Регулятор температуры Советский патент 1983 года по МПК G05D23/19 

110 Изобретение относится к устройствам терморегулирования и может быть использовано цля автомати юского регули- рования температуры посредством термо электрических элементов, например, аля стабилизации температуры элементов рааиоэлектрсжной аппаратуры (РЭА). В электронной технике параметры ряда элементов РЭА критичны к окружакмце температуре. При работе в широком интервале окружакнаих температур необходима принуцигельная стабилизация их тсмперйгуры. Применение термоэлектрических батарей с электронными регуляторами ЦП управления ими позволяет по- лучать малогабаритные, экоиомичные, высоконадежные прецизионные регуляторы температуры, обеспеч1:ваюшие стабильную работу РЭА в широком ИИ те fvвале окружающих температур, Извесгао устройство цля управления температурой посредством термоэлектрической батареи, соцержашее датчик и эадатчик температуры, цвухканальный усилитель по ртоянного тока (УПТ) на восьми транзисторах и переключающее уст ройства на восьми транзисторах и двух циоцах, управляемое по двум входам. При это1, величина тока через терчоэлек трическую батарею зависит от величины рассогласования датчика и задатчика температуры, направление тока зависит от характера их рассогласования (больше или меньше сопротивление датчика температуры, чем зацатчик), это определяет какой из каналов УПТ открыт и на какой из входов переключающего устройства подается открывающее вход напряжение. Внутренняя схема переключающего устройства обеспечивает подключение термобатареи к полюсам источника питания через ту или другую открытую пару транзисторов мостовой части схемы. Известное устройство управления температурой обеспечивает стабилизацию тем пера туры на уровне 25®С с точностью + в диапазоне окружающих температур от минус 30 до плюс . Регуляторы температуры описываемого типа, как правило, работоспособны в диапазоне температур от минус 6О (50) до плюс 100 С, и этот диапазон определяется устойчивостью к температурным возаейсгвиям, применяемых в регулятора полупроводниковых элементов Ll3Недостатками устройства являются низ кая его надежность, определяемая в осно ном большим количеством элементов 412 (до 70, в том числе 16 транзисторов и два диода), недостаточная точность стабилизации температуры и ограниченность области его использования, в частности, для борговых и носимых устройств, так как для функционирования аналогу тре- . буе гея три отдельных источника питания, что не всегда возможно реализовать. Известен дифференциальный усилитель с Н-образным выходным каскадом и мертвой зоной, исключающей ток холостого хода, представляющий собой двухканальный дифференциальный усилитель, в котором пара выходов первого канала, выполненного в виде дифференциального усилителя, соединена с первой парой баз транзисторов Н цепи, а другой канал является симметричной копией первого, только один из выходов дифференциального усилителя соединен с выходом делителя выходного напряжения усилителя. L ii . Однако такой усилитель не может быть использован в качестве регулятора температуры, так как имеет лишь по одному усилительному каскаду, что ведет к необходимости умножения числа элементов, а значит к усложнению схемы и снижению его надежности. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является регулятор температуры, содержащий датчик температуры, соединенный с входом преобразователя, включающего эадатчик температуры, два выхода которого связаны с входами переключающего устройства, на выходе которого включена термоэлектрическая батарея. Ланный регулятор обеспечивает более высокую точность стабилизации температуры, более надежен, так как содержит по описанию и схеме восемь транзисторов, один диод и 15 других элементов, и область его использования может быть шире, так как устройство функционирует от одного источника питания СЗ } ОднакЬ указанный регулятор температуры имеет низкую нааежность, вызванную возможностью возникновения режима короткого замыкания в переключающем устройстве регулятора температуры, а также низкую экономичность, вызванную высоким отношением мощности, необходимой для его функционирования, к полезной мощности, потребляемся термоэлектрической батареей, что также ограничивает область его применения. Пелью изобретения является повышение надежности и экономичности устройства. Поставленная цель аостигается тем, что в регулятор температуры, содержащий термоэлектрическую батарею, патчик и задатчик температуры.соециненные с базой первого транзистора р-п-р типа, коллектор которого соецинен с отрицательным полюс источника питания через резистор, второй транзистор типа, коллектор которог соеаинен с базой третьего транэистора р-п-р типа и через резистор - с положительным полюсом источника питания, причем эмиттер третьего транзистора соеаинен с положительным полюсом источника питания, а коллектор - с аноаом первого циоца, четвертый транзистор п-р-п типа, эмиттер которого соединен с отрицательным полюсом источника питания, пятый и шестой транзисторы р-п-р типа, сецьмой и восьмой транзисторы п-р-п типа и первый аиод, введены целитель напряжения источника питания на цвух резисторах, выхоц которого соеаинен с эмиттерами первого и второго транзисторов .