Устройство для регулирования температуры Советский патент 1990 года по МПК G05D23/19 

(Л

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано в бытовых, сельскохозяйственных, лабораторных и других электронагревательных приборах средней мощности. Целью изобретения является повышение КПД. Устройство содержит датчик и задатчик температуры, компаратор, элемент И, усилитель мощности, симистор, двухполярный источник питания, формирователь синхроимпульсов, задатчик, нагрузочный элемент, ключевой элемент. 1 ил.

Изобретение относится к автоматике, 6 частности к технике автоматического регулирования температуры, и может быть использовано в бытовых, сельскохозяйственных, лабораторных и других электронагревательных приборах средней мощности, в которых датчиком является термопара.

Целью изобретения является повышение КПД.

На чертеже представлена схема устройства для регулирования температуры.

Устройство содержит симистор 1, через который к сети переменного т6- ка (шины 2 и 3) подсоединен нагрузочный элемент 4, датчик 5 температуры, например,термоэлектрический, задат- чик 6 температуры, вьшолненный в виде стабилитрона 7 с регулировочным резистором 8 в цепи катода иделителя напряжения из первого 9 и второго 10

резисторов, включенных между катодом стабилитрона и движком регулировочного резистора, компаратор 11, состоящий из интегральной микросхемы компаратора 12 с выходным каскадом в виде транзисторного ключа с открытым коллектором, резистора 13 для нагрузки транзисторного ключа интегрального компаратора и резистора 14 для создания полозкительной обратной связи, элемент И 15, состоящий из резистора 16, диода 17 и транзистора 18; усилитель мощности 19, состоящий из эмиттерного повторителя 20, транзисторного ключа на элементах 21 и 22 с ограничивающим резистором 23 в цепи коллектора, каскада с общей базой на элементах 24 и 25, обеспечивающего связь между эмиттерным повторителем и транзисторным ключом, а также из диодно-резис- тивных цепей смещения на элементах

сл

со

4

сд

о оо

26-29 для более надезкного запирания транзисторного ключа и каскада с общей базой при логическом О на входе эмиттерного повторит(2ля, формирова- , тель 30 синхроимпульсов, состоящий из транзисторов 31 и 32 для положитель- :нрго и отрицательного напряжений со- I ответственно5 с первым 33 и вторым г34 резисторами в базовых цепях, резис-jo i торами 35 и 36 в коллект орных цепях |и источника тока из резистора 37 и транзистора 38, база которого подклю- чена к коллектору ключа .Еутя отрицательного напряжения, а коллектор - к f5 ;коллектору ключа для положительного : напряжения а также из цепи смещензая I на элементах 39 и 40 для более надежного запирания источника тока, двух- ; полярный источник 41 гштания, состоя- 20 I щий из двух разнополярных однополупе- I риодных выпрямителей, к объединенным входам которых питающее напряжение подается через конденсатор 42, причем Икаждый выпрямитель состоит из диода 2S ; 43 (44), конденсатора 45 (46) и ста- : билитрона 47 (48), ключевой элемент : 49, вьтолненный в виде транзистора : 50 и цепи управления из резистора 51 : и стабилитрона 52,, общая точка соеди- зо ; нения которых под1шючена к базе тран- ; зистора, а свободные выводы цепи уп- равления подключены соответственно к положительному и отрицат.ельному выходам двухполярного источника питания, при этом эмиттер транзистора соединен с нулевым входом формирователя : синхроимпульсов, а коллектор - с выхо- . дом указанного формирователя. Вход двухполярного источника 41 питания дд (свободный вывод конденсатора 42) и вход формирователя 30 синхроимпульсов (сво- бодньй вывод резистора 33), как и свободный вывод нагрузочного элемента 4, подключены к пшне 2 сети пере- 45 менного тока. Общая шина 3 подсоединена к катоду симистора 1, к нулевьпу входам усилителя 19 ((катод диода 27), элемента И 15 (коллектор транзистора 18), компаратора 11 (-вывод отрицательдд ного питания и эмиттер выходного тран зисторного ключа интегрального компара™ тора 12), задатчика 6 (анод стабилитрона ), ключевого элемента 49 (эмиттер транзистора 50), формирователя 30 ее синхроимпульсов) (эмиттеры транзисторов 31 и 32) и двухполярного источника 41 питания (анод стабилитрона 47 и катод стабилитрона 48). Положительный выход источника 41 питания (катод диода 43) подключен к соответствующим входам питания формирователя 30 синхроимпульсов (вывод резистора 35), ключевого элемента 49 (вывод резистора 51), задатчика 6 (вывод резистора R 8), компаратора 11 (вывод для положительного питания интегрального компаратора 12 и вывод резистора 13), элемента И 15 (вывод резистора 16) и усилителя 19 (коллектор транзистора 20). Отрицательный вывод источника 41 питания (анод диода 44) подключен к соответствующим входам питания, формирователя SO синхроимпульсов (вывод резистора 36), ключевого элемента 49 (вывод стабилитрона 52) и усилителя 19 (вывод резистора 22). Неинвертирующнй вход компаратора 11 соединен с потенциальным выходом задатчика 6 (точка соединения резисторов 9 и 10), инвертирующий вход компаратора 11 подключен к положитель- . ному выходу датчика 5, отрицательный выход которого соединен с нулевым выходом задатчика 6 (катод стабилитрона 7), Выход компаратора 11 соединен с первым входом (катод диода 17) элемента И 15, выход которого подключен к входу усилителя 19 (база транзистора 20), выход которого (вывод резистора 23) соединен с управляющим входом симистора 1. Второй вход элемента И 15 (база транзистора 18) подключен к выходу ключевого элемента 49 ((коллектор транзистора 50), вход которого (коллектор транзистора 50) соединен с вькодом формирователя 30 синхроимпульсов (коллектор транзистора 31).

