Регулятор температуры

 

Изобретение используется в системе автоматической стабилизации температуры объектов, Цель изобретения - повышение точности и надежности работы регулятора температуры Регулятор температуры содержит датчик и задатчик, включенные в смежные плечи измерительного моста, задающий резистор, усилитель разбаланса моста, выполненный на операционном усилителе с резистором в цепи обратной связи и подключенный к входам измерительной диагностики моста, компаратор, коммутатор , мостовой выходной каскад, в выходную диагональ которого включена термобатарея и источник питания. В регулятор дополнительно введены семь резистивных делителей напряжения, четыре развязывающих резистора, два ключевых диода, два стабилитрона , три согласующихтранзистора, второй задающий резистор, второй компаратор, третий операционный усилитель а мостовой выходной каскад выполнен на ключевых транзисторах. 1 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 05 D 23/19

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 ! 0©

1()

Д ()

«О (21) 4903385/24 (22) 18.01,91 (46) 23.12.92, Бюл. ¹ 47 (71) Научно-исследовательский институт прикладной механики Научно-и роизводственного объединения "Ротор" (72) В.Н.Попов, И.В.Селииванов и Э.В,Попов (56) Вайнер А А. и др. Термоэлектрический термостат, Вопросы радиоэлектроники. Серия TPTO. 1975. N 1.

Авторское свидетельство СССР

N. 1019407, кл, G 05 D 23/19, 1983. (54) РЕГУЛЯТОР ТЕМПЕРАТУРЫ (57) Изобретение используется в системе автоматической стабилизации температуры объектов, Цель изобретения — повышение точности и надежности работы регулятора температуры. Регулятор температуры соИзобретение относится к автоматическому регулированию температуры, а более конкретно к установкам для получения белковых кристаллов из биокомпонентов, где требуется использование двух температурных режимов; охлаждение, при котором происходит хранение биокомпонента, и режим поддержания нормальной (заданной) температуры, в котором требуется как нагрев, так и охлаждение, в зависимости от температуры окружающей среды и где в качестве исполнительного элемента испОльэуется термобатарея, обеспечивающая заданный режим работы в зависимости от полярности прикладываемого напряжения, Известен регулятор температуры, содержащий датчик, терморегулятор, вкл.юченный в плечо резистивного моста, усилитель сигнала рассогласования, в виде интегрального усилителя постоянного тока, Я2, 1783499 А1 держит датчик и задатчик, включенные в смежные плечи измерительного моста, задающий резистор, усилитель разбаланса моста, выполненный на операционном усилителе с резистором в цепи обратной связи и подключенный к входам измерительной диагностики моста, компаратор, коммутатор, мостовой выходной каскад, в выходную диагональ которого включена термобатарея и источник питания, В регулятор дополнительно введены семь резистивных делителей напряжения, четыре развязывающих резистора, два ключевых диода, два стабилитрона, три согласующихтранзистора, второй задающий резистор, второй компаратор, третий. операционный усили О тель, а мостовой выходной каскад выполнен на ключевых транзисторах. 1 ил, пропорциональный усилитель мощности регулирующий ток в термобатарее, подключенный к усилителю мощности через контакты реве рсирую щего реле (пере кл ючател ь полярности) управляемого компаратором, подключенного к выходу усилителя сигнала рассогласования и источнику опорного на пряжения.

Недостатками этого регулятора температуры является низкая точность поддержания температуры объекта из-за различия коэффициента передачи в режиме охлаждения и в режиме нагрева, а также низкая надежность, определяемая ограниченным числом переключений контактов электромагнитного реле, Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является регулятор температуры, содержащий датчик и задатчик, включенные в смежные пле1783499 чи измерительного моста, задающий резистор, усилитель разбаланса моста, выполненный на операционном усилителе с резистором в цепи обратной связи и подключенный к входам измерительной диагонали моста, ком паратор, мостовой выходной каскад, в выходную диагональ которого включена термобатарея и источник питания, . НедОстатками этого регулятора температуры является недостаточная точность поддержания температуры при работе в режиме охлаждения и в режиме поддер.кания заданной температуры (при одновременной работе как в режиме охлаждения, так и режиме нагрева) из-за различия коэффициен тов передачи и низкая надежность, определяемая ограниченным числом переключенияя. контактов электромагнитного реле.

Целью настоящего изобретения является повышение точности работы регулятора температуры s различных режимах работы регулятора при одновременном повышении надежности его работы.

