Термозависимый одновибратор Советский патент 1993 года по МПК H03K3/284 

(Л

С

Применение: область электроники и информационно-измерительной техники и может быть использовано в системах телеизмерения и автоматического контроля за температурными параметрами объекта, а также в системах противопожарной сигнализации и техники безопасности в качестве цифрового температурного датчика с ии- ротно-импульсной модуляцией. Сущность: термозависимый одновибратор содержит логический элемент ИЛИ-НЁ, формирующий каскад на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, в цепи базы которого включена время,эадающая RC-цепь. С целью расширения области применения за счет обеспечения получения выходных импульсов,линейно изменяющихся по длительности в зависимости от температуры, введены параллельно соединенные диод, переменный резистор и полупроводниковый терморезистор, подключенные со стороны катода к конденсатору RC-цепи, а со стороны анода диода - к выходу логического элемента ИЛИ-НЕ. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области электроники и информационно-измерительной техники и может быть использовано в системах телеизмерения и автоматического контроля за температурными параметрами объектов, а также в системах противопожарной сигнализации и техники безопасности в качестве цифрового температурного датчика с щиротно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет получения выходных импульсов,лииейно изменяющихся по длительности в зависимости от температуры,

На фиг.1 представлена блок-схема термозависимого одновибратора; на фиг.2 - схема принципиальная электрическая.

Предлагаемый термозавиеимый одно- вибратор (фиг. 1 и 2) содержит шину запуска

1, логический элемент ИЛИ-НЕ 2, цепь обратной связи 3, формирующий каскад 4, вре- мязадающую RC-цепь 5, диодную цепь 6, терморезисторную цепь 7, выходную шину 8, контролируемый объект КО, причем шина запуска 1 является первым входом логического элемента ИЛИ-НЕ 2, который состоит из двух элементов НЕ с открытыми коллекторными входами объединенными для реализации логической функции ИЛИ,и через внешний коллекторный резистор подключены к шине питания (8), а второй вход логического элемента ИЛИ-НЕ 2 является цепью обратной связи Злсоединенной с выходной шиной 8 формирующего каскада 4, состоящего из резистора и транзистора,включен- ного по схеме с общим эмиттером, база которого соединена с общей точкой время- задэющей RC-цепи 5. Резистор RC-цепи 5 подключен к шине питания, а конденсатор к

х|

00

оо

о

иодной цепи 6, причем диод соединен па- раллёльно с переменным резистором, катод иода соединен с конденсатором RC-цепи, а анод с выходом логического элемента ИЛИ-НЕ 2. Терморезисторная цепь 7 являтся температурным датчиком, находится в контролируемом объекте и состоит из полупроводникового терморезистора, соеди- пенного параллельно с диодной цепью 6. Выходом термозависимого одновибратора является выходная шина 8 формирующего каскада 4. .

Термозависимый одновибратор работает следующим образом.

В исходном состоянии на шине запуска 1 логического элемента ИЛИ-НЕ 2 отсутствует пол ожмтельны и запускающий импульс. Транзистор формирующего каскада 4 открыт током,- протекающим через резистор времязадающей RC-цепи 5, и низкий уровень с вШодной шины 8 поступает через цепь обратной связи 3 на логический элемент 1/i Л И-НЁ 2. Таким образом, на обоих входах логического элемента ИЛИ-НЕ 2 присутствует низкий уровень, а на выходе - высокий, . уровень. Высокий уровень через диодную цепь б по прямой проводимости диода поступает на обкладку конденсатора йрешзада.ю щей RC-цепи 5, а на другую обкладку с .общей шины через базу - эмиттер открытого транзистора формирующего каскада 4 поступает низкий уровень. Следоваельно, конденсатор времязадающей RC-цепи 5 заряжен со стороны.диодной це- .п и 6 положительным зарядом, а со стороны формирующего каскада 4 - отрицательным .зарядом. В момент поступления через шину запуска i на логический элемент ИЛИ-НЕ 2 кратковременного положительного импульса на его.выходе высокий уровень резко меняется т низкий уровень и начинается, процесс разряда конденсатора преиязада ющей RC-цепи. Обкладка конденсатора с положительным зарядом разряжается через обратную проводимость Диода и паралельно подключенному к нему переменному резистору диодной цепи 6, а также через fepMopesVicfopnyfO цепь 7 и через выход логического элемента ИЛИ-НЕ 2 на общую шину. Учитывая включение транзистора Формирующего каскада 4 по схеме с общим эм иттёром, в момент разряда конденсатора .времязадаю.щей RC-цепи 5 база относительно эмиттера становится отрицательной и транзистор запирается, поэтому цепь раз- ряда отрицательно заряженной обкладки конденсатора проходит через резистор вре- мязадзющей RC-цепи 5 к источнику питания. Далее низкий уровень выходной шины 8 резко меняется на высокий уровень, последний через цепь обратной связи 3 поступает на логический элемент ИЛИ-НЕ 2, на аыходе которого поддерживается нулевой уровень до конца разряда конденсатора