- .

Устройство работает следующим ооразомо

В исходном состоянии движок регулировочного резистора 8 находится в нулевом положении (т.е. в крайнем нижнем по схеме положении). После подачи питания на шины 2 и 3 переменный ток проходит через конденсатор 42 и в разные полупериоды через диоды 43 и 44 заряжает конденсаторы 45 и 46 до напряжения, определяемого стабилитронами 47 и 48 соответственно. На выходе формирователя 30 синхроимпульсов появляются короткие импульсы положительной полярности в моменты перехода через ноль сетевого

переменного напряжения. В приведен- ной схеме формирователя синхроимпульсов последние появляются только при напряжении аа резисторах 33 и 34, близком к нулю, так как при этом тран зисторы 31, 32 и 38 заперты. При положительной полуволне сетевого напряжения открывается транзистор 31, и напряжение на его коллекторе близко к нулюо При отрицательной полуволне сетевого напряжения открьшается транзистор 32 (при этом транзистор 31 заперт) . На резисторе 36 создается напряжение, близкое к напряжению н а стабилитрона 48. В этом случае в коллекторной цепи транзистора 38 возникает ток, который, протекая через резистор 35, создает на последнем падение напряжения. Сопротивление резистора 37 выбрано так, что напряжение на коллекторе транзистора 31 близко к нулю и при отрицательной полуволне сетевого напряжения. Ключевой элемент 49 при этом не должен мешать прохождению импульсов с выхода формирователя 30 синхроимпульсов на второй вход элемента И 15. Для этого -в приведенной схеме ключевого элемента 49 транзистор 50 должен быть заперт, что обеспечивается путем создания на его базе .близкого к нулю отрицательного напряжения выбором стабилитрона 52 с напряжением стабилизации меньшим, чем у стабилитрона 48

Так как напряжение на выходе задат чика 6 равно нулю, т.е„ меньше напряжения датчика 5, то сигнал на выходе компаратора 11 соответствует логическому При этом на выходе элемента И 15, а следовательно, и на выходе усилителя 19 сигналы отсутствуют и включение симистора не происходит.

