БЛОК УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛЯТОРА ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 1998 года по МПК G05D23/20 

Изобретение относится к конструкциям автоматических регуляторов температуры с применением динисторов с напряжением переключения, зависящим от температуры, и динисторов с напряжением включения, практически не зависящим от температуры, и используемых в качестве активных опорных элементов. Такие регуляторы, снабженные тиристорным силовым каскадом, обеспечивают двухпозиционное регулирование и предназначаются для управления нагревом или охлаждением в различных нагревательных или охладительных приборах.

Известны автоматические регуляторы температуры с применением динисторных датчиков температуры [1] и выходными каскадами с применением тиристоров или триаков [2], [3].

В известном устройстве [1] в качестве датчика температуры применен пороговый ключ на основе p-n-p-n структуры динистора, управляемой последовательной цепью кремниевых диодов с p-n переходами. Такой пороговый ключ (термодатчик) имеет падающую от температуры зависимость напряжения переключения, которая может быть выражена формулой:
U_вкл = U₀ - U_t(T - T₀),
где
U₀ - напряжение переключения датчика при номинальной температуре +20^oC (В). (Величина U₀ определяется числом использованных в датчике p-n переходов. Для имеющихся в наличии опытных образцов с 35 p-n переходами значение U₀ - 21В).

U_t - термочувствительность в градусах Цельсия, (В/^oC). (Ориентировочное значение U_t - 0,4 - 0,5% U₀).

T - температура среды, в которую помещен датчик, (^oC)
T₀ - начальная температура 20^oC.

В качестве опорного элемента в известном устройстве [1] применен термонезависимый пороговый ключ (динистор), напряжение переключения которого определяется встроенными в него диодами Зенера и мало зависит от температуры. Значения напряжений переключения таких приборов (КУ120А-В) 7, 14, 21 В.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и достигаемому результату является схема управления автоматического регулятора температуры, содержащая источник пульсирующего напряжения, первый каскад на динисторе с термозависимым напряжением переключения, второй каскад на динисторе с термонезависимым напряжением переключения, причем первый и второй каскады подключены к источнику пульсирующего напряжения [1].

В известном устройстве для установления заданного порога регулирования необходима подача нормированного стабилизированного напряжения на входы управления, что требует также введения в устройство дополнительного источника постоянного напряжения и усложняет схему устройства.

Предлагаемое изобретение направлено на конструирование простой схемы управления температурой срабатывания автоматического регулятора и ему не свойствены недостатки, имеющиеся в известном устройстве.

Это достигается благодаря тому, что в предлагаемом устройстве между источником пульсирующего напряжения и первым каскадом на динисторе с термозависимым напряжением переключения, а также вторым каскадом на динисторе с термонезависмым напряжением переключения применен дополнительный делитель напряжения, имеющий не менее двух средних точек, к одной из средних точек дополнительного делителя напряжения подключен каскад на динисторе с термозависимым напряжением переключения, к другой средней точке дополнительного делителя напряжения подключен каскад на динисторе с термонезависимым напряжением переключения.

Такое включение позволяет, изменяя соотношение плеч делителя, в широких пределах регулировать температурный порог срабатывания схемы управления автоматического регулятора температуры.

При этом возможны два основных варианта построения схемы управления автоматического регулятора:
первый, отличающийся тем, что напряжение переключения динистора с термозависимым напряжением переключения при максимальном значении температуры, в выбранном для автоматического регулятора диапазоне температур регулирования, более напряжения переключения динистора с термонезависимым напряжением переключения, каскад на динисторе с термозависимым напряжением переключения подключен к средней точке дополнительного делителя напряжения с более высоким потенциалом, чем каскад на динисторе с термонезависимым напряжением переключения;
второй, отличающийся тем, что напряжение переключения динистора с термозависимым напряжением переключения при минимальном значении температуры, в выбранном для автоматического регулятора диапазоне температур регулирования, менее напряжения переключения динистора с термонезависимым напряжением переключения, каскад на динисторе с термонезависимым напряжением переключения подключен к средней точке дополнительного делителя напряжения с менее высоким потенциалом, чем каскад на динисторе с термонезависимым напряжением переключения.

В первом варианте динистор с термозависимым напряжением переключения, включаясь при повышении температуры, отключает динистор с термонезависимым напряжением включения. Такой вариант предпочтительнее для автоматических регуляторов с нагревательными типами нагрузки.

