Устройство для регулирования температуры

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее последовательно соединенные термочувствительный мост, дифференциальный усилитель постоянного тока, усилитель мощности , выход которого соединен с эмиттером однопереходного транзистора, выполняющего функции элемента сравнения , причем первая база однопереходного транзистора через первый резистор соединена с базой транзистора формирователя сигнала управления силовыми тиристорами, включенными последовательно с нагревателем в цепьпеременного тока, а вторая база через второй резистор - с плюсовой шиной питания, а также мостовой выпрямитель , стабилизаторы положительного и отрицательного напряжения, транзисторный ключ, через который выход стабилизатора положительного напряжения соединен с плюсовой шиной питания, и каскад следящей обратной сбязи, состоящий из маломощного ти:ристора ,делителя напряжения со сглаживающим фильтром и индикатора среднего значения напряжения на нагревателе , о т Л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности устройства , катод маломощного тиристора связан через разделительный конденсатор с коллектором транзистора формирователя сигнала управления силовыми тиристорами и через диод - с отрицательным полюсом мостового выпрямителя , к которому через третий резистор подключен управляющий элект- , род маломощного тиристора, анод ко- ) торого через делитель напряжения и сглаживающий фильтр подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителяи через индикатор среднего значения напряжения на нагревателе - к общей шине, а через четвертый резистор - к управляющему входу транзисторного ключа, .связанному через пятый резистор с положительным полюсом мостового выпрямителя , а через шестой резистор - с вы-. ходом стабилизатора отрицательного напряжения, состоящего из последовательно соединенных стабилитрона, диода и шестого резистора, причем точка соединения седьмого резистора и диода соединена с .первой базой одноп реходного транзистора.

(19) (И)!

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

Д(5)) : G 05 D 23/24

Й. щ

1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ "" :-К ASTOPGHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3385760/18-24 (22) 27.01.82 (46) 23.06.83. Бюл. в 23 (72) В.С. Залкин, A.Á. Липатов и В.В. Лошкарев (71) Всесоюзный научно-исследовательский и конструкторский институт хроматографии (53) 621 ° 555.6(088.8) (56) 1. Патент CIOA Р 3159737,( кл. 219-501, опублик. 1972.

2. Авторское свидетельство СССР.

9 824158, кл. G 05 D 23/24 1979 (прототип). (54)(57) усТРОЙСТВО ЛЛя PEryBHPOBiHHS

ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее последовательно соединенные термочувствительный мост, дифференциальный усилитель постоянного тока, усилитель мощности, выход которого соединен с эмиттером однопереходного транзистора выполняющего функции элемента сравнения, причем первая база однопереходного транзистора .через первый резистор соединена с базой транзистора формирователя сигнала управления силовыми тиристорами, включенныки последовательно с нагревателем в цепь переменного тока, а вторая база через второй резистор - c плюсовой шиной питания, а также мостовой выпрямитель, стабилизаторы положительного и отрицательного напряжения, транзисторный ключ, через который выход стабилизатора положительного напряжения соединен с плюсовой шиной питания, и каскад следящей обратной связи, состоящий из маломощного ти:ристора,делителя напряжения со сглаживающим фильтром и индикатора среднего значения напряжения на нагревателе, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности уст. ройства, катод маломощного тиристора связан через разделительный конденсатор с коллектором транзистора формирователя сигнала управления силовыми тиристорами и через диод - с от« рицательным полюсом мостового выпрямителя, к которому через третий резистор подключен управляющий электрод маломощного тиристора, анод ко- Я торого через делитель напряжения и сглаживающий фильтр подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя и через индикатор среднего значения напряжения на нагревателе - к общей шине, а через Я четвертый резистор - к управляющему входу транзисторного ключа, .связанному через пятый резистор с положи-тельным полюсом мостового выпрямителя, а через шестой резистор — c выходом стабилизатора отрицательного напряжения, состоящего из последовательно соединенных стабилитрона, диода и шестого резистора, причем точка соединения седьмого резистора и диода соединена с .первой базой однопареходного транзистора.

1024891

Изобретение относится к устройствам, регулируюцим температуру различных объектов путем автоматического управления электрической моцностью, подводимой к нагревателю.