времязадающей RC-цепи 5. В момент, когда уровень перезаряда на обкладках конденсатора достигнет уровня отпирания транзистора формирующего каскада 4, транзистор открывается и на выходной шине 8 высокий

уровень резко падает до низкого уровня. Таким образом, завершается формирование длительности выходного импульса и снова начинается процесс заряда конденсатора времязадающей RC-цепи 5. Время восстановления заряда определяется по формуле:

t0 5C (rg + Rk),

0)

где te - времй восстановления заряда на обкладках конденсатора; .

С - емкость конденсатора времязада ю- щей RC-цепи;

rg - сопротивление прямой проводимости диода;

RK - коллекторный резистор логического элемента ИЛИ-НЕ 2. Для уменьшения времени восстановления заряда на конденсаторе времязадающей

RC-цепи 5 термозависимого одновибратора применен логический элемент ИЛИ-НЕ 2 с открытым коллекторным выходом (8), с этой целью номинальное сопротивление коллекторного резистора определяется расчетным

путем. Процесс заряда конденсатора времязадающей RC-цепм 5 проходит через диодную цепь б по прямой проводимости диода, внутреннее сопротивление которого исчисляется в омах, эта величина практически

не влияет на .время восстановления заряда, а в процессе разряда конденсатора времязадающей RC-цепи 5 ток разряда протекает по двум параллельным цепям;. диодной цепи 6 и терморезисторной цепи 7.

При этом в диодной цепи 6 диод заперт (сопротивление обратной проводимости очень велико}, ток протекает через переменный резистор и терморезисторную цепь 7, которая состоит из полупроводникового

терморезистора (ПТР), вмонтированного в контролируемый объект (КО). Переменный резистор, находясь в параллельном соединении с терморезистором, .частично выполняет линеаризирующие функции, а также

при помощи переменного резистора в отладочном режиме устанавливается начальное значение (tH) длительности выходных импульсов полупроводникового терморезистора при его номинальном сопротивлении и при . В нашем примере для использования в исследовательских работах выбраны два полупроводниковых терморезистора: ММТ-1 100 кОм и ММТ-1 200 кОм. Температурные характеристики указаны в таблицей. Номинальные сопротивления при соответствуют 95,5 кОм и 220 кОм.

При изменении температуры контролируемого объекта от 0 до 125°С на линейной шкале на шине запуска 1 термозависимого одновибратора имеются запоминающие импульсы с определенной частотой следования. В данный момент на выходной шине 8 длительность выходных импульсов тоже будет изменяться по линейной шкале в широком диапазоне температур (фиг.4 - фиг.9), это объясняется тем, что в процессе разряда конденсатора времязэдающей RC-цепи на базе-эмиттере транзистора формирующего каскада 4 при стабильном пороге срабатывания, уровень напряжения изменяется с высокой степенью линейности во времени. Несмотря на недостаток полупроводникового терморезистора, а именно, нелинейность зависимости сопротивления от температуры, его применение в заявляемом изобретении дало положительный результат. Температурная характеристика терморезистора описывается выражением

R FU e

в/ч

(2)

где R - сопротивление рабочего тела при данной температуре. Ом;

Т - температура, К;

е - основание натурального логарифма;

Ry и В - коэффициенты, постоянные для данного экземпляра терморезистора. Разряд конденсатора времязэдающей RC- цепи 5 в термозависимом одновибраторе описывается выражением (10, с. 229)

Uc 0,632 Doe Rt

где DC - напряжение на конденсаторе вре- мязадающей RC-цепи;

Uo - напряжение источника питания;

RC т- постоянная времени, определяется элементами времязадающей RC- цепи.