Регулятор температуры содержит датчик и задатчик, включенные в смежные плечи измерительного моста, первый задающий резистор, усилитель разбаланса моста, выполненный на первом операционном усилителе с резистором в цепи обратной связи и подключенный к входам измерительной диагонали моста, первый компаратор, мостовой выходной каскад. в выходную диагональ которого включена термобатарея и источник питания, Для достижения поставленной цели в него введены семь резистивных делителей йапряжейия, четыре развязывающих резистора, два ключевых диода, два стабилитрона, три согласующих транзистора, второй задающий резистор, переключатель режима с замыкающим и размыкающим контактами и второй компаратор, выполненный на втором операционном усилителе, и третий операционный усилитель. Между выводами источника питания включены два последовательно соединенных резистивных делителя напряжения, общий вывод которых подключен к неинвертирующему входу третьего операционного усилителя; инвертирующий вход которого соединен со своим выходом, являющимся общим выводом источника питания. Инвертирующий вход первого компаратора выполнен на четвертом операционном усилителе, подключен к выходу усилителя разбаланса моста через первый развязывающий резистор и к выходу первого резистивного делителя напряжения через второй развязывающий резистор.

Выход четвертого операционного усилителя через последовательно соединенные первый ключевой диод и третий резистивный делитель напряжения подключен к общему

5 выводу источника питания и через последовательно соединенные первый стабилитрон и четвертый резистивный делитель к минусовому выводу источника питания, а неинвертирующий вход четвертого

10 операционного усилителя подключен к выходу третьего резистивного делителя напряжения, Инвертирующий вход второго операционного усилителя через третий развязывающий резистор подключен к,выходу

15 первого операционного усилителя и к выходу второго резистивного делителя нап ряжения через четвертый развязывающий резистор к выходу второго резистивного делителя. Выход второго операционного уси20 лителя подключен к общему выводу источника питания через последовательно включенные второй ключевой диод, пятый резистивный делитель напряжения и второй задающий резистор и через последова25 тельно соединенные второй стабилитрон и шестой резистивный делитель напряжения к плюсовому выводу источника питания, а неин вертирующий вход второго операцион. ного усилителя подключен к выходу пятого

30 резистивного делителя напряжения. При этом параллельно второму задающему резистору подключен размыкающий контакт переключателя режима, замыкающий контакт, которого включен параллельно перво35 му задающему резистору, включенному в плечо измерительного моста последовательно с задатчиком. Выход четвертого делителя напряжения подключен к базе первого согласующего транзистора, эмит40 тер которого подключен к минусу источника питания, а коллектор через седьмой реэистивный делитель напряжения к плюсу источника питания, выход шестого резистивного делителя напряжения под45 ключен к базе второго согласующегося транзистора, эмиттер которого подключен к плюсовой клемме источника питания, а коллектор — к первому управляющему входу мостового выходного каскада. Выход седь50 мого резистивного делителя напряжения подключен к базе третьего согласующего транзистора, эмиттер которого подключен к плюсу источника питания, а коллектор — к второму управляющему входу мостового вы55 ходного каскада. при этом мостовой выходной каскад выполнен на ключевых транзисторах.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает. что заявленное устройство отличается наличием новых блоков; рези1783499

° l вяэывающие резисторы 8 и 9 к чения двух режимов работы к параллельно инвертирующимвходампервого10и второ- задающим резисторам 4 и 25 подключены го 11 компараторов. выполненных на треть- соответственно разомкнутый и замкнутый ем и втором операционных усилителях, 30 контакты переключателя 38. первый 12 и второй 13 резистивные делите- Регулятор температуры работает следули напряжения, включенные последова- ющим образом. Процесс получения белкотелвно между плюсовым +Ел и минусовым вых кристаллов начинается с загрузки

-Еп выводами источника питания, точка со- биокомпонентов в ампулы в нормальных усединения которых подключена к неинверти- 35 ловиях, Транспортировка к месту проведерующему входу третьего операционного ния процесса должна производиться в охла>-.денном (замороженном состоянии).

Это обеспечивается включением переключателя 38 в положении, указанном на чертеже. При включении питания и при положении переключателей укаэанных на рис. напряжение на инвертирующем входе больше чем на неинвертирующем и положительное напряжение на выходе усилителя

45 раэбаланса моста 5, поступающего на инвертирующие входы компараторов 10 и 11 через раэвязывающие резисторы 8 и 9. устанавливает на их выходах отрицательное напряжение относительно средней точки ный делитель 22 подключен к. минусовому 50 15, образованной реэистивными делителя ми 12 и 13 и операционном усилителе 14.

Часть отрицательного напряжения с выхода компаратора 10 через ключевой диод 18 и реэистивный делитель напряжения 20 по55 ступает на неинвертирующий вход компаратора 10, поддерживая его на выходе отри цател ьное нап ря же ни е.

Это отрицательное напряжение через защитный стабилитрон 21 и реэистивный жения 27 подключен к плюсовому выводу делитель напряжение 22 запирает согласуусилителя 14, инвертирующий вход которого подключен к своему выходу и образует делителей напряжения через третий 16 и четвертый 17 развязывающие резисторы подключены также к инвертирующим входам первого 10 и второго 11 компараторов.

