Устройство для регулирования температуры

 

Изобретение относится к автоматическому регулированию при поддержании заданной температуры в промышленных и бытовых объектах, позволяет повысить точность регулирования температуры, исключить сетевые и радиопомехи и упростить схемное решение устройства для регулирования температуры. Устройство содержит генератор 1 импульсов, измерительный мост 2, регистрирующий блок 3, силовой элемент 4, индикатор 5 нагрева и нагрузку 6. Стабилитрон 10, резистор 9 и транзистор 8 формируют импульсы с частотой 100 Гц, синхронизируемые питающей сетью при переходе синусоиды через ноль. 2 ил.

Изобретение относится к автоматическому регулированию и может быть использовано для поддержания температуры как в промышленных, бытовых объектах, так и в электромеханических системах, зависимых от температуры.

Известен регулятор температуры, содержащий датчик и задатчик температуры, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами дифференциального усилителя, компаратор, выход которого соединен с входом исполнительного элемента, инвертирующий усилитель, аналоговый мультиплексор и блок интегрирования, причем выход дифференциального усилителя соединен с первыми входами компаратора и аналогового мультиплексора, а также с входом инвертирующего усилителя, выход которого соединен с вторым входом аналогового мультиплексора, выход которого через блок интегрирования соединен с вторым входом компаратора, выход которого соединен с управляющим входом аналогового мультиплексора [1].

Известно устройство для регулирования температуры, содержащее последовательно соединенные задатчик температуры, регулятор и исполнительный блок, термоэлектрический преобразователь, подключенный одним выводом через первый вход коммутатора к входу измерительного преобразователя, блок ручного задания установки регулирования, подключенный выводом к второму входу регулятора, третий вход которого соединен с выходом измерительного преобразователя и входом двухуровневого компаратора, одновибратор и источник опорного напряжения, при этом вход одновибратора подключен к выходу двухуровневого компаратора, соединенному с входом запуска блока ручного задания установки регулирования, а выход - к управляющему входу коммутатора, второй вход которого соединен с первым выводом источника опорного напряжения, второй вывод которого соединен с вторым выводом термоэлектрического преобразователя общей шиной [2].

Недостатками известных устройств являются низкая надежность и недостаточная точность поддержания температуры, обусловленные наличием сложных конструктивных и схемотехнических решений. Кроме того, такие устройства являются источниками сетевых и радиопомех из-за отсутствия синхронизации исполнительного силового элемента сетевым напряжением.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для регулирования температуры, содержащее первый и второй тиристоры, соединенные встречно-параллельно и включенные последовательно с нагрузочным элементом в сеть переменного тока, мостовой выпрямитель, генератор импульсов с терморезистором, в цепи запуска развязывающие диоды, гасящие резисторы, третий и четвертый тиристоры, причем мостовой выпрямитель подключен входной диагональю параллельно первому и второму тиристорам, а выходной диагональю - к входу питания и общей шине генератора импульсов, при этом выход генератора импульсов через развязывающие диоды подключен к управляющим электродам первого и второго тиристоров, катоды которых соединены с анодами соответственно третьего и четвертого тиристоров, связанных катодами с общей шиной генератора импульсов, а аноды первого и второго тиристоров через гасящие резисторы связаны с управляющими электродами соответственно третьего и четвертого тиристоров.

В устройстве-прототипе синхронизация сетевым напряжением происходит последовательно, сначала открывается третий тиристор и через определенный промежуток времени на управляющий электрод первого тиристора приходит управляющий импульс тока с генератора, что и приводит к неполной отдаче мощности, поскольку происходит затяжка во времени включения первого силового тиристора. Аналогичный процесс происходит и со вторым силовым тиристором. В результате полуволны переменного напряжения имеется угол отсечки, что создает сетевую и радиопомехи.

Кроме того, это устройство имеет низкую точность регулирования температуры, обусловленную изменением напряжения питания генератора импульсов, поскольку напряжение на входной диагонали мостового выпрямителя при закрытых и открытых первом и втором тиристорах изменяется от 200 В до 2 В.

При этом, наличие в схеме первого и второго тиристоров, соединенных встречно-параллельно, приводит к необходимости использования двух раздельных радиаторов для рассеивания большой мощности, и, тем самым, увеличивает габариты устройства.