Во втором варианте динистор с термозависимым напряжением переключения, повышая свое напряжение переключения при охлаждении, вызывает включение динистора с термонезависимым напряжением переключения. Такой вариант предпочтительнее для устройств типа холодильник.

При выполнении дополнительного делителя напряжения более чем с двумя средними точками к ним могут быть подключены дополнительные каскады с динисторами с термозависимым напряжением переключения, которые могут быть использованы для расширения функций схемы управления (защита от перегрева или переохлаждения частей объекта регулирования, выдача сигналов о нарушении заданной разности температур в различных точках регулируемого объекта и т.п.).

На фиг. 1 приведена принципиальная схема управления автоматического регулятора температуры, по преимуществу предназначенного для нагревательных устройств.

На фиг. 2 приведена принципиальная схема управления автоматического регулятора температуры, по преимуществу предназначенного для холодильников.

На фиг. 3 показано включение дополнительного динистора с термозависимым напряжением переключения для защиты объекта регулирования от перегрева, например защиты компрессора в холодильнике.

На фиг. 4 приведен вариант схемы автоматического регулятора температуры с выходным силовым каскадом и нагрузкой, иллюстрирующий работу устройства в целом. Показанные на фиг. 4 дополнительные части устройства: электронное реле и элементы его питания - могут быть выполнены и по другим схемам [3].

Приняты следующие условные обозначения:
1 - динистор с термонезависимым напряжением переключения (или кремниевый однонаправленный ключ - КОК) - U_вкл1,
2 - динистор с термозависимым напряжением переключения - U_вкл2 (Т С),
3, 4 - низкоомные выходные резисторы (1-2 кОм),
5 - подстроечный резистор (R5 = 10 - 200 кОм) в зависимости от выбранного входного напряжения,
6 - переменный регулирующий резистор (R6, единицы - десятки кОм в зависимости от необходимого диапазона регулирования температуры), предназначенный для регулирования температуры в установленных пределах,
7 - подстроечный резистор (R7-5-10 кОм), используемый для установки предела регулирования,
8 - резистор (R8 - 5-15 кОм),
9, 10 - клеммы источника пульсирующего напряжения - U_вх (предполагается, что U_вх >> U_вкл1),
11, 12 - выходы схемы управления автоматического регулятора температуры,
13 - второй динистор с термозависимым напряжением переключения, используемый в качестве датчика перегрева для аварийного выключения,
14 - симметричный тиристор,
15 - диодный мост,
16 - нагрузка,
17, 18 - диоды,
19 - однонаправленный маломощный тиристор,
20 - N-P-N - транзистор,
21 - конденсатор,
22 - 27 - резисторы.

Схема управления автоматического регулятора температуры (фиг. 1), в которой напряжения переключения динисторов 1 и 2 связаны условием: U_вкл1 < U_вкл2 (при максимальном значении температуры в выбранном диапазоне), работает следующим образом.

При подаче на клеммы 9, 10 пульсирующего напряжения с амплитудой U_вх оно делится между резисторами 5 - 8.

Возможны следующие случаи:
первым включается динистор 2 (температура выше заданной); при этом ввиду малого значения сопротивления резистора 4 напряжение на аноде динистора 1 снижается и он не включается; сигнал с клеммы 12 поступает на вход выключения силового ключа, выключающего нагрузку; начинается охлаждение регулируемого объекта;
первым включается динистор 1 (температура ниже заданной); сигнал с клеммы 11 поступает на вход включения силового ключа, включающего нагрузку; при этом вследствие снижения напряжения на резисторе 8 снижается и напряжение на движке резистора 6. При определенных соотношениях между значениями резисторов 5, 6, 7 и амплитуды входного напряжения (U_вх) это приводит к невозможности последующего включения динистора 2. Считая для простоты, что напряжение на аноде динистора 1 не более 1,5 В, отношение между напряжениями U_вх, U_вкл2, при котором после включения динистора 1 динистор 2 не включится, связано условием:
U_вх < U_вкл2 • [1 + R5 : (R6 + R7)] - 1,5,
которое можно выполнить, изменяя сопротивление резистора 5.

Схема управления автоматического регулятора температуры (фиг. 2), в которой напряжения переключения динисторов 1 и 2 связаны условием: U_вкл1 > U_вкл2 (при минимальном значении температуры в выбранном диапазоне), работает аналогичным образом. При перегреве динистора 2 он включается и препятствует включению динистора 1; сигнал с клеммы 11 включает силовой ключ, который подключает нагрузку (холодильник); при охлаждении напряжение переключения динистора 2 возрастает, что приводит к включению динистора 1, включение последнего блокирует возможность включения динистора 2; сигнал с клеммы 12 выключает силовой ключ и нагрузку и т.д.