девятый тр анзистор п-р-п типа и десятый транзистор р-п-р типа, причем база че-пвертого транзистора соединена с коллектором первого транзистора, а коллектор четвертого транзистора - с катодом второго диода, анод которого соединен с базой пятого транзистора, эмитгер которого соеаинен с одним выводом термоэлектрической батареи и эмиттером седьмого транзистора, а коллектор - с коллектором шестого транзистора, эмиттером девятого транзистора и отрицательным полюсом источника питания, эмиттер шестого транзистора соединен с. эмиттером восьмого транзистора и другим выводом термоэлектрической батареи коллектор восьмого транзистора - с коллектором седьмого транзистора и положительным полюсом источника питания, база девятого транзистора .соединена через резисторы с анодом первого диода, катод к торого связан с базой седьмого транзистора и с отрицательным полюсом источника питания, а коллектор - с базой шест го транзистора и через резистор - с эмиттером, база десятого транзистора со второ единена через резисторы с катодом источдиода и с положительным полюсом ника питания, эмиттер деря того транзисто ра соединен с положительным полюсом источника питания ,а коллектор - с базой восьмого транзистора и через резистор - с эмиттером шестого транзистора. На фиг. 1 приведена электрическая принципиальная схема регулятора температуры; на фиг. 2 - 4 - принципиальная схема вариантов ее выполнения. Устройство содержит датчик 1 темпе- ратуры, соединенный с входом преобразователя 2, включающего зацатчик 3 температуры, соединенный с входом преобразователя 2 и с базами первого 4 и второго 5 транзисторов, причем первый транзистор 4 типа коллектором, соединен с базой четвертого транзистора 6 и через третий резистор 7 с отрицательным полюсом источника 8 питания/, эмиттером соединен с эмиттером второго транзистора 5 и с выходом 9 делителя напряжения источника питания на первом 1О и втором 11 резисторах, второй транзистор 5 п-ри-п типа, соединенный коллектором с базой третьего транзистора 12 и через четвертый резистор 13 с положительным полюсом источника 14 питания, третий транзистор 12 р-п-р типа соединен с эмиттером с положигельным полюсом не- точника 14 питания, соединен коллектором с первым выходом 15 преобразовате- 1ЛЯ четвертый транзистор 6 п-р-п типа, соединенный эмиттером с отрицательным полюсом источника 8 питания, коллектором с вторым выходом 16 преобразователя, а первый и второй выходы последнего соединены с соответствующими входами 17 и 18 переключающего устройства 19, в состав которого входит девятый транзистор 2О типа, база которого соединена с входом 17 переключающего устройства через пятый резистор 21 и анод первого диода 22, катод последнего соединен с базой седьмого транзистора 23 и девятый резистор 24 - с его же эмиттером, база девятого транзистора 2О соединена через шестой резистор 25 с его эмиттером и отрицательным полюсом источника питания 8, коллектор соединен с базой шестого транзистора 26 и через одиннадцатый резистор 27 с его же эмит тером, с вторым входом 18 соединен катод второго диода 28 и база десятого транзистора 29 р-п-р типа через седьмой резистор ЗО, его база, кроме того, соединена с собственным эмиттером и положительным полюсом источника 14 питания через восьмой резистор 31, а коллектор соединен с базой восьмого транзистора 32 и через двенадцатый резистор 33 с его эмиттером, анод второго диода соединен с базой пятого транзистора 34 и через десятый резистор 35 с его же эмиттером, коллекторы седьмого 23 и восьмого 32 транзисторов п-р-п соеаинены с положительным полюсом источника 14 питания, а коллекторы пятого 34 и восьмого 32 транаистороп соецинены с первы выходом 36 переключающего устройст ва, а эмиттеры питого 34 и сецьмого 23 вторым 37 выходом переключающего уст ройства, к выходам 36 и 37 подключена термоэлектрическая батарея 38. На фиг. 2 приведен вариант выполнения переключающего устройства 19, в котором пары транзисторов 2О, 26 и 29 32, образующих составные транзисторы с большим коэффициентом передачи, заме нены на транзисторы 39 и 4О, выполнен ные по схеме Дарлингтона в одном корпу се. В данном варианте также отпала необхоцимость в использовании резисторов 27 и 33, На фиг. 3 приведен вариант выполнения переключающего устройства 19, в котором транзисторы типа 34 и 2 заменены транзисторами п-р-п типа 41 и 42, при .