Регулятор температуры Советский патент 1987 года по МПК G05D23/19 

112

Изобретение относится к дискретному регулированию температуры с помощью балансных схем, в частности к регулированию температуры в салоне автомобиля,

Цель изобретения - упрощение устройства.

На фиг. 1 изображена принцилиаль- нал схема регулятора; на фиг. 2 и 3 - упрощенная балансная схема |;ля пояснения работы регулятора на положительном и отрицательном порогах температуры.

На фигурах и в тексте приняты следующие обозначения: U - напряжение

Ч -

потенциал отисточника питания, носительно земли в характерных точках, i - ток в цепях схемы, t.nop температурный порог срабатывания, Ri - сопротивление i-ro резистора.

Устройство содержит балансную схему (дискриминатор температуры) 1, дифференциальный операционный усилитель 2 с двухполярным питанием, усилитель 3 мощности неинвертирующего действия, исполнительный элемент 4, например обмотка реле, обеспечивающего дискретное действие регулятора в целом, цепь 5 положительной обратной связи единого дифференциального усилителя образованного усилителями 2 и 3.

Балансная схема 1 состоит из первого делителя напряжения на четырех последовательно включенных элементах 6-9. Первый из них (стабилитрон или резистор) 6 подключен к положительной шине питания, а последний (соответственно .резистор или стабилитрон

9- к отрицательной. Второй элемент 7 первого делителя шунтирован делителем напряжения с терморезистором, состоящим из последовательно соеди- ненньк друг с другом терморезистора

10с отрицательным коэффициентом сопротивления и опорного резистора 11, т.е. резистора, подбираемого в процессе изготовления продукции, или переменного резистора, регулируемого на месте. Этот опорный резитор 11 подключен к третьему элементу 8 первого делителя. Элементы 7

и 8 могут быть резисторами и стабилитронами, являющимися в данном случае функционально эквивалентными элементами. Параллельно третьему элементу 8 первого делителя включен шунтирующий его делитель с- терморе-

0

5

7132

зистором, состоящий из последовательно соединенных терморезистора 12 и опорного резистора 13, аналогичных элементам 10 и 11 соответ5 ственно. Опорный резистор 13 подключен к четвертому элементу 9 первого делителя, В схему 1 входят также второй и третий делители напряжения, каждый из которых содержит по два последовательно соединенных резистора неодинакового сопротивления. Резистор 14 второго делителя имеет меньшее сопротивление, чем резистор 15 этого делителя. Резистор 14 подключен к точке соединения терморезистора 12 с опорным резистором 13, а резистор 15 - к положительной шине питания. Общая точка резисторов 14 и 15 второго делителя подключена к

0 инвертирующему входу дифференциального 2 и 3 усилителя (усилители).

Резистор 16 третьего (резистивно- го) делителя имеет меньшее сопротивление, чем резистор 17 этого дели теля. Резистор 16 подключен к точке соединения терморезистора 10 с опорным резистором 11. Резистор 17 соединен с отрицательной шиной питания. Общая точка резисторов 16 и 17 третье30 го делителя подключена к неинверти- pyющe ry входу усилителя 2-3. Соединение «резистора 17 с отрицательной шиной питания осуществлено через выходное плечо цепи 5 положительной

35 обратной связи для создания гистерезиса. Между выходом усилителя 2 и базой тpaнзиqтopa 18 включен резистор 19, а между базой и эмиттером этого транзистора и положительной

40 шиной питания - резиствр 20.

Нагрузочный резистор 21 транзистора 18 подсоединен одним концом к отрицательной шине питания (корпус, земля), а другим - к базе второго

45 транзистора 22 усилителя. Эмиттеры обоих транзисторов подключены к положительной клемме источника питания .

5Q В качестве исполнительного элемента 4 использовано комьгутирующее электромагнитное реле 23, обмотка которого включена в коллекторную депь. транзистора 22 и зашунтирована дио5 дом 24, включенньм анодом на отрицательную клемму источника питания. Параллельно обмотке реле подключена цепь 5 положительной обратной связи, содержащая делитель напряжения на резисторах 25 и 26. Резистор 26 подсоединен к отрицательной клемме источника питания, а общая точка резисторов 25 и 26 подключена к резистору 17 третьего делителя напряжения дискриминатора температуры.

Использование устройства на автомобилях преимущественно высшего класса для управления производительностью кондиционера.

