивления терморезистора 3, на которые умножался комплексный ток: 521 Ом, 474 Ома и 426 Ом. В результате получены три диаграммы, из которых первая пересекает диаграмму напряжения U_D более, чем в одной точке, вторая только в одной критической точке и третья вообще не пересекает.

Очевидно, что при прогреве термодатчика 3 его сопротивление и напряжение в точке C будут снижаться, и при переходе от кривой 2 к кривой 3 подаче питания на нагревательный элемент прекратится.

Из диаграмм фиг. 2 видно, что условия равенства напряжений U_c и U_D, необходимо для включения транзистора 4 и тиристора 5, могут создаваться только в промежутке времени относительно начала рабочего полупериода сети, не превышающем 1,43 мс. После этого момента происходит быстрое нарастание напряжения U_D по синусоиде, а напряжение U_c хотя и продолжает несколько увеличиваться, но с меньшей скоростью, чем U_D, следовательно, включение 4 и 5 не может произойти. В момент t=2,6 мс напряжение U_D проходит пологий максимум, а при t=7,6 мс падает до нуля.

Номиналы элементов терморегулятора выбираются из расчета работы при однополупериодном, пульсирующем питании. Однополупериодная схема имеет преимущества перед двухполупериодной: схема проста; тиристор выключается надежно во время отрицательной полуволны; в качестве ключевого элемента используется один обычный однополярный тиристор, например КУ202Н, или аналогичный. При этом для защиты устройства может быть установлен плавкий предохранитель на действующее значение тока, потребляемого при однополупериодном питании:

В случае пробоя тиристора, что является наиболее вероятной и опасной неисправностью, действующий ток возрастает в раз, а мощность, выделяемая в нагревательном элементе, возрастает в два раза. Плавкий предохранитель перегорает и защищает устройство с нагревательным элементом от перегрева. При двухполупериодном питании защита плавким предохранителем от неуправляемого нагрева при пробое тиристора не обеспечивается, так как ток остается близким к номинальному, но терморегулятор перестает его выключать при перегреве.

Однако предложенный терморегулятор может работать и в схемах с двухполупериодным питанием. Лишь номиналы некоторых элементов при этом должны быть изменены и включение в сеть должно производиться через выпрямительный диодный мост.

Необходимо отметить, что при практической реализации терморегулятора, для регулировки температуры срабатывания и обеспечения работы выбранных элементов в допустимых режимах без перегрузок по току может понадобиться введение в схему дополнительных элементов: переменного и ограничительных резисторов и др. На схеме фиг. 1 они не показаны. Кроме того, при мощном низкоомном нагревательном элементе имеет смысл подключения всей левой ветви моста (анодом диода 10) не к сетевой шине, а к аноду тиристору 5, что позволяет несколько уменьшить ток левой ветви при срабатываниях транзистора 4 и рассеиваемую на резисторе 12 мощность. Указанные изменения в схеме терморегулятора не являются принципиальными и могут не учитываться в формуле изобретения.

Источники информации.

1. Авт. свид. СССР 1154657, кл. G 05 D 23/19. "Регулятор температура", автор Ю.Н.Худорожков.

2. Авт. свид. СССР 1363166, кл. G 05 D 23/19. "Устройство для автоматического регулирования температуры", авторы Ю.А.Нихинсон, З.Г.Леликов, В.И. Грушковский и М.С.Кац.

3. Акц.заявка Японии 60-35905, кл. H 02 D 1/08, G 05 D 23/19. "Электронный регулятор температуры".

4. Авт. свид.СССР 13547932, кл. G 05 D 23/19. "Устройство для регулирования температуры В.Г.Вохмянина".

Изобретение относится к регуляторам температуры электронагревателей, работающим на переменном токе и использующим тиристоры, терморезисторы и электронные средства управления. Цель изобретения - обеспечение высокой точности регулирования, стабильности, надежности и экономичности регулятора, увеличение его срока службы и уменьшение габаритов. Поставленная цель достигается использованием для контроля температуры сбалансированного моста с терморезистором в одном из плеч и нуль-индикатором, воздействующим на управление тиристором, в диагонали. Тиристор подключен последовательно с электронагревателем к сети переменного тока, питающей мостовую схему. Схема обеспечивает оптимальное время задержки запускающих импульсов относительно начала рабочих полупериодов сети. Запуск тиристоров производится в моменты времени, когда на тиристоре уже присутствует анодное напряжение, достаточное для его включения, но близкое к минимальному, когда du/dt, di/dt и коммутационные помехи минимальны. 2 ил.

Тиристорный регулятор температуры электронагревателя, содержащий терморезисторный датчик температуры, транзистор, первый резистор, два диода, первый конденсатор и цепь, которая выполнена в виде последовательно соединенных электронагревателя и тиристора и подключена к сети переменного тока, при этом управляющий электрод тиристора соединен с одним из электродов транзистора, другой электрод которого соединен с одним из выводов первого резистора, отличающийся тем, что введены второй резистор, второй и третий конденсаторы, транзистор выполнен в виде однопереходного транзистора, при этом аноды диодов подключены к первой шине сети переменного тока, катод одного из диодов соединен с другим выводом первого резистора, катод другого диода соединен с первыми выводами второго резистора и первого конденсатора, вторые выводы которых подключены к эмиттеру однопереходного транзистора и первому выводу терморезисторного датчика температуры, второй конденсатор включен между точкой соединения вывода одного из диодов с первым резистором и второй шиной сети переменного тока, третий конденсатор включен между эмиттером однопереходного транзистора и второй шиной сети переменного тока, к которой подключены также второй вывод терморезисторного датчика температуры и катод тиристора.