этом резистор 35 включается межцу отрицательным ncwiiocoM источника питания и,;базой транзистора 41. В данном варианте добавляется связь между выходом 43, к которому подключается эмиттер транзистора 6 преобразователя, и входом 44 переключающего устройства, к KOTOpoMjr подключается база транзистора 41. На фиг. 4 приведен вариант выполнения передаточного устройс ва 19, в котором п-р-п типа 23 и 32 зам нены на транзисторы р-п-р типа 45 и 4 при этом резистор 24 включается между базой транзистора 45 и положительным полюсом источника питания. В данном варианте добавляется связь между выходом 47 преобразователя, к которому под ключается эмиттер транзисторами входом 48 переключающего устройства, к которому подключается база транзистора 45. Регулятор температуры работает следующим образом. Когда температура регулируемого объекта равна заданной, то потенциал баз первого 4 и второго 5 транзисторов рав потенциалу их эмиттеров и транзисторы будут вследствие этого закрыты, закрытым будет также и третий 12 и четвертый 6 транзисторы преобразователя 2 так как их базы соединены базовыми резисторами 13 и 7 со своими эмиттерами, а от других .потенциалов они изоли рованы больщим сопротивлением закрыты коллекторно-эмиттерных переходов соответственно второго 5 и первого 4 тран- зисторов. Закрытым будет также и девятый транзистор 20 переключающего устройства 19, так как его база будет иметь потенциал эмиттера, а от других потенциалов она изолирован больщим сопротивлением, закрытого коллекторно-эмиттерного перехода третьего транзистора 12 и большим сопротивлением первого диода 22 в направлении, обратном его проводимости, щестой транзистор 26 также будет закрыт, так как его база соединена с собственным эмиттером через одиннадцатый резистор 27, а от других по- тенциалов она изолирована больщим со- противлением закрытого коллекторноэмиттерного перехода девятого транзистора 2О, закрытым будет и десятый транзистор 29, Так как база имеет потенциал собственного эмиттера, а от других потенциалов она изолирована большим сопротивлением закрытого эмиттерно-коллекторного перехода четвертого .транзистора 6 преобразователя и второго диода 28, включенного в направлении, обратном его проводимости, в силу указанного состояния десятого транзистора 29 закрытым будет и восьмой транзистор 32 (аналогично щестому 26),- потенциалы баз пятого 34 и седьмого 23 транзисторов также будут равны потенциалам Их эмиттеров, так как они соединены с эмиттерами через соответственно девятый 24 и десятый 35 резисторы, от отрицательного потенциала базы изолируют первый диод 22 и четвертый транзистор 6, от положительного - второй диод 28 и четвертый транзистор, 6, поэтому пятый 34 и щестой 26 транзисторы также будут закрыты и переключающее устройство 19 в силу указанного состояния всех транзисторов Потреблять тока от источника питания не будет. Потреблять энергию будут лишь цепь датчика 1 и задатчика 3 температуры (единицы миллиампер) и делитель .напряжения на первом 10 и втором 11 резисторах - 10-200 м. Когда температура объектабудет выще заданной, то второй транзистор 5 преобразователя 2 откроется, а первый 4 остается закрытым, так как на его базе . будет закрывающий потенциал относительно эмиттера, откроется и третий транзистор 12 преобразователя, так как на его базе будет напряжение близкое к напряжению на выходе 9 делителя напряжения, и на первом входе 17 переключающего устройства появится потенциал положительного источника 14 питания за вычетом падения напряжения на открытом третьем транзисторе 12 преобразователя 2, состояние четрг отого транзистора не изменяется, он осга. закрытым Положительный потенциал с первого входа 17 переключающего устройства 19 появится на базе сецьмого транзистора 23 через первый аиоц 22, пропускающий только положительный потенциал к базе седьмого транзистора 23, этот потенциал на вхоае откроет и девятый транзистор 20, поступит на базу шестого транзистора 26 и откроет его, через открытый шестой тргшзистор 26 потен- циал отрицательного полюса источника 8 питания поступит на первый выход 36 переключающего устройства, а на второй выход 37 поступит потенциал положительного полюса источника 14 питания через открытый седьмой транзистор 23 и через батарею 38, подключенную к выходам переключающего устройства Зб и 37, потечет ток, который охладит объект величина тока зависит от величины рассо гласования датчика 1 и задатчика 3 тем пературы и определяется величиной проводимости открытых транзисторов. При уменьшении рассогласования аатчика и задатчика температуры уменьшается и проводимость транзисторов и величина тока батареи уменылится. Когда температура объекта ниже заданной, то второй транзистор 5 преобразователя закроется, а первый 4 откроется, так как потенциал баз станет более отрицательным, чем потенциал их эмиттеров. Третий транзистор 12 закрог ется, так как потенциал его базы будет таким же, как и эмиттера, а четвертый транзистор 12 откроется, так как на его базе будет потенциал, равный потенциалу выхода 9 делителя напряжения и на втором входе 18 переключающего устройства 19 будет потенциал отрицательного полюса источника 8 питания с добавкой падения напряжения на открытом транзисторе 6. Потенциал на первом 17 входе будет близок к потенциалу отрицатель ного .