Если движок регулировочного резистора 8задатчика 6 находится в не нулевом положении и на его выходе напряжение более высокое, чем на выходе датчика 5, То на выходе компаратора 11 устанавливается положительное напряжение высокого уровня о При этом н&- выходе элемента И 15 и входе усилителя 19 появляются импульсы напряжения с амплитудой, близкой к положительному напряжению питания. Эти импульсы

напряжения с помощью усилителя 19 пре- питания задатчика 6, компаратора 11,

, образуются в импульсы тока, достатоЧ- ,элемента И 15 и маломощной части усиные для включения симистора .1.лителя 19 (элементы 20, 24-27), а отПреобразование имПульсов напряже-рицательный полупериод - для питания

ния в импульсы тока в усилителе 19мощной части усилителя 19 (элементы

5

10

20

25

выполняется следующим образом. При низком уровне входного сигнала транзистор 25 заперт, в его коллекторной цепи ток отсутствует, следовательно, заперт также транзистор 21, и на выходе усилителя 19 протекает микроток запертого транзистора 21, При высоком уровне входного сигнала в эмиттерных цепях транзисторов 20 и 25 возникает ток, определяемьй входным напряжением усилителя (за вычетом падений напряжения на эмиттерных переходах транзисторов 20 и 25 и напряжения на диоде 15 27) и сопротивлением резистора 24. Этот ток создает ток в коллекторной цепи транзистора 25 и открывает транзисторный ключ 21. При этом в управляющем электроде симистора возникает запускающий ток, величина которого ограничивается резистором 23. Импульсы тока в выходной цепи усилителя 19 включают симистор 1 в моменты прохождения через ноль сетевого напряжения. При этом через нагревательный элемент , проходит ток, и температура нагреваемой среды повьш1аетсяо Повышается также напряжение на выходе датчика 5 температуры. Когда это напряжение становится равным (с погрешностью напряжения смещения компаратора 12) напряжению задатчика 6 (напряж€;нию на ре- зисторе 9), тогда сигнал на выходе компаратора 11 скачком переходит в нулевое состояние, и включение симистора не происходит. Питание узлов управления симистором в устройстве обеспечивается двухполярным источником 41 питания, в котором выходные напряжения создаются двумя одинаковыми разнополярными однополупериодными выпрямителями с общим токоограш1чива- ющим конденсатором 42. При этом обеспечивается симметричная нагрузка силовой сети в обоих полупериодах, а следовательно, минимизируются искажения формы напряжения сети, обусловленные нагрузкой. Для создания постоянного напряжения с допустимыми пульсацнями при однополупериодном выпрямлении используются накопительные (фильтрующие) конденсаторы 45 и 46. Положительный полупериод напряжения силовой сети используется, в основном, для пи-

30

35

40

45

0

21-23, 28, 29), создающей ток управления симисторомо Такой принцип построения устройства обеспечивает рациональное использование энергии в каждом полупериоде и способствует снижению потребляемой мощности.

Для включения симистора нужно в начале кавдого полупериода, т.е„ 2

ходного напряжения источника 41 питания, . так как включение симистора 1 происходит значительным током 1у, и конденсатор 46 источника питания быстро разряжается. При восстановлении сетевого питания конденсатор 46 йолностью зарядиться уже не может, так как компаратор 11 разрешает про; раза в течение периода Т, подавать °Д импульсов через элемент И 15,

: пульсы тока управления 1у длитёль- усилитель 19 пытается запустить симистор 1, и разряженный ранее конденса- ,тор 46 продолжает постоянно разря- (жаться,

i ностью t,.. Toe источник питания дол- жен обеспечивать на отрицательном вы- ходе средний за период ток нагрузки

1 Iv

2- t U

где t,, - длительfji I - - к

; ность импульсов на выходе формирова- : теля 30 синхроимпульсов. Упомянутый I формирователь вырабатывает сигнал : высокого уровня в окрестностях нуля в обе стороны, т с ее должно быть

м

7 2t,

Поэтому средний ток нагрузки должен быть не менее величины

41

ty У т

Максимальная величина тока определяется реактивным сопротивлением конденсатора 42, т.е. его емкость из

1 1 . исети с 2f f-с l

должна быть I

с

сети

где и сети и f - напряжение и часэлемента 49, нужно обеспечить ток нагрузки источника питания, равный 1ср 2, 1. При этом конденсатор 46 всегда заряжается полностью независимо от

тота питающей сети состояния ключа 21 усилителя 19. При соответственно,, этом ток потребления увеличивается в Указанный ток 1 обеспечивается на

I

п

положительном выходе источника 41 питания. Если потребляемьй с выходов источника питания ток меньше велшш- Увеличивается также требуемая величина