В салоне кондиционером поддерживаются комфортные условия. При превышении температуры наружного воздуха +27°С, а также при понижении ее до -20°С устройство обеспечивает переход на максимальную производительность и дополнительный обдув стекол салона для предотвращения их запотевания или обледенения в зависимости от температуры наружного воздуха.

Наличие двух температурных поро- гов обусловлено выбором двух соответствующих терморезисторов и подбором опорных резисторов 13 и 11. При этом опорным резистором 11 и высокотемпературным терморезистором 10 обеспечивают баланс дифференциального усилителя при +27°С, а опорным резистором 13 и низкотемпературным терморезистором 12 обеспечивают баланс дифференциального усилителя при -20°С.

Устройство работает следующим , образом.

При температуре около +20°С потенциал на инвертирующем входе усилителя 2 несколько больше, чем потенциал па неинвертирующем входе. Поэтому на выходе дифференциального усилителя 2 поддерживается низкий потенциал, транзистор 18 отперт, а транзистор 22 заперт. При этом напряжение на обмотку реле 23 не поступает и оно не срабатывает. При повышении температуры до сопротивление обоих терморезисторов уменьшается, в связи с чем за счет действия терморезистора 10 потенциал на неинвертирующем входе ycилIiтeля 2 становится несколько выше, чем потенциал на его инвертирующем входе, напряжение на выходе дифференциального уси- :штел51 увеличивается, транзистор 18 запирается, а транзистор 22 отпирается. При этом реле 23 срабатьтает.

При температуре окружающей среды -20°С сопротивление обоих терморе10

293713

зисторов становится значительно большим номинального. Это, за счет действия терморезистора 12 приводит к понижению потенциала на инверти- 5 рующем входе усилителя 2 по сравнению с потенциалом на неинвертирующем входе и, как следствие этого, к срабатыванию реле 23.

Так как параллельно обмотке реле включена цепь положительной обратной связи, то на резисторе 26 при срабатывании реле возникает напряжение, увеличивающее потенциал на неинвертирующем входе усилителя 2. Это обеспечивает срабатывание и отпускание реле (захват) при заданном температурном пороге и обусловливает некоторьш гистерезис, т.е. возвращение устройства в исходное состояние происходит при несколько меньших по абсолютной величине температурах, чем величина порогов срабатывания.

организация положительной обратной Связи не приводит к не- постоянству порогов срабатывания, которое могло бы возникнуть при непосредственном подключении цепи положительной обратной связи к выходу усилителя из-за дрейфа остаточного

20

30

напряжения.

Работоспособность устройства определяется правильным выбором параметров схемы.

Первый делитель напряжения выби35 рают низкоомным с тем, чтобы при изменениях сопротивлений терморезисторов потенциалы его выходных точек не изменялись. Плечи делителя, которые шунтируются цепями, имеющими

40 последовательно соединенные терморезистор и опорный резистор, должны быть более низкоомными, чем два других плеча, чтобы с первых снимались достаточно малые напряжения,

45 исключающие вызывающий погрешности самонагрев терморезисторов (из условий допустимой мощности рассеивания терморезисторов).

0

Для обеспечения изменения разности потенциалов на входах дифференциального усилителя получение баланса, а затем требуемого разбаланса этого усилителя необходимо, чтобы одна из термочувствительных цепей (10, 11) работала на положительном .температурном пороге (в данном

случае t°

+27 С), а другая

(12, 13) - на отрицательном температурном пороге (в данном случае -20°С. Это обеспечивается наличием на положительном температурном пороге небольшой разности между величинами сопротивлений высокотемпературного терморезистора 10 и опорного резистора 11 при сопротивлении низкотемпературного терморезистора 12 значительно меньшем сопротивления опорного резистора 13, а также наличием на отрицательном температурном пороге небольшой разницы между величинами сопротивлений низкотемпературного терморезистора 12 и опорного резистора 13 при сопротивлении высокотемпературного терморезистора 10 значительно большем сопротивления опорного регистра 11,

Максимальная чувствительность устройства на обоих порогах определяется большим входным сопротивлением второго и третьего делителей (14-17) по сравнению с выходным сопротивлением термочувствительных цепей, содержащих терморезйстор и опорный резистор. Это обеспечивается увеличением сопротивлений резисторов делителей, которое ограничивается лишь тем, что выходные сопротивления этих делителей доля$ны быть значительно меньше входного сопротивления усилителя.