Выход первого компаратора 10 через ключевой диод 18 и резистивный делитель напряжения 19 со средним выводом подключен к общему выводу источника питания 15 и через стабилитрон 21 и резистиввыводу питания Еп, а выход реэистивного делителя подключен к неинвертирующему входу первого компаратора 10.

Выход второго компаратора 11 через второй развяэывающий диод 23, реэистивный делитель напряжения 24 и задающий резистор 25 подключен к общему выводу источника питания 15 и через второй стабилитрон- 26 и резистивный делитель напрястивных делителей напряжения, развязывающих резисторов, ключевых диодов, стабилитронов, согласующих транзисторов, дополнительных задающих резйсторов, компараторов и операционных усилителей 5 и их связями с остальными элементами схемы, При введении перечисленных блоков в указанной связи с остальными элементами схемы в заявленном регуляторе температуры позволяет ему проявлять новые свойст- 10 ва, обеспечивающие два режима работы: охлаждение и поддержание заданной температуры в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды при одновременном йовышении надежности рабо- 15 ты.

На чертеже представлена схема регулятора температуры.

Регулятор температуры содержит; датчик 1 и задатчик (2), включенные в смежные 20 плечи иэмерительйого моста 3, задающий резистор 4, усилитель раэбаланса моста 5, выполненный на первом операционном усилителе 6 с резистором 7 в цепи обратной связи, подключенный входом к измеритель- 25 ной диагонали моста, а выходом через разобщий вывод источника питания 15. Выходы первого 12 и второго 13 резистивных 40 источника питания+Еп, а выход реэистивного делителя напряжения 24 подключен к неинвертирующему входу второго компаратора 11. Выход резистивного дели- теля 27 подключен к базе согласующего транзистора 28, эмиттер которого подключен к плюсовому выводу источника питания

+Е,. Выход резистивного делителя напряжения 22 подключен к базе согласующего транзистора 29, эмиттер которого подключен к минусовому выводу источника питания

-Е, а коллектор. через реэистивный делитель 30 к плюсовому выводу источника питания +Еп.

Выход резистивного делителя напряжения 30 подключен к базе согласующего транзистора 31, эмиттер которого подключен к плюсовому выводу источника питания.

При этом выходной мостовой каскад 32 выполнен на ключевых транзисторах 33 — 36, в выходную диагональ которого включена термобатарея 37, а к первому управляющему входу подключен коллектор согласующего транзистора 23, а к второму управляющему входу подключен коллектор согласующего транзистора.31. Для обеспе- ..., 1783499 ющий транзистор 29 и ток через реэистивный делитель напряжения 30 не протекает и соответственно согласующий транзистор

31 запрет и заперты ключевые транзисторы

33 и 34 выходного мостового каскада 32. B 5 то же самое время отрицательное напряже- . ние компаратора 11 не проходит на делитель напряжения 24 через ключевой диод

23, а поступает через стабилитрон 26 нэ резистивный делитель напряжения 27, открывая согласующий транзистор 28. Положительное напряжение источника питания

+E>, через транзистор 28 поступает на второй управляющий вход мостового выходного каскада 32 открывая транзисторы 36 и 35, и через термобатарею 37 протекает ток в направлении +Е,, транзистор 35, термобатарея 37, транзистор 36, -En и объект начинает охлаждаться, По мере охлаждения обьекта (белковой массы) сопротивление

20 термодатчика 1 увеличивается, напряжение разбаланса моста 3 уменьшается, уменьшается и положительное напряжение на выходе усилителя 5, но состояние компараторов

10 и 11 не изменяется и ток через термобатарею продолжает течь в том же направлении. Как только положительное напряжение на выходе усилителя 5 сравнивается и станет чуть меньше по абсолютной величине

30 напряжения, поступающего с реэистивного делителя 13 через развязывающий резистор 17 на инвертйрующий вход компаратора 11, напря>кение на его выходе изменится на противоположное (станет положитель35 ным). Транзистор 28, благодаря защитному стабилитрону 26, закроется, закрыв тем самым ключевые транзисторы 36 и 35, и ток через термобатарею 37 течь прекратится.

Часть этого. пол ожител ьно го нап ряжения

40 через ключевой диод 23 и резистивный делитель напряжения 24 поступает на неинвертирующий вход компаратора 11, поддерживая на его выходе положительное напряжение. B то >ке самое время кбмпэратор 10 заперт отрицательными напряжени45 ями, поступающими с выходов усилителей 5 и резистивного делителя 20, поддерживая в запертом состоянии согласующие транзистори 29 и 31 и соответственно ключевые транзисторы 33 и 34 выходного каскада 32.