Т --- раз,

-и

ны, задаваемой конденсатором 42, то излишки тока утекают в стабилитроны 47 и 48, которые служат также для ограничения выходных напряжений источника питания. ,

В случае отсутствия ключевого элеемкости конденсатора 42, а следовательно, его габариты и стоимость. Кроме того, в установившемся режиме образуется большой излишек тока, протека- 50 ющего через стабилитроны 47 и 48, что требует увеличения мощности, нап4

емкости конденсатора 42, а следовательно, его габариты и стоимость. Кроме того, в установившемся режиме образуется большой излишек тока, протека- 50 ющего через стабилитроны 47 и 48, что требует увеличения мощности, напмента 49 устройство может прекратить ример, путем введения транзисторов функционирование после случайного средней мощности с охладительными ра- кратковременного отключения питакяцей диаторами. Это ведет также к усложне- сети или кратковременного снижения нию источника питания и увеличению

его стоимости.

Таким образом,введение ключевого элемента ведет к снижению потребляемого из сети тока, а следовательно.

(провала) сетевого напряжения. Это обусловлено тем, что при кратковремен- ном пропадании питания происходит быстрое снижение отрицательного выте15945038

ходного напряжения источника 41 питания, . так как включение симистора 1 происходит значительным током 1у, и конденсатор 46 источника питания быстро разряжается. При восстановлении сетевого питания конденсатор 46 йолностью зарядиться уже не может, так как компаратор 11 разрешает проусилитель 19 пытается запустить симистор 1, и разряженный ранее конденса- ,тор 46 продолжает постоянно разря- (жаться,

5 Ключевой элемент 49 обеспечивает работоспособность следующим образом.

При снижении отрицательного напряжения двухполярного источника 41 пита-- ния происходит повьпаение потенциала

0 на базе транзистора 50, что приводит к,его открьгоанию. При этом импульсы на выходе формирователя 30 исчезают, и ключ 21 усилителя 19 запирается. Благодаря этому конденсатор 46 начит

5 нает заряжаться. В тот момент, когда конденсатор почти полностью зарядился, ключевой элемент 49 прекращает блокировать выход формирователя 30, работоспособность устройства восстанавли0 вается (напряжение стабилитрона 52

ключевого элемента 49 выбирается меньшим, чем у стабилитрона 48, но максимально близким.

Для того, чтобы устройство сохраня35 ло работоспособность без ключевого

элемента 49, нужно обеспечить ток нагрузки источника питания, равный 1ср 2, 1. При этом конденсатор 46 всегда заряжается полностью независимо от

состояния ключа 21 усилителя 19. При этом ток потребления увеличивается в

также тре

Т --- раз,

-и

емкости конденсатора 42, а следовательно, его габариты и стоимость. Кроме того, в установившемся режиме образуется большой излишек тока, протека- ющего через стабилитроны 47 и 48, что требует увеличения мощности, нап

ример, путем введения транзисторов средней мощности с охладительными ра- диаторами. Это ведет также к усложне- нию источника питания и увеличению

и потребляемой мощности в п

--- раз и повьшению КПД устройства

н .

в целом, а также к упрощению и удешевлению источника питания.

Формула изобрет

е и и я

Устройство для регулирования температуры, содержащее последовательно соединенные симистор и нагрузочный элемент, подключенные свободными выводами к шинам сети переменного тока датчик и задатчик температуры, ком- паратор, последовательно соединенные элемент И и усилитель мощности, двух- полярньй источник питания, подключенный входами к шинам сети переменного

Ж

6

ГГ П

0

тока, и формирователь синхроимпульсов, причем выходы датчика-и задатчи- ка температуры подклк чены к входам компаратора, связанного выходом с одним из входов элемента И, другой вход которого соединен с выходом формирова-. теля синхроимпульсов, соединенного выходами питания с выходами двухполяр- ; ного источника питания, выход 7СИЛИ- теля мощности подключен к управляющему электроду симистора, отличающееся тем, что, с целью повышения КПД, устройство содержит ключе- бой элемент, включенный между выходными выводами формирователя синхроимпульсов, а управляющий вход ключевого элемента подключен к выходам двухпо- лярного источника питания.