Устройство для регулирования температуры Советский патент 1992 года по МПК G05D23/19 

тока, а также широтно-импульсного управления включением выпрямителя 5, при котором угол управления всегда является постоянным и не зависящим от изменений температуры окружающей среды, достигается более высокая точность поддержания

заданной температуры. Кроме того, двухпо- лупериодный нагрев термодатчика-нагревателя 18 в сочетании с широтно-импульсным управлением значительно уменьшает искажения формы синусоидального сетевого напряжения, 1 з.п. ф-лы, 7 ил,

Изобретение относится к автоматическому регулированию температуры и может быть использовано при закреплении тонер- ных изображений в электрофотографическом копировальном аппарате.

Цель изобретения - уменьшение создаваемых помех в питающей сети и повышение точности регулирования температуры.

На фиг. 1 показана функциональная схема устройства; на фиг. 2 - вариант выполнения управляемого выпрямителя; на фиг. 3 - вариант конструкции термофикси- рующего валика; на фиг. 4 и 5 - временные диаграммы, иллюстрирующие характер изменения напряжений и токов на элементах устройства при двухполупериодном подогреве термодатчика-нагревателя; на фиг. 6- график выхода устройства на режим; на фиг. 7 - зависимости температуры постоянного подогрева от величин измерительных токов, протекающих в цепях диодов устройства при специально отключенном первом выпрямителе.

Устройство для регулирования температуры содержит трансформатор 1 напряжения с тремя обмотками 2-4 и электрически связанные с ним три выпрямителя 5-7, два диода 8 и 9, трансформатор 10 тока с тремя обмотками 11-13, три кольцевых токосъемника 14-16, задатчик 17 температуры, термодатчик-нагреватель 18, формирователь 19 трапецеидальных импульсов, включающий выпрямитель 20, делитель напряжения, выполненный на резисторах 21 и 22, и стабилитрон 23, компаратор 24, источник 25 опорного напряжения, формирователь 26 коротких импульсов и элемент И-НЕ 27.

Управляемый выпрямитель 5 в однофазном исполнении содержит два диода 28 и 29, два ограничительных резистора 30 и 31 и два оптронных тиристора 32 и 33.

Термофиксирующий валик 34 содержит несущий цилиндр 35, две цапфы 36 и 37, две теплоизолирующие втулки 38 и 39, слой 40 термодатчика-нагревателя 18, расположенный между нижним и верхним электроизоляционными слоями 41 и 42, задатчик 17

температуры в виде резистора, держатели 43-45 задатчика 17, два подшипника 46 и 47, три кольцевых токосъемника 14-16, выполненные в виде токосъемных колец 48-50

и щеток 51-53.

Устройство работает следующим образом.

Диод 8, обмотка 11 трансформатора 10 тока, кольцевой токосъемник 14 и задатчик

17 образуют первое, а диод 9, обмотка 12 трансформатора 10, кольцевой токосъемник 15 и термодатчик-нагреватель 18 - второе плечи термочувствительного моста (фиг. 1), питающая диагональ которого через кольцевой токосъемник 16 подключена к выходу выпрямителя 6. Вследствие того, что предлагаемое устройство предназначено для поддержания заданной рабочей температуры как для цилиндрических нагревателей,

вращающихся вокруг своей оси, так и для неподвижных плоских нагревателей, очевидно, что применение для последних кольцевых токосъемников 14-16 не имеет смысла.

Рассмотрим работу предлагаемого устройства при двухполупериодном подогреве термодатчика-нагревателя 18. На,фиг. 4 а-е и фиг. 5 а-и представлены временные диаграммы, иллюстрирующие характер изменения напряжений и токов на элементах устройств при двухполупериодном подогреве сетевым напряжением термодатчика-нагревателя 18.

Предположим, что первоначальное

включение устройства произошло в положительный полупериод сетевого напряжения и с момента выхода его из нулевого значения (фиг. 5 а). Тогда в момент выхода положительного полупериода из нулевого значения

произойдет включение оптронного тиристора 33 в управляемом выпрямителе 5 в результате поступления на его управляющий вход короткого отпирающего импульса с выхода элемента И-НЕ 27 (фиг. 1 и фиг. 4е).

Вследствие этого к термодатчику-нагревателю 18с выхода выпрямителя 5 через меньшую часть рабочей обмотки 12 трансформатора 10 прикладывается выпрямленное