Из выражения (3) видно, что накопленная электрическая энергия в виде напряжения на конденсаторе в процессе его разряда убывает по нелинейному закону. Кроме этого, полупроводниковый терморезистор, находясь в последовательном соединении с конденсатором времязадагощей RC-цепи, имеет отрицательный температурный коэффициент (ТКС). при этом из выражения (2) видно, что ТКС изменяется по нелинейному закону зависимо от температуры. Отсюда вытекает закономерное явление, что в процессе разряда конденсатора нелинейно убывающая энергия (ток) на своем пути встречает сопротивление, величина которого тоже убывает по подобному закону (2) в зависимости от температуры. В результате этого в цепи разряда конденсатора

формируется линейно убывающий ток. Для определения общего сопротивления в процессе разряда конденсатора времязадающей RC-цепи термозависимого одновибратора использовано следующее

выражение

Rk-Rcn.+ R(Rcn+RK) Rcn + R.K

(4)

где Rop общее сопротивление в процессе разряда конденсатора;

R- сопротивление времязадающей RC- цепи (фи.г.2);

Rcn - установленное значение сопро- тивления переменного резистора;

RK - терморезистор.

При определении общего сопротивления цепи разряда конденсатора времязадающей RC-цепи обратное сопротивление дио- да в диодной цепи 6 не учитывается (берется его очень большая величина, которая по существу на величину тока разряда не влияет). Если подставить выражение (2) в выражение (4), то получим

вв

р Rj-Rcn+RCRcn + )

Кор -.------i------,-/ ,

(5)

40

Rcn + Re T

Применяя закон Ома в выражениях (3) и (5) получаем уравнение, определяющее закон изменения тока в процессе разряда конденсатора времязэдающей RC-цепи втермоза- висимом одновибраторе

раз;

0,632 Uo e

j

RC

R

op

(6)

Для практической реализации заявляе- мого изобретения необходимо выполнить

следующие наладочные условия: 1- При максимальном значении длительности выходных импульсов период их по,- вторения должен соответствовать периоду повторения запускакщих импульсов

tB Т - tn

max

(7)

где to - время восстановления заряда;

Т - период следования запускающих импульсов; . . tn max максимальная длительность, выходных импульсов..

2, Произвести расчет параметров вре- -мязадающёй RC-цепи термозависимогр од- новибратора по формуле

.tMinax RCIn2«0,7RC,(8) где R - сопротивление времязадающей RC-. цепи 5; .

С - конденсатор времязадающей RC- цепи 5,

При определении максимальной длительности выходных импульсов (ui faax) параметры диодной цепи б не учитываются и переменный резистор Rcn (фиг.2) устанавливается в нулевое значение. При этом скважность выходных импульсов должна соответствовать

Q 1,3-1,2 ; tn max

На основании принципиальной электрической схемы (фиг.2). собран зкспери- ментальный образец термозависимого одновибратора. На данном образце проведены исследовательские работы для снятия выходных характеристик определяющих линейность изменения длительности выходных импульсов в зависимости от температур bitn f (Т°С) контролируемого объекта (КО) в диапазоне температур от 0° до +125°С. Измерение температуры контролируемого объекта производится через каждые 2°С, Запускающие Импульсы на входе термозависимого одновибратора имеют длительность 2,5 мкс, а частота следования указана в таблице.