Целью изобретения является повышение точности регулирования температуры, исключение сетевых и радиопомех и повышение надежности за счет упрощения схемотехнического решения и конструкции устройства.

Для этого, устройство для регулирования температуры, содержащее силовой элемент, мостовой выпрямитель, генератор импульсов и датчик, снабжено измерительным мостом, регулирующим устройством, выполненным на двух транзисторах и тиристорном оптроне, вторым мостовым выпрямителем и выполненным на светодиоде индикатором нагрева, при этом силовой элемент выполнен на симисторе, генератор импульсов - на транзисторе, база которого соединена с одним выводом базового резистора, анодом разделительного диода, катодом стабилитрона и с положительным выводом первого мостового выпрямителя, один входной вывод первого выпрямителя через два последовательно соединенных резистора и другой его входной вывод подключены к первой и второй клеммам сети переменного тока, другой выходной вывод первого выпрямителя, анод стабилитрона и второй вывод базового резистора генератора импульсов соединены с общей шиной, эмиттер транзистора генератора импульсов соединен с катодом разделительного диода, с положительным выводом конденсатора и с эмиттером второго транзистора регистрирующего устройства, база которого соединена с коллектором первого транзистора регистрирующего устройства, а эмиттер и база последнего соединены с выходом измерительного моста, в противоположные плечи которого включены два терморезистора, а в другие два противоположные плеча - образцовый резистор и задатчик, вход измерительного моста соединен с коллектором транзистора генератора импульсов, коллектор второго транзистора регистрирующего устройства через ограничивающий резистор соединен с входом тиристорного оптрона, выход тиристорного оптрона включен в диагональ второго мостового выпрямителя, один входной вывод которого соединен с анодом симистора, с одним выводом нагрузки, катодом светодиода индикатора нагрева и включенным встречно-параллельно светодиоду анодом защитного диода, катод которого через ограничивающий резистор соединен с другим выводом нагрузки и подключен к первой клемме питающей сети, а другой входной вывод второго мостового выпрямителя соединен с управляющим электродом симистора, катод которого соединен с второй клеммой питающей сети.

Выполнение в устройстве генератора импульсов на транзисторе, база которого соединена с катодом стабилитрона и резистором, а питание на базу транзистора подается от первого мостового выпрямителя, создает условие для открытия транзистора генератора импульсов в момент перехода синусоидального напряжения сети через ноль, что позволяет открывать силовой элемент, питающий нагрузку, в момент минимального нарастания амплитуды синусоидального силового напряжения, следовательно, на нагрузке создается синусоидальное напряжение и, тем самым, полностью исключается образование сетевых и радиопомех.

Наличие в устройстве измерительного моста, вход которого подключен к коллектору транзистора генератора импульсов, при этом в противоположные плечи моста включены два терморезистора, а в другие два противоположные плеча - образцовый резистор и задатчик температуры, позволяет существенно снизить рассеиваемую мощность на терморезисторах и, следовательно, уменьшить погрешность измерения.

Использование измерительного моста с двумя терморезисторами в противоположных плечах приводит к удваиванию величины рассогласования, что обеспечивает повышение точности измерения температуры объекта.

Наличие в устройстве регулирования температуры регистрирующего устройства, выполненного на двух транзисторах и тиристорном оптроне, а также второго мостового выпрямителя, обеспечивает достаточный коэффициент усиления регистрирующего устройства для создания номинального тока управления силовым симистором, что позволяет полностью отдавать мощность в нагрузку, а также исключить влияние силовой части на измерительную часть терморегулятора и, следовательно, обеспечить повышение точности регулирования.

Применение в устройстве регулирования температуры пяти активных элементов: генератора на одном транзисторе, регистрирующего устройства на двух транзисторах и оптроне, силового элемента на симисторе позволило упростить схему устройства, его конструкцию, а также снизить требования к применяемым комплектирующим изделиям и значительно повысить надежность работы устройства.

На фиг. 1 изображена принципиальная электрическая схема устройства; на фиг.2 - диаграммы работы терморегулятора.