Известны регуляторы температуры, 5 используемые, например, в хроматографических анализаторах )lg .

Однако эти регуляторы сложны по конструкции и обладают невысокой точностью. 10

НаиболЕе близким к изобретению по технической сущности является регулятор, содержаций последовательно соединенные термочувствительный мост, усилитель постоянного тока, усили- 15 тель моцности, элемент сравнения, формирователь сигнала управления тиристорами и тиристорный регулирующий элемент, через который к источнику переменного напряжения подключен нагреватель, а также мостовой выпрямитель, параметрический стабилизатор напряжения и нелинейный опорный делитель, через который подводится питание к элементу сРавнения. Наличие такого делителя позволяет повысить точность поддержания заданной температуры за счет частичной компенсации влияния колебаний напряжения питающей сети P2) .

Недостатком данного устройства является большой разброс характеристик варисторов, входящих в состав нелинейного опорного делителя, что вынуждает вводить в делитель элемент регулировки - подстроечный резистор. 35

Наличие этого элемента снижает надежность устройства, усложняет настройку и повышает ее трудоемкость. Кроме того, форма характеристики варистора не позволяет добиться полной 40 компенсации, в результате чего влияние колебаний напряжения питания лишь ослабляется, но не устраняется полностью. В этом устройстве не устраняется также влияние других деста- 45

„ билиэирующих факторов, в частности дрейфа усилителя постоянного тока.

Первая база однопереходного .транзистора элемента сравнения соединена непосредственно с базой транзистора формирователя сигнала управления тиристорами, причем эмиттерный переход этого транзистора зашунтирован резистором. Этот резистор не может быть высокоомным .во.избежание отпирания .транзистора формирователя междубазовьвю током запертого однопереходного транзистора. В то же время малое значение сопротивления этого резистора ограничивает мощность и длительность импульсов на вы-60 ходе формирователя, которые, в ряде случаев могут оказаться недостаточнъвеи для управления мощными тиристорами. Питание элемента сравнения осуществляется от параметрического 65 стабилизатора напряжения и выпрямительного моста напряжением трапецеи-. дальной формы, что ограничивает динамический диапазон регулирования (отношение максимального напряжения на нагревателе к .минимальному в линейной области характеристики).

Кроме того, при больших углах открытия ток эмиттера однопереходногр транзистора может оказаться больше тока удержания. При этом однопереходной транзистор остается открытым до конца полупериода, останется открытым также полностью или, что еще хуже - частично транзистор формирователя сигнала управления тиристорами, что может вызвать его недопустимую перегрузку по моцности, Целью изобретения является повышение точности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для регулирования температуры, содержащем последовательно соединенные термочувствительный мост, дифференциальный усилитель постоянного тока, усилитель моцности, выход которого соединен с эмиттером однопереходного транзистора, выполняющего функции элемента сравнения, причем первая база одно- . переходного транзистора через первый резистор соединена с базой транзистора формирователя сигнала управления силовыми тиристорами, включенными последовательно с нагревателем в цепь переменного тока, а вторая база через второй резистор - с плюсовой шиной питания, а также мостовой выпрямитель, стабилизаторы положительного и отрицательного напряжения, транзисторный клюЧ, через который выход стабилизатора йоложительного напряжейия соединен с плюсовой шиной питания, и каскад следящей обратной связи, состоящий из маломощного тиристора, делителя напряжения со сглаживающим фильтром и индикатора среднего значения напряжения на нагревателе, катод маломощного тиристора связан через разделительный конденсатор с коллектором транзистора формирователя сигнала управления силовымн тиристорами и через диод - с отрицательным полюсом мостового выпрямителя, к которому.через третий резистор подключен управляющий электрод маломощного тйристора, анод которого через делитель напряжения и сглаживаюций фильтр подключен к не инвертирующему входу дифференциального усилителя и через индмкатор среднего значения на нагре@ателек общей шине, а через четвертый реэистор - к уйравляющему входу тран- зисторного ключа, связанному через пятый резистор с положительнйм полю ° сом мостового выпрямителя, а через шестой резистор - с выходом стабили

1024891

10 затора отрицательного напряжения, состоящего из последовательно соединенных стабилитрона, диода и шестого ,резистора, причем точка соединения седьмого резистора и диода соединена с первой базой однопереходного транзистора.