пои-юса; источника 8 питания, с втор го входа 18 поступит через второй диод 28на базу пятого транзистора 34 и откроет его, и через седьмо,. резистор 3 поступит на базу десятого транзистора 29и откроет его, при этом потенциал положительного полюса источника 14 питания, через открытый десятый транзистор 29 поступит на базу восьмо 1 418 го транзистора 32 и откроет его. Таким образом на первом вькоде 36 переключающего устройства окажется потенциал положительного полюса источника 14 питания, через открытый десятый транзистор 29 поступит на базу восьмого транзистора 32 и откроет его. Таким образом, на первом выходе 36 переключакзще- FO устройства окажется потенциал положительного полюса источника 14 питания через открытый восьмой транз1вст6р 32, а на втором выходе 37 - потенциал отрицательного полюса источника 8 питания через открытый пятый транзистор 34, и через термоэлектрическую батарею 38 потечет ток, подогревающий объект до заданной температуры. Транзисторы, не упомянутые среди открытых, обязательно и надежно закрыты закрывающими их потенциалами на базах. Работа регулятора при выполнении его переключающего устройства согласно вариантам схем, приведенным на фиг. 2 4 аналогична описанной работе рдагулятора по основному варианту и не требует специального пояснения. Однако следует отметить, ч го выполнение регулятора по схеме фиг. 2 повьшает его надежность за счет высокой надежности транзистораДарлингтона. Таким образом, выходная функция регулятора температуры остается такой же как и в известном устройстве, но достигается более высокая функциональная надежность за счет исключения возможности самопроизвольного открытия транзистора переключающего устройства в состоянии равновесия и реверса тока через термоэлектрическую батарею 38, т.е. возникновения аварийной ситуации. Достигается также и более высокая экономичность, чем в известном устройстве, за счет исключения потерь на цепи закрывания пятого 34 и щестого 26 транзисторов переключающего устройства 19 исключением этой цепи и У1сключением потерь на резисторах связи баз седьмого 23 и восьмо1Ч) транзисторов 32 с выходами 36 и 37 переключающего устройства за счет их исключения и другого схемного решения регулятора температуры. Кроме того, возможно расщирение области применения устройства за счет повышенной экономичности регулятора температуры и возможности его испльзо- вания в устройствах с ограниченными энергетическими возможностями.

Фиг.1

РЕГУЛЯТОР -геМПБРАТУРЫ. ссцержащий термоэлектрическую батарею, датчик и зацатчик температуры, соециненные с базой первого транзистора р-п-р типа, коллектор .которого соецинен с от рицательным полюсом источника питания через резистор, второй транзистор п-р-п типа, коллектор которого соеоинен с базой третьего транзистора .р типа и через резистор - е положительным полюсом источника питания, причем эмиттер третьего транзистор соецинен с положительным полюсом источника питания, а коллектор - с аноцом первого циоца, четвертый транзистор п-р-п типа, эмиттер которого соединен с отрицательным полюсом источника питания, и шестой транзисторы р-п-р типа, седьмой и восьмой транзисторы п-р-п типа и первый диод, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и экономичности регулятс1эа, в него введены делитель напряжения источника пи. танин на двух резисторах, выход которого соединен с эмиттерами первого в второго транзисторов, девятый транзнстор типа и десятый транзистор р-п-р типа, причем база четвертого транзистора соединена с коллектором первого, транзистора, а коллектор четвертого транзистора -.с катодом второго диоаа, анод которого соединен с базой пятого транзистора, эмиттер которого соединен с одним выводом термоэлектрической батареи, с эмиттером седьмого транзисто| а, а коллектор - с коллектором шестого транзистора, эмиттером девятого транзистора и отрицательным полюсом источника питания, эмиттер шестого транзистора соединен с эмиттером восьмого транзистора и другим выводом (Л термоэлектрической батареи, коллектор восьмого транзистора - с коллектором седьмого транзистора в положительнь1М полюсом источника питания, база девятого транзистора соединена через резисторы с анодом первого дноо да, катод котор о связан с базой седьел мого транзистора и с отрицательным полюсом источника питания, а коллектор 05 с базой шестого Транзистора и через резистор - с его эмиттером, база десятого транзистора соединена через резисторы с катсяюм второго диоаа и с положительным полюсом источника питания, эмиттер десятого транзистора соединен с положительным полюсом источника пи- . тания, а коллектор - с базой восьмого транзистора и через резистор - с эмитте,ром шестого транзистора.

Фш.2