отрицательной полярности полное напря- жение сети (фиг. 5з), а к задатчику 17 через последовательно включенные диод 8 и рабочую обмотку 11 трансформатора 10 прикладывается пониженное выпрямленное напряжение отрицательной полярности с выхода выпрямителя 6 (фиг. 5в). При этом длительность действия приложенного выпрямленного сетевого напряжения к термодатчику-нагревателю 18 как в указанный первый положительный, так и в последующие отрицательные и положительные полупериоды сетевого напряжения означает, что устройство на интервале времени to-ti работает в режиме форсированного достижения заданной рабочей температуры (фиг. 5а, ж-и и фиг. б). Благодаря встречному включению двух диодов 8 и 9, а также наличию отвода в рабочей обмотке 12 трансформатора 10 в предлагаемом устройстве в отличие от известного присутствует воз- можность определения разбаланса термочувствительного моста как в положительные, так и в отрицательные полупериоды сетевого напряжения на всем временном интервале форсированного подогрева тер- модатчика-нагревателя 18. Это объясняется, во-первых, тем, что диод 9, установленный во втором плече термочувствительного моста, выполняя функцию ключа, запирается высоким выпрямленным напряжением сети вследствие того, что отрицательное напряжение на его аноде в моменты включения какого-либо из тиристоров 32, 33 первого управляемого выпрямителя 5 значительно превосходит по величине отрица- тельное напряжение на его катоде. Во-вторых, трансформатор 10 относительно своей рабочей обмотки 11 в моменты включения любого из тиристоров 32 и 33 выпрямителя 5 автоматически уменьшает коэффициент трансформации, а именно, уменьшает во столько раз, во сколько раз ток в цепи термодатчика-нагревателя 18 в момент действия первого полупериода сетевого напряжения на интервале времени больше измерительного тока в цепи задатчика 17 (фиг. 5е, ж), и если При первоначальном включении устройства в момент времени термочувствительный мост сбалансирован вследствие равенства со- противления его плеч, то на протяжении первого положительного полупериода он будет уже несколько разбалансирован в результате нагрева значительным по величине сетевым напряжением термодатчика-нагре- вателя 18. В результате этого на протяжении времени действия последующих полупериодов сетевого напряжения на интервале времени t0-ti наблюдается возрастание с нулевого значения напряжения разбаланса термочувствительного моста на выходе выпрямителя 7 (фиг. 4а), выполненного со сглаживающими элементами. При этом напряжение на выходе последнего определяет включенное или выключенное состояние тиристоров 32 и 33 выпрямителя 5 (фиг. 2) и благодаря высокой скорости нагрева термодатчика 18 на интервале времени (фиг. 6) наблюдается быстрый его рост с увеличением числа полупериодов сетевого напряжения (фиг. 4а и фиг. 5а). Достижение заданного значения выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя 7 вызывает исчезновение логической единицы на выходе компаратора 24 (фиг. 1 и фиг. 4а, б). Это означает, что включение какого-либо оптс- тиристора выпрямителя 5 в последующий один или ограниченный ряд полупериодов сетевого напряжения не произойдет (фиг. 5 ж-и), поскольку произошел нагрев термодатчика-нагревателя 18 до заданной температуры. С этого момента (момента наступления времени ti на интервале времени ti-t2) устройство начинает работать в режиме ожидания носителя тонерного изображения - бумажного полотна (фиг. 6), в начальный момент которого продолжают еще прогреваться до заданной температуры слоя 40 термодатчика-нагревателя 18 остальные составные элементы термофикси- рующего валика 34, главным образом, его несущий цилиндр 35 (фиг. 3). При этом по мере нагрева последнего до заданной температуры слоя 40 термодатчика-нагревателя 18 (фиг. 3) временные промежутки между включениями тиристоров 32 и 33 выпрямителя 5 (фиг. 5з и интервал времени ti-t), a следовательно, и период колебания температуры на поверхности термофиксирующе- го валика 34 увеличиваются (фиг. 6. интервал времени ц-тз). После определенного времени прогрева несущего цилиндра 35 и подачи бумажного полотна к наружной поверхности термофиксирующего валика 34 с целью закрепления тонерного изображения путем термоконтактного его оплавления устройство на интервале времени начинает работать в режиме фиксирования тонерного изображения (фиг. 6, интервал времени t2-ts), при наступлении которого начинается нагрев бумажного полотна, а следовательно, и интенсивный отбор тепла от цилиндрической рабочей поверхности термофиксирующего валика 34, который установлен в устройстве с возможностью вращения вокруг своей оси (фиг. 3). При этом необходимая величина температуры закрепления, находящаяся в функциональной зависимости от толщины бумажного полотна и его влажности, задается в предлагаемом устройстве с помощью второго задатчи- ка температуры - источником 25 опорного напряжения путем изменения величины опорного напряжения на его первом выходе (фиг. 1), от величины которого зависит порог срабатывания компаратора 24.

При двухполупериодном подогреве термодатчика-нагревателя 18 оптотиристоры выпрямителя 5 включены в противофазные цепи (фиг. 2), и поэтому, несмотря на то. что импульсы на их включение с выхода элемента И-НЕ 27 могут поступать на их включение в каждом полупериоде сетевого напряжения (фиг. 4е, интервал времени t0- Х1),однако каждый из них открывается только в тот полупериод, при котором анодное напряжение на нем положительно. При этом двухполупериодный ток в цепи термодатчика-нагревателя 18 на интервале времени складывается из двух токов, выпрямленных в положительные и отрицательные полупериоды сетевого напряжения (фиг. 5з, и), а на интервале времени ti-t места исчезнувших значительных токов форсированного подогрева заполняются малым чисто измерительным током (фиг. 5ж).