На чертеже представлена схема устройства.

Предлагаемое устройство содержит термочувствительный мост 1, образованный задатчиками 2, термометром сопротивления 3 и двумя постоянными резисторами 4, соединен с источником постоянного напряжения 5. Измерительная диагональ термочувствительного . 15 моста через резисторы 6.и 7 подключена к входам дифференциального усилителя постоянного тока 8. Выход усилителя соединен с входом усилителя мощности, выполненным в виде эмит- 0 терного повторителя на транзисторе

9. Эмиттер этого транзистора через диод 10 соединен с конденсатором 11 и змиттером однопереходного транзистора 12, выполняющего функции элемента сравнения. Эмиттер транзистора

9, а также эмиттер и вторая база транзистора 12 соединены через резисторы 13 и 14 и второй резистор

15 с плюсовой шиной питания 16. Первая база транзистора 12 через первый резистор 17 соединена с базой транзистора 18 формирователя сигнала управления силовыми тиристорами., К коллектору этого транзистора присоединен один конец первичной обмот- З5 ки импульсного трансформатора 19.

Второй конец первичной обмотки через резистор,20 соединен с конденсатором

21, н через диод 22 - с положительным полюсом мостового выпрямителя 23.40

Вторичная обмотка импульсного транс- форматора 19 соединена с цепями управления аиловых тиристоров 24 и 25 тиристорного регулирующего элемента

26, через который к источнику пере- 45 менного .напряжения 27 подключен аагреватель 28, расположенный в термо.статируемом объеме 29, -плюсовая шина питания 16 соединейа с выходом стабилизатора положительного напряЖения 30 через транзисторный ключ 31. Управляющий вход этого транзисторного ключа через пятый резистор 32 соединен с положительньва полюсом мостового выпрямителя 23, через шестой резистор 33 - с выходом 5 стабилизатора отрицательного напря- . жения 34,.а через четвертый реаистор

35 - с анодом маломощного тиристорв

36 каскада следящей обратной .связи

37 ° Катод этого тиристора через 60 диод 38 соединен с отрицательнааа полюсом мостового выпрямителя 23, а через конденсатор 39 - с коллектором транзистора 18 формирователя сигнала управления силовыми тиристорами. gt

Управляющий электрод тиристора 36 через третий резистор 40 соединен также с отрицательным полюсом мостового выпрямителя 23, Анод тиристора 36 помимо уже упоминавшейся связи ,через резистор 35 с входом транзисторного ключа 31 соединен также с индикатором 41 среднего напряжения на нагревателе, в качестве которого

I может быть использован любой измерительный прибор, сигнальная 1ламйа и т.п., а через фильтр-делитель напряжения 42 с.одним из входов дифференциального усилителя постоянного тока 8. Стабилизатор отрицательного напряжения 34 выполнен в виде последовательно соединенных стабилитрона

43, диода 44 и седьмого резистора 45, соединенного с конденсатором 46 и через диод 47 с отрицательным полюсом мостового выпрямителя 23. При этом эмиттер транзистора 18 формирователя сигнала управления тиристорами присоединен к параметрическому стабили-затору отрицательного напряжения 34 между стабилитроном 43 и диодом 44, а первая база однопереходного транзистора 12 - между диодом 44 и седьмым гасящим резистором 45, Диагональ питания мостового выпрямителя соединена с.концами вторичной обмотки разделительного трансформатора 48, сред- няя точка этой обмотки заземлена, а первичная обмотка соединена с источником переменного напряжения 27.

Устройство работает следующим образом.

Напряжение небаланса измерительного моста 1, пропорциональное величи» не отклонения температуры объекта регулирования 29 от заданного значения, поступает через резисторы 6 и 7 на входы усилителя 8. На инвертирующий вход усилителя поступает также сигнал обратной связи от фильтра делителя 42. Таким образом, на входе усилителя действует разность сигнала небаланса измерительного моста и сигнала обратной связи. Усиленный раэностный сигнал поступает на вход усилителя мощности - базу транзисто,ра 9 . Питание усилителя мощности и схемы сравнения на однопереходном транзисторе 12 осуществляется близким к.прямоугольному напряжением,.формируемьм транзисторным ключом 31.

