Регулятор температуры

 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в термостатированных кварцевых генераторах. Цель изобретения - повышение точности работы регулятора температуры за счет устранения зоны нечувствительности при сохранении симметричных напряжений постоянного питания моста при изменении температуры окружающей среды. Регулятор температуры содержит термочувствительный мост 1, усилитель 2, нагреватель 3, потенциометр 4, дифференциальный усилитель 5, повторитель 6 напряжения. Наличие дифференциального усилителя и повторителя напряжения и их связи между собой и с остальными элементами схемы позволили устранить зону нечувствительности при сохранении симметричного напряжения питания моста и тем самым повысить точность работы регулятора. 2 ил.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в термостатированных кварцевых генераторах и в других устройствах, где необходимо обеспечить высокую точность поддержания температуры.

Известен регулятор температуры, содержащий последовательно соединенные термочувствительный мост, усилитель и нагреватель [1].

Недостатком известного регулятора является то, что в нем не предусмотрена возможность регулировки величины термокомпенсации.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому техническому решению является регулятор температуры, содержащий последовательно соединенные термочувствительный мост, усилитель и нагреватель, подключенный к крайним выводам потенциометра, средний вывод которого подключен к базе транзистора, установленного в диагональ питания моста [2] . В известном регуляторе предусмотрена регулировка величины термокомпенсации за счет регулирования степени самопрогрева термодатчика и обеспечивается симметричное напряжение питания моста при изменении температуры окружающей среды, что позволяет повысить точность работы регулятора.

Недостатком известного регулятора температуры является наличие зоны нечувствительности термокомпенсации, в пределах которой термокомпенсация не действует. Действительно до тех пор, пока потенциал среднего вывода потенциометра не достигнет величины напряжения U_бэо отпирания транзистора (примерно 0,5-0,7 В), напряжение питания термочувствительного моста практически не изменится, т.е. термокомпенсация не "включится". В действительности потенциал среднего вывода потенциометра должен стать еще выше (т.е. выше напряжения U_бэо), так как всегда имеется некоторое падение напряжения U_э на эмиттерном резисторе транзистора за счет протекания тока моста. Итак, к зоне нечувствительности термокомпенсации относятся напряжения U на среднем выводе потенциометра, удовлетворяющие неравенству U<U+U_э. Оценим погрешность, возникающую из-за наличия зоны нечувствительности, на конкретном примере. Пусть для осуществления термокомпенсации в некотором диапазоне температур окружающей среды требуется изменить напряжение питания термочувствительного моста (напряжение U_кэ транзистора) на 3 В. Так как напряжение питания моста симметричное, это значит, что потенциал эмиттера транзистора в заданном диапазоне изменения температуры окружающей среды должен измениться на 1,5 В. Отсюда следует, что даже в лучшем случае (U_бэо ≈ 0,5 В, U_э ≈ 0 В) термокомпенсация не действует примерно на одной трети диапазона изменения температуры окружающей среды. Вообще чем меньшее изменение напряжения питания моста требуется для осуществления термокомпенсации в известном регуляторе, тем на большей части диапазона изменения температуры окружающей среды термокомпенсация не действует и наоборот. Таким образом, наличие зоны нечувствительности в известном регуляторе ограничивает точность его работы.

Целью изобретения является повышение точности работы регулятора температуры за счет устранения зоны нечувствительности при сохранении симметричного напряжения питания моста при изменении температуры окружающей среды.

На фиг. 1 представлена функциональная схема регулятора температуры; на фиг. 2 показан пример конкретного выполнения регулятора.

Регулятор температуры (фиг. 1) содержит последовательно соединенные термочувствительный мост 1, усилитель 2 и нагреватель 3, подключенный к крайним выводам потенциометра 4, дифференциальный усилитель 5, между выходом и одним из входов которого включена термозависимая ветвь термочувствительного моста 1, а другой вход соединен с точкой соединения плеч его термонезависимой ветви, и повторитель 6 напряжения, включенный между средней точкой потенциометра 4 и тем входом дифференциального усилителя 5, с которым соединена термозависимая ветвь термочувствительного моста 1. Термочувствительный мост 1, термонезависимая ветвь которого включена между выходной клеммой источника питания U_n и общей шиной, состоит из резисторов 7, 8 и 9 и датчика 10 температуры.

Регулятор температуры работает следующим образом.