В схеме, показанной на фиг. 3 (аналогичной схеме фиг. 1), при перегреве динистора 13 на клемме 12 появляется сигнал, выключающий силовой ключ и нагрузку. При этом может решаться задача защиты от перегрева в регулируемом объекте, например перегрев зоны нагревателя, если динистор 13 будет помещен в соответствующую опасную точку регулируемого объекта.

Установка температуры защиты может производиться соответствующим выбором отношения плеч делителя напряжения 5 - 8, изменяющем потенциал анода динистора 13.

В автоматическом регуляторе температуры (фиг. 4) со схемой управления, показанной на фиг. 1, импульсы с выходов 11 и 12 управляют электронным реле на тиристоре 14. Импульс с выхода 11 запускает вспомогательный тиристор 19, который удерживается во включенном состоянии разрядом конденсатора 21 через резистор 22. Включение тиристора 19 приводит к включению тиристора 14 и подключению нагрузки 16 в цепь сети переменного напряжения. При включении динистора 2 включается транзистор 20, который выключает тиристор 19 (т.к. большую часть полупериода тиристор 19 питается малым током от конденсатора 21). После выключения тиристора 19 выключается и тиристор 14 и размыкается цепь питания нагрузки 16. При перегреве динистора 13 блокируется питание динистора 1 и ток через динистор 13 поступает на базу транзистора 20, вызывая выключение тиристоров 19 и 14.

Предлагаемая схема управления автоматического регулятора позволяет эффективно и с высокой точностью регулировать температуру электротехнических объектов или среды в диапазоне -60 +150^oC и может быть использован также в качестве теплового предохранителя. При этом упрощается схема автоматического регулятора, отсутствует необходимость в источнике постоянного напряжения, а также в усилителях постоянного тока. В устройстве может использоваться параллельное включение группы термодатчиков для защиты различных узлов объекта от нарушения температурного режима.

Блок управления автоматического регулятора температуры содержит источник пульсирующего напряжения, каскады на динисторе с термозависимым напряжением переключения и динисторе с термонезависимым напряжением переключения. Между источником пульсирующего напряжения и первым каскадом на динисторе с термозависимым напряжением переключения, а также вторым каскадом на динисторе с термонезависимым напряжением переключения введен делитель напряжением, имеющий не менее двух средних точек, к одной из средних точек делителя напряжения подключен каскад на динисторе с термозависимым напряжением переключения, к другой средней точке делителя напряжения подключен каскад на динисторе с термонезависимым напряжением переключения. Предлагаемая схема блока управления автоматического регулятора позволяет эффективно и с высокой точностью регулировать температуру электротехнических объектов или среды в диапазоне -60 +150^oC и может быть одновременно использована также в качестве теплового предохранителя. 2 з.п. ф-лы, 4ил.

1. Блок управления автоматического регулятора температуры, содержащий источник пульсирующего напряжения, первый каскад на динисторе с термозависимым напряжением переключения, второй каскад на динисторе с термонезависимым напряжением переключения, отличающийся тем, что между источником пульсирующего напряжения и первым каскадом на динисторе с термозависимым напряжением переключения, а также вторым каскадом на динисторе с термонезависимым напряжением переключения введен делитель напряжения, имеющий не менее двух средних точек, к одной из средних точек делителя напряжения подключен каскад на динисторе с термозависимым напряжением переключения, к другой средней точке делителя напряжения подключен каскад на динисторе с термонезависимым напряжением переключения. 2. Блок по п.1, отличающийся тем, что напряжение переключения динистора с термозависимым напряжением переключения при максимальном значении температуры более напряжения переключения динистора с термонезависимым напряжением переключения, а первый каскад на динисторе с термозависимым напряжением переключения подключен к средней точке делителя напряжения с более высоким потенциалом, чем второй каскад на динисторе с термонезависимым напряжением переключения. 3. Блок по п.1, отличающийся тем, что напряжение переключения при минимальном значении температуры менее напряжения переключения динистора с термонезависимым напряжением переключения, а первый каскад на динисторе с термозависимым напряжением переключения подключен к средней точке дополнительного делителя напряжения с менее высоким потенциалом, чем второй каскад на динисторе с термонезависимым напряжением переключения.