Величины резисторов 32 и 22 рассчитаны таким образом, что транзисторный ключ открыт в течение почти всего поб лупериода. При этом выходное напряжение стабилизатора 30 беспрепятственно проходит к плюсовой шине питания 16., усилителя мощности и элемента сравнения. В конце полупериода, когда напряжение мостового выпрямителя 23 приближается к нулю, ток через резистор 32 делается меньше, чем ток через резистор 33, оба транзистора

1024891

45 ленной величины, конденсатор ll вооб50

55 жуточных значениях напряжения выход 166 усилителя 8 мощность, выделяемая в нагревателе, функционально св яэана с этим напряжением. Благодаря высокой:.крутизне фронтов и близкой к единице скважности импульсов напряже- ц транзисторного ключа 31 запираются, и напряжение на шине 16 делается равным нулю. В это время оба перехода транзистора.9 закрыты, конденсатор 11 разряжен,поскольку зашунтирован от- крытым переходом транзистора 12. В йачале следующего полупериода, когда с ростом напряжения мостового выпрямителя 23 транзисторный ключ 31 от пирается, и на шине 16 появляется стабилизированное положительное напряжение параметрического стабилизатора 30, транзистор 9 начинает работать как эмиттерный повторитель. Переход транзистора 12 запирается через диод 10, конденсатор 11 очень быстро заряжается до напряжения, приблизительно равного напряжению на выходе усилителя 8. Дальнейший заряд конденсатора происходит экспоненциально через резистор 14. Диод

10 при этом запирается. Когда напряжение достигнет величины отпирания однопереходного .транзистора 12, происходит быстрый разряд конденсатора

11. Импульс разрядного тока через резистор 17 проходит в базу транзистора 18, усиливается им и через импульсный трансформатор 19 поступает в управляющие цепи силовых тиристоров 24 и 25 тиристорного регулирующего элемента 26. Время заряда конденсатора 11 до напряжения отпирания транзистора 12 зависит от напряжения, до которого конденсатор заряжается в канале полупериода через усилитель мощности, т.е, от напряжения на выходе усилителя 8. Если это напряжение больше напряжения отпирания транзистора 12, последний отопрется в самом .начале полупериода, как только зарядится конденсатор 11.

При этом силовые тиристоры 24 и 25 также отпираются в самом начале каждого полупериода и мощность, выделяемая в нагревателе, будет макси» мальнсй. Если напряжение на выходе усилителя 8 меньше некоторой опредеще не успевает зарядиться до напряжения отпирания транзистора 12 за время полупериода. В этом случае разряд происходит в момент исчезновения напряжения на шине 16 в конце полупериода, когда благодаря отсутствию междубазового напряжения откроется эмиттерный переход транзистора 12. Поскольку в этот момент сетевое напряжение проходит через нуль, силовые .тиристоры 24 и 25 не. отпираются, и мощность, выделяемая в нагревателе, равна нулю, В цроме10

25 ния, формируемых транзисторным клю.чом 31 на шине 16, диапазон плавно регулируемой мощности нагревателя близок к предельно возможному: от нуля и до мощности, соответствующей полному напряжению питающей сети..

В момент отпирания транзистора 12 ток разряда конденсатора 11 насыщает транзистор 18. Напряжение на его коллекторе падает от напряжения конденсатора 21 до выходного напряжения стабилизатора отрицательного напряжения 34. При этом импульс тока пере1 заряда конденсатора 39 отпирает маломощный тиристор 36 каскада следящей обратной связи. Через диод 38 катод