Разностный сигнал с измерительной диагонали термочувствительного моста 1 поступает на усилитель 2 и далее на нагреватель 3, управляя выделяемой в нем мощностью. Нагреватель 3 имеет обратную тепловую связь с термочувствительным мостом 1 (на фигурах не показана). Напряжение с нагревателя 3 поступает на крайние выводы потенциометра 4, а на его среднем выводе имеется при этом потенциал ϕ , равный части этого напряжения. Дифференциальный усилитель 5 и повторитель 6 напряжения обеспечивают выполнение условия ϕ₁+ϕ₂ = const, где ϕ₁,ϕ₂ - потенциалы крайних выводов термозависимой ветви термочувствительного моста 1, т.е. обеспечивают симметричное напряжение питания термочувствительного моста 1 при изменении температуры окружающей среды, а также при регулировке степени термокомпенсаци. Действительно потенциал ϕ среднего вывода потенциометра 4 через повторитель 6 напряжения подается на один из входов дифференциального усилителя 5, другой вход которого имеет потенциал, приблизительно равный (сопротивления резисторов 7 и 8 термочувствительного моста 1 предполагаются примерно равными). На выходе дифференциального усилителя 5 легко получается напряжение U_вых= 2 - ϕ = U_п-ϕ. По- тенциалы крайних выводов термозависимой ветви термочувствительного моста 1 оказываются при этом равными U_вых = U_n- ϕ и ϕ соответственно (т. е. устраняется зона нечувствительности), а сумма потенциалов U_вых + ϕ = U_n- ϕ + ϕ= U_n = const не зависит от изменения температуры окружающей среды, а также от регулировки степени термокомпенсации, осуществляемой потенциометром 4. Поскольку напряжение источника питания U_n также не зависит от указанных факторов, имеет место симметричное питание термочувствительного моста 1 (т.е. выполняется условие постоянства суммы потенциалов крайних выводов для каждой из ветвей моста). За счет этого так же, как и в прототипе, обеспечивается практически неизменное постоянное смещение на входах усилителя 2 при регулировке степени термокомпенсации и при изменении температуры окружающей среды и поддерживается неизменным режим работы усилителя 2. Так же, как и в прототипе, термокомпенсация осуществляется за счет изменения степени самопрогрева датчика 10 температуры и регулируется потенциометром 4. Регулятор температуры может быть выполнен, например, как это показано на фиг. 2. Термочувствительный мост 1 выполнен на резисторах 7, 8 и 9 и датчике 10 температуры в виде терморезистора. Нагреватель 3 выполнен в виде проволочной обмотки (или резистивной пленки) 11, дифференциальный усилитель 5 выполнен на операционном усилителе 12 и резисторах 13 и 14, повторитель 6 напряжения - на операционном усилителе 15. Сопротивления резисторов 13 и 14 выбираются равными, чтобы обеспечить U_вых= 2 - ϕ .

В отличие от прототипа заявляемый регулятор температуры не имеет зоны нечувствительности, так как повторитель 6 напряжения воспроизводит на своем выходе практически любое напряжение, снимаемое со среднего вывода потенциометра 4, в том числе и напряжения, лежащие в пределах зоны нечувствительности прототипа (примерно от 0 до 0,5-1 В). Ток моста, который в прототипе влиял на верхнюю границу зоны нечувствительности (через U_э), в заявляемом регуляторе в этом смысле тоже совершенно не критичен, так как, как было уже отмечено выше, на выходе повторителя 6 напряжения воспроизводится напряжение, снимаемое со среднего вывода потенциометра 4, и практически только оно может изменить состояние выхода повторителя. Таким образом, введение в регулятор дифференциального усилителя и повторителя напряжения и их связи между собой и остальными элементами схемы позволили устранить зону нечувствительности при сохранении симметричного напряжения питания моста и тем самым повысить точность работы регулятора. Применительно к термостатированным кварцевым генераторам заявляемый регулятор температуры позволяет уменьшить температурную нестабильность частоты кварцевого генератора при изменении температуры окружающей среды в широких пределах.

Формула изобретения

РЕГУЛЯТОР ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащий последовательно соединенные термочувствительный мост, усилитель и нагреватель, к выходу которого подключен вход потенциометра обратной связи, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, он содержит последовательно соединенные повторитель напряжения и блок вычитания, соединенный входом через термозависимую ветвь термочувствительного моста со своим выходом, другой вход блока вычитания соединен со средним выводом термонезависимой ветви моста.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2