Для синхронизации включения тиристоров 32 и 33 с нулевых значений сетевого напряжения в предлагаемом устройстве предусмотрены формирователь 19 трапецеидальных импульсов напряжения, формирователь 26 коротких импульсов и элемент И-НЕ 27 (фиг. 1). Так, в конце каждого полупериода питающего сетевого напряжения в моменты спада трапецеидального напряжения до нулевых значений на выходе формирователя 26 формируются короткие единичные импульсы,синхронизированные с частотой сети (фиг. 4д). Таким образом, формирователь 26 выполняет функцию преобразования трапецеидального напряжения в последовательность коротких импульсов той же частоты, что и на выходе формирователя 19. При этом очевидно, что на управляющий вход выпрямителя 5 может поступить импульс на включение какого-либо его тиристора только при одновременном присутствии логических единиц на двух входах элемента И-НЕ 27.

Следует заметить, что в зависимости от величины греющих токов в плечах термочувствительного моста подогрев термодатчика- нагревателя 18 выпрямленным сетевым напряжением может происходить на фоне температуры постоянного подогрева (Тп.под), создаваемой измерительными гока- ми. На фиг. 7 представлены зависимости температуры постоянного подогрева (Тп под)

от величины измерительных токов, протекающих в цепях диодов 8 и 9, и снятые при специально отключенном управляемом выпрямителе 5. Использование значительных

по величине измерительных токов в плечах термочувствительного моста уменьшает время выхода устройства на заданньГй режим. Однако это требует применения трансформатора 1 повышенной мощности,

поэтому величину измерительных токов следует выбирать минимально возможной,

По сравнению с известным предлагаемое устройство благодаря применению высокостабильного сравнивающего устройства-трансформатора 10 тока, а также широт- но-импульсного управления включением управляемого выпрямителя 5, при котором угол управления последним всегда является постоянным и не зависит от имеющих место

изменений температуры окружающей среды, позволяет повысить точность поддержания заданной температуры. Кроме того, двухполуперидный нагрев термодатчика- нагревателя 18 в сочетании с широтно-импульсным управлением значительно уменьшает искажения формы синусоидального сетевого напряжения, а использование трансформатора 10 позволяет осуществить гальваническую развязку сигнала разбаланса термочувствительного моста от питающей сети.

Формула изобретения

сети питания, отличающееся тем, что, с целью уменьшения создаваемых помех в питающей сети и повышения точности регулирования температуры, в него введены трансформатор напряжения, трансфэрматортока, второй итретий выпрямители, формирователь трапецеидальных импульсов, компаратор, формирователь коротких импульсов, источник опорного напряжения, элемент И-НЕ, а первый выпрямитель выполней в виде управляемого выпрямителя, причем трансформатор напряжения подключен первой обмоткой к сети питания, второй обмоткой - к входу второго выпрямителя, а третьей обмоткой - к входу формирователя трапецеидальных импульсов, соединенного выходом с входом формирователя коротких импульсов, подключенного выходом к первому входу элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с выходом компаратора, а выход последнего-с первой

клеммой управляющего входа первого выпрямителя, вторая клемма управляющего входа которого соединена с первым выходом источника опорного напряжения, подключенного вторым выходом к первому входу компаратора, второй вход которого подключен к выходу третьего выпрямителя, соединенного входом с выходной обмоткой трансформатора тока, первая входная обмотка которого соединена первым выводом с анодом первого диода, а вторым выводом - через первый кольцевой токосъемник с первым выводом задатчика температуры, а вторая обмотка которого соединена первым выводом с анодом второго диода, вторым выводом - с первым выходным выводом первого выпрямителя, а третьим выводом - через второй кольцевой токосъемник с первым выводом т ермодатчика-нагревателя, второй вывод которого объединен с вторым выводом задатчика температуры и через третий кольцевой токосъемник соединен с вторым выходным выводом первого выпрямителя и первым выходным выводом второго выпрямителя, подключенного вторым

Ко дторой Входной клемме ус/лройстВа

К первой дходной клемне устройапВа

Д /qjy

29 -ЙКоторому Выходу источника олоряого напряжения 25

К йыходу элемента И-НЕ 27

выходным выводом к катодам первого и второго диодов.

-з

эг««у.

7

1ШАААААЩЯШШПШШ

; i i i к

7

I I

I I I

VV AM/VVVVVV AA7

ii i i ,,.;..

, I

ч

3

°2

I v

WJ 11

I I I

Г,

П

Ј289Ш

4

V v/ V J v V У V J J J J J J J

0

т)

О

Тп.под Fttj. Ц)

о

Ч

Фиг. 7

Рад. max.

TWfi& s :

Фиг б