Предлагаемое устройство для регулирования температуры содержит генератор 1 импульсов, измерительный мост 2, регистрирующий (управляющий) блок 3, силовой элемент (симистор) 4, индикатор 5 нагрева, нагрузку 6, первый мостовой выпрямитель 7, при этом генератор 1 импульсов состоит из транзистора 8, база которого соединена с резистором 9, катодом стабилитрона 10, положительным выходом мостового диодного выпрямителя 7 и анодом разделительного диода 11. Эмиттер транзистора 8 соединен с катодом разделительного диода 11 и с плюсом конденсатора 12. Отрицательный выход мостового диодного выпрямителя 7 соединен с анодом стабилитрона 10, резистором 9, с минусом конденсатора 12, образуя общую шину измерительной части терморегулятора.

Таким образом, питание осуществлено от мостового выпрямителя 7, который переменной диагональю через ограничивающие резисторы 13 и 14 подключен к клеммам 15 и 16 питания переменной сети 220 В, 50 Гц.

Коллекторной нагрузкой генератора 1 импульсов является измерительный мост 2, питающая диагональ которого подключена к общей шине. В противоположные плечи моста 2 включены терморезисторы 17 и 18, а в два других плеча соответственно включены образцовый резистор 19 и задатчики температуры: грубый - резистор 20 и точный - резистор 21. Диагональ моста 2 с точками Э и Б является измерительной. Регистрирующий блок 3 состоит из первого входного транзистора 22, который эмиттер-базовым переходом подключен в измерительную диагональ моста 2. Коллектор транзистора 22 соединен с базой второго транзистора 23, эмиттер которого соединен с плюсом конденсатора 12. Коллектор транзистора 23 через ограничивающий резистор 24 соединен с входом тиристорного оптрона 26. Резистор 25, включенный между коллектором транзистора 23 и базой транзистора 22, образует обратную связь. Этим заканчивается измерительная и регистрирующая часть устройства для регулирования температуры. Силовой элемент 4 выполнен на симисторе 27, в управляющую цепь которого включен выход второго мостового выпрямителя 28. Одним входом переменной диагонали мостовой выпрямитель 28 подключен к аноду симистора 27, а вторым - к управляющему электроду симистора 27. В положительную диагональ мостового выпрямителя 28 включена выходная часть тиристорного оптрона 26, соответственно анодом к плюсу и катодом к минусу. Катод симистора 27 соединен с питающей клеммой 16, а анод - с нагрузкой 6, второй конец нагрузки 6 соединен с питающей клеммой 15.

Индикатор 5 нагрева состоит из светодиода 29, катод которого соединен с анодом симистора 27, а встречно-параллельно светодиоду 29 подключен защитный диод 30, катод которого через резистор (ограничивающий) 31 подсоединен к клемме 15.

Устройство работает следующим образом.

Входное синусоидальное напряжение сети, ограниченное по току резисторами 13 и 14 и выпрямленное первым мостовым выпрямителем 7, ограничивается по напряжению стабилитроном 10 и подается в базу транзистора 8 (фиг.2б). Трапецеидальные импульсы через разделительный диод 11 заряжают конденсатор 12, который является источником питания для измерительной и регистрирующей частей схемы. В момент существования трапецеидального импульса транзистор 8 закрыт, и только, когда трапецеидальный импульс спадает до нуля, возникает базовый ток транзистора 8, который открывается на короткий промежуток времени (фиг. 2в). Этими импульсами запитан измерительный мост 2. Короткие импульсы тока протекают по двум ветвям измерительного моста через резисторы 20 и 21 и терморезистор 18, а также через терморезистор 17 и резистор 19. В измерительной диагонали моста Б/Э относительно общей шины происходит падение напряжения. Терморезисторы 17 и 18 находятся в зоне контроля температуры, и когда задатчик, выполненный на резисторах 20 и 21, выставлен так, что падение напряжения на терморезисторе 18 больше, чем падение напряжения на резисторе 19, тогда температура объекта регулирования ниже заданной, при этом потенциал базы выше потенциала эмиттера и транзистор 22 открывается. Возникает ток базы транзистора 23, который протекает по цепочке: плюс конденсатора 12 - эмиттер-база транзистора 23 - коллектор-эмиттер транзистора 22 - резистор 19 - минус конденсатора 12. Открывается транзистор 23 и через резистор 25 обратной связи происходит лавинообразное открывание транзистора 22.