С изменением частоты запускающего им-. пульса на новое значение соответственно подбираются новые параметры времяза10 дающей RC-цепи, при этом учитываются вышеуказанные наладочные условия. Для определения зоны термочувствительности термозависимого одновибратора исследовательские работы проведены в двух вари15 антах с использованием разных номиналов полупроводникового терморезистора. В первом варианте использован ПТР ММТ-1, величина номинала 100 кОм. Во втором варианте использован ПТР ММТ-1,- вели20 . чина номинала 200 кОм. Все данные, относящиеся к характеристикам терморезистора, сведены в таблицу 1, Каждый вариант рассмотрен отдельно, терморезистор вмонти-. рован в контрольный объект и удален от

25 схемы. Связь со схемой произведена с помощью экранированных проводов. В первом варианте данные, полученные в результате проведенных исследовательских работ, занесены в таблицу, на основа30 нии этих данных построены выходные температурные характеристики при .Гц; при F 1 кГц; при F 10 кГц. Анализируя полученные графики, можно условно разделить их на три участка: первый - начальный

35 нелинейный участок при температуре от О до +10°С; второй - средний линейный участок при температуре от +10 до +70°С; третий - конечный нелинейный участок при температуре от +70 до +125°С. График при

40 F 10 кГц отличается тем, что линейный участок более расширен (от +10°С до +90°С), однако имеет небольшую погрешность по сравнению с прямой, проведенной между точками А, Б, С. Из полученных результатов

45 определим чувствительность (крутизну) термозависимого одновибратора. С увеличением частоты запускающего импульса чувствительность ухудшается. Для линейного участка кривых чувствительность 5Ш

50 100 мкс/Т°С при частоте F 10б Гц, а при

частоте F 1 кГц чувствительность Зш

8 мкс/Т°С. Во втором варианте в результа те проведенных исследовательских работ

полученныеданныезанесены втаблицуи на

55 основании этих данных построены выходные температурные характеристики в виде графиков при F 100 Гц, при F 1 кГц, при F 10 кГц. Графики в диапазоне температур от 10°С до 125°С имеют одинаковый вид и близки к линейной форме. Для определения

погрешности графика по кривой выходной характеристики проведем прямую линию, пересекающую ее в трех точках А, Б, С, При этом наблюдается, что в температурном диапазоне от 10°С до 65°С погрешность имеет небольшое допустимое отрицательное значение, а в температурном диапазоне от 65 до 125°С погрешность имеет небольшое допустимое положительное значение. Таким образом, при суммировании положитель- ных и отрицательных погрешностей для диапазона температур от 10 до 125°С получаем погрешность, приблизительно равную нулю. Чувствительность (крутизна) во втором варианте на линейном участке гра- фиков при диапазоне температур от 10 до 125°С 5ш 50 мкс/Т°С при частоте F ТОО Гц, а при частоте F 1 кГц чувствительность 5ш 5мкс/Т°С. ...;;

Проведенные исследовательские рабо- ты в двух вариантах на базе экспериментального образца подтверждают работоспособность термозависимого .одновибра- тора в широком диапазоне температур. При этом входные характеристики Ги ffT°C) со- храняют свою линейность и высокую чувст- .вительность.

В заявляемом изобретении приобретенной качественно новой функциональной возможностью является изменение дли- тельности выходных импульсов (tvi) пропорционально величине температуры. Такое пропорциональное изменение длительности .выходных импульсов присуще широт-

Фиг. i

но-импульсным модуляторам (ШИМ), являющимся разновидностью импульсных преобразователей. При изменении температурных параметров различных объектов во многих случаях необходимо иметь импульсные преобразователи с высокой точностью, линейностью и быстродействием, несложным конструктивным исполнением и низкой стоимостью. Предлагаемое изобретение - термозависимый одновибратор удовлетворяет выше изложенным требованиям и может успешно конкурировать с аналогами и прототипами.

Формула изобретен и я Термозависимый одновибратор. содержащий логический элемент ИЛИ-НЕ, один из входов которого соединен с шиной запуска, формирующий каскад на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, в цепь базы которого включена времязадаю- щая RC-цепь, а коллектор соединен с выходной шиной и с другим входом логического элемента ИЛИ-НЕ, отличающийся тем, что, с целью расширения области при- менения за счет обеспечения получения выходных импульсов, линейно изменяющихся по длительности в зависимости от температуры, в него введены параллельно соединенные диод, переменный резистор и полупроводниковый терморезистор, подключенные со стороны катода к конденсате-: ру цепи, а со стороны анода диода - к выходу логического элемента. ЙЛЙ-НЕ,

Фиг.I