1 этого тиристора связан с отрицательным полюсом мостового выпрямителя 23,питаемого через трансформатор 48 от того же источника 27 переменного напряжения, что и нагреватель. Благодаря этому среднее напряжение на аноде тиристора 36 зависит от фазы управляющего импульса и от напряжения сети тсчно таким же образом,как и среднее за полупериод напряжение на нагревателе 28. Часть этого напряжения, поделенного и сглаженного фильтром-делителем 42, поступает на неинвертирующий вход усилителя 8. Таким образом, все устройство оказывается охваченным глубокой отрицательной обратной связью по величине среднего за полупериод напряжения на нагревателе, в результате чего устрой- ство непрерывно поддерживает равенство величин сигнала обратной связи на выходе фильтра-делителя 42 и небаланса измерительного моста. Поскольку,. как уже указывалось, сигнал обратной связи жестко связан с напряжением нагревателя, можно утверждать, что среднее напряжение нагревателя прямо пропорционально небалансу моста и не зависит ни от коэффициента усиления усилителя 8 и других элементов схемы, ни от напряжения сети (в пределах зоны пропорционального регулирования). Высокая линейность характеристики и полное. устранение влияния величины питающего напряже ния на напряжение нагревателя обеспечивают повышение качества и точности регулирования температуры и отсутствие колебаний температуры при скачкообразных изменениях напряжения сети.

Кроме того, наличие каскада следящей обратной связи, гальванически не связанного .с сетью, обеспечивает удобную возможность индикации среднего напряжения на нагревателе.

Стабилизатор отрицательного напряжения введен в .устройство для согласования уровней иа выходе усилителя

8 и на эмиттере транзистора 12, Наличие этого стабилизатора дает воз« можность,простым способом существенно повысить мощность и длительность

1024891 импульса в коллекторной цепи транзистора 18. Эта возможность реализуется включением между первой базой транзистора 12 и эмиттером транзистора

18 диода 44, через который в прямом направлении проходит ток стабилитрона 43. Падение напряжения порядка

0,5 В на открытом. переходе диода обеспечивает надежное запирание перехода транзистора 18. В то же время при отпирании транзистора 12 практи-. 10 чески весь заряд- конденсатора 11 по-, падает в базу транзистора 18, поскольку значецие резистора 17 много меньше .значения резистора 45. Наличие резистора 17 позволяет растянуть )5, . процесс разряда конденсатора 11 и значительно увеличить таким образом, длительность .и энергию импульсов на вторичных обмотках импульсного трансформатора 19. 20

Величина резистора 13 должна быть выбрана достаточно малой, чтобы обеспечить возможно большую скорость заряда конденсатора 11 в начале полупериода. При этом ток через резистор превышает гарантированное минималь.ное значение тока удержания транзистора 12. Это означает, что после его отпирания он может не закрыться до окончания полупериода. При этом резко возрастает средняя величина коллекторного тока транзистора 18 и мощность, рассеиваемая в транзисторе, и в резисторе 20.

Устранение перегрузки транзистора

18, связаннбе с этим повышение надеж-З5 ности и снижение энергопотребления достигаются введением резистора 35 между входом транзисторного ключа и анодом тиристора 36 вспомогательного тиристорного каскада 37. Напряжение 40 отрицательного полюса мостового выпрямителя 23 меняется во времени сим- . метрично напряжению его положительного полюса В любой момент времени эти напряжения равны по абсолютной величине и противоположны по знаку.

Величины резисторов 32 и 35 выбраны таким образом, что при отпирании тиристора 36 транзисторный ключ 31 запирается, транзисторы 9 и 12 обесточиваются, и транзистор 18 запирается.

Таким образом, путем введения глубовой отрицательной обратной связи по среднему эа полупериод напряжению на нагревателе обеспечивается полное устранение влияния колебаний питающего напряжения на величину напряжения нагревателя, что ведет к устранению колебаний температуры при резких, скачкообразных изменениях напря- жения сети и в конечном счете - к повышению точности и достоверности хроматографического. анализа.

Получаемый за счет той же отрицательной обратной связи эффект линеаризации регулировочной характеристи- ки улучшает переходные процессы и сокращает их длительность, что особенно важно при использовании предлагаемого устройства в системах программирования и температуры и приводит к тому же результату - повышению точности анализа.

Отсутствие в схеме регулировочных элементов исключает необходимость настройки и снижает тем самым трудоемкость его изготовления, что дает непосредственный экономический эффект.

Наконец, повышение мощности управляющих импульсов, расширение динамического диапазона регулирования, наличие индикатора среднего напряжения на нагрузке и защиты транзистора формирователя обеспечивают улучшение эксплуатационных характеристик предлагаемого устройства и расширение области его применения.

1024891

ВНИИПИ Заказ 4393/44 .Тираж 874 Подписное

Филиал ППП "Патент", r.Óæãîðîä, ул.Проектная, 4