Выбором сопротивлений резисторов всех делителей обеспечивается также одинаковое смещение по питанию на входах усилителя, равное примерно половине напряжения ис 1:очника питания. В связи с этим сопротивление резистора 14 равно сопротивлению резистора 16, а сопротивление резистора 15 - сопротивлению резистора 17.

Выбором резисторов 25 и 26 обеспечивают требуемый коэффициент положительной обратной свяяи.

Подбором опорных резисторов 11 и 13 задают температурные пороги усройства, причем, если применять регулируемые опорные резисторы, можно изменять температурные пороги, а также компенсировать эксплуатационный уход параметров терморезисторов на заданных температурных порогах.

Выбор величины сопротивления опорных резисторов производят следущим образом.

На положительном (относительно +20 С) температурном пороге пор характерным является

очень малое сопротивление терморезисторов 12 по сравнению с сопротивлением опорного резистора 13. Поэтому схема дискриминатора без учета резистора обратной связи может быть с некоторыми допущениями преобразована в упрощенную схему, изображенную на фиг. 2. При этом практически постоянные потенциалы соответствующих точек первого делителя обозначены 1/ , точника

f 3 питания

, а напряжение ис- и. . Потенциал Ч

5

0

в общем случае является потенциалом точки соединения терморезистора 12 с вторым опорным резистором 13. В данном случае вследствие соблюдения неравенства R R , % а вследствие соблюдения неравенства R 7 RO шунтирующее действие резис13 н

тора К пренебрежимо мало. Потенциал точки соединения терморезистора 10 с опорным резистором 11 равен Чз При +20° С потенциал Ц) на инверЬ

тирующем входе усилителя 2 несколько больше потенциала Ч , на его неинвертирующем входе. По мере повышения температуры сопротивление терморезистора 10 уменьшается, по- 0 тенциаЛ f j и потенциал Ч, на неинвертирующем входе дифференциального усилителя растут. На положительном температурном пороге возникает

5

равенство

вследствие чего

2 схема срабать вает.

С учетом изложенного

R

А.

15

R

40

RI.

R +R,,

16 17

2м. -ч

о R.,

Ч, Ч, А, ,

Uo-Ч-,);

, .

Это позволяет установить зависимость

R.

и К.

5

между .., ..

Таким образом для изменения положительного температурного порога срабатывания необходимо изменять сопротивление опорного резистора 11.

На отрицательном (относительно +20°С) температурном пороге t°nop +20°C

12937

при соблюдении условия .R R,, схему дискриминатора можно упростить в соответствии с фиг. 3.

Так же, как и в предыдущем случае, при +20°С потенциал Ч на инверти- 5 рующем входе усилителя 2 несколько выше потенциала Ч, на его неинвертирующем входе. По мере уменьшения температуры сопротивление терморезистора 12 увеличивается, потендаал

Ю

-Р,

а следовательно, и потенциал

If инвертирующего входа усилителя / уменьшаются. На отрицательном температурном пороге возникает равенство

4 У , вследствие чего схема срабатывает.

С учетом изложенного

(i,+ipR, -Ч з;

, о-Ч,

Ч

и,,-bR,,

% Ч ,. , где i, и i, - ток в цепях схемы.

13

5

Это позволяет установить зависимость между и R

Таким образом, для изменения отрицательного температурного порога срабатывания необходимо изменять сопротивление опорного резистора 13.

Формула изобретения

Регулятор температуры, содержащий делители напряжения, делители напряжения с терморезисторами и последовательно соединенные дифференциаль- ньм усилитель, охваченный положитель5 ной обратной связью, и исполнительный элемент, отличающий- с я тем, что, с целью упрощения ре- гулятора, в нем подключенный к шинам источника питания первый делитель

0 напряжения содержит четыре последовательно включенных элемента, параллельно каждому из средних элементов которого подключен соответствующий делитель напряжения с терморезистором, средний вывод каждого из которых через второй и третий делители соответственно соединен с соответствующей шиной источника питания и через первое плечо тех же делителей с соответствуюш; -1ми входами дифференциального усилителя.

5

75

ф(/8.2

ц,

фс/ё.З

Редактор Л.Пчетшнская

Составитель Л.Птенцова Техред И.Попович ,

Заказ 386/53Тираж 864.Подписное

ВН№1ПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Корректор В.Бутяга