Коллекторный ток транзистора 23 протекает через ограничивающий резистор 24 и входную часть тиристорного оптрона 26 (фиг.2г). В положительную диагональ второго мостового выпрямителя 28 включена часть тиристорного оптрона 26, которая открывается в соответствии с входной частью (фиг.2д).

Через управляющий электрод симистора 27 протекает ток в фазе, соответствующей приложенному сетевому напряжению (фиг.2е). В результате открывается симистор 27 и подключается нагрузка 6 к клемме 15 питающего напряжения сети.

Ток протекает: входная клемма 15 - нагрузка 6 - симистор 27 - входная клемма 16 (фиг.2ж).

Происходит нагрев объекта регулирования. Падение напряжения на нагрузке 6 создает ток через ограничивающий резистор 31 и светодиод 29, который индицирует о том, что идет нагрев.

При нагреве объекта регулирования терморезисторы уменьшают свое сопротивление, при этом уменьшается падение напряжения на терморезисторе 18 и увеличивается - на резисторе 19. Потенциал эмиттера транзистора 22 становится выше потенциала базы, транзистор 22 закрывается, следовательно, не открывается транзистор 23, и через входную часть тиристорного оптрона 26 не протекает ток и его выходная часть не открывается (фиг.2г,е). При этом нет импульсов управления на упpавляющем электроде симистора 27 (фиг.2е), следовательно, симистор 27 закрыт, нагрузка 6 обесточена, и через светодиод 29 не протекает ток. Светодиод не светится, индицируя, что температура объекта регулирования достигла заданной.

Таким образом, предлагаемое схемное решение устройства для регулирования температуры обеспечивает высокую (до ±0,3^о С) точность поддержания температуры при одновременном повышении надежности управления температурным режимом обработки изделий, что приводит к существенному повышению качества продукции, требующей стабилизированного температурного режима.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее датчик температуры, первый мостовой выпрямитель, генератор импульсов, силовой элемент и нагрузку, отличающееся тем, что устройство снабжено регистрирующим блоком, выполненным на двух транзисторах, двух резисторах и тиристорном оптроне, вторым мостовым выпрямителем и выполненным на светодиоде, защитном диоде и резисторе индикатором нагрева, при этом силовой элемент выполнен в виде симистора, датчик температуры выполнен в виде измерительного моста, в два противоположных плеча которого включены терморезисторы, а в другие два противоположных плеча - соответственно образцовый резистор и задатчик, а генератор импульсов выполнен на транзисторе, базовом резисторе, разделительном диоде, стабилитроне, конденсаторе, первом мостовом выпрямителе и двух резисторах, причем база транзистора генератора импульсов соединена с одним выводом базового резистора, анодом разделительного диода, катодом стабилитрона и с положительным выводом первого мостового выпрямителя, один входной вывод первого мостового выпрямителя через два последовательно соединенных резистора, а другой его входной вывод непосредственно подключены к первой и второй клеммам сети переменного тока, другой выходной вывод первого мостового выпрямителя, анод стабилитрона, соответствующий вывод конденсатора и второй вывод базового резистора генератора импульсов объединены с общей шиной, эммитер транзистора генератора импульсов соединен с катодом разделительного диода, с положительным выводом конденсатора и эмиттером второго транзистора регистрирующего блока, база которого соединена с коллектором первого транзистора регистрирующего блока, а эмиттер и база последнего соединены с выходом измерительного моста, вход измерительного моста соединен с коллектором транзистора генератора импульсов, коллектор второго транзистора регистрирующего блока через первый резистор соединен с базой первого транзистора регистрирующего блока, а через второй резистор - с входом тиристорного оптрона, выход тиристорного оптрона включен в диагональ второго мостового выпрямителя, один входной вывод которого соединен с анодом симистора, с одним выводом нагрузки, катодом светодиода индикатора нагрева и анодом включенного встречно параллельно светодиоду защитного диода, катод которого через резистор соединен с другим выводом нагрузки и подключен к первой клемме питающей сети, а другой входной вывод второго мостового выпрямителя соединен с управляющим электродом симистора, катод которого соединен с второй клеммой питающей сети.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2