Белковая масса снова начнет нагреваться естественным путем, Сопротивление датчи50 ка 1 уменьшается, напряжение разбаланса ния с выхода усилителя 5 и отрицательного напряжения с выхода делителя 13 не сравняется или станет-чуть больше по абсолютной величине положительного напряжения, поступающего с выхода резистивного делимоста увеличивается до тех пор, пока алгебраическая сумма положительного напряже- 55 теля напряжения 24, и напряжение íà выходе компарэтора изменится.на отрицательное. В этом случае снова открывается согласующий транзистор 28, соответственно ключевые транзисторы 36 и 35 выходного мостового каскада 32 и ток через термобатарею протекает в том же направлении и процесс повторяется, белковая масса продол>кает остывать.

При готовности к выращиванию кристаллов (а это происходит при температуре

20 + 1 ) оператором или автоматически покоманде переключатель 38 устанавливается в противоположное состояние, При этом замыкается задающий резистор в мостовой схеме 3 и размыкается задающий резистор

25.

Напряжение рээбаланса моста меняется на противоположное. Максимальное отрицательное напряжение усилителя 5 поступает через согласующие резисторы 8 и

9 на инвертирующие входы компараторов

10 и 11. устанавливая на выходах положительное напряжение, и транзистор 28 и соответственно 36 и 35 запираются.

Положительное напряжейие компаратора

10 не проходйт через ключевой диод 18 на реэистивный делитель напряжения 20, а через защитный стабилизатор 21 проходит на вход резистивного делителя 22, открывая согласующий транзистор 29, и который у свою очередь через резистивный делитель

30 открывает согласующий транзистор 31.

Согласующий транзистор 31 открывает ключевые транзисторы 33 и 34 выходного мостового каскада 32. Через термобатарею протекает ток в направлении; +En, транзистор 33, термобатарея 37, транзистор 34, -En и белковая масса начинает разогреваться.

Сопротицление термодатчика 1 уменьшается, напряжение разбаланса моста также уменьшается, уменьшается и напряжение на выходе усилителя 5. Как только отрицательное напря>кение на выходе усилителя 5 по абсолютной величине сравнивается и станет чуть меньше положительного напряжения, поступающего через согласующий резистор 16 с выхода резистивного делителя напряжения 12 на инвертирующий вход компаратора 10, йапряжение нэ его выходе станет отрицательным, часть этого напряжения через ключевой диод 18 и резистивный делитель 20 поступает. на неинвертирующий вход компаратора 10, поддерживая на его выходе отрицательное напряжение, Это отрицательное йапряжение поступает через защитный стабилитрон 21 на реэистивный делитель напряжение 22. запирая транзистор 29, соответственно за1783499

10 пираются транзисторы 31, 33 и 34, и ток ных элементов, резистивных делителей начерез термобатарею течь перестает до тех пряжения, согласующих резисторов, ключепор пока алгебраическая сумма напряже- вых диодов, защитных стабилитронов, ний, поступающих с выхода усилителя.5 и согласующих транзисторов и дополнительноделителя напряжений 12 не сравняется и не 5 го операционного усилителя и дсполнительстанет чуть меньше отрицательного напря- ного задающего резистора выгодно отличает жения, поступающего с делителя напряже- предлагаемый регулятор от известного, воний 20 (в случае, если объект остывает) и первых, повысив.его надежность, за счет иснапряжение на выходе компаратора станет пользования ключевых транзисторов в положительным, снова откроются транзи- 10 мостовом выходном каскаде и, во-вторых, сторы 29, 31, 33 и 34 и объект начнет нагре- обеспечить два режима работы; охлаждение, . ваться до тех пор, пока не наберет заданной поддерживая температуру 2 "- 0,5 С, так и температуры. В том случае если дальше про- . поддержание заданной температуры 20 изойдетповышениетемпературыокружаю- «+ 0,5 С в широком диапазоне изменения щей среды, белковая масса начнет 15 температуры окружающей среды. перегреваться. Сопротивление термодатчи- . Ф о р м у л а и э о б р е т е н и я ка 1 начнет уменьшаться и станет меньше Регулятор температуры, содержащий сопротивления термозадатчика 2, напряже- датчик и эадатчик,"вкйюченные в" смежнйе ние на выходе усилителя 5 изменится на плечи измерительного моста, первый эадаположительное, компараторы 10 и 11 будут 20 ющий резистор, усилитель разбаланса мосподдерживаться в том же состоянии и тран- та, выполненный на первом,операционном . зисторы 28, 29, 31, 33, 34, 35 и 36 будут . усилителе с резистором в цепи обратной заперты, и ток через термобатарею не про- - связи и подключенйый к входам измеритекает. По мере дальнейшего увеличения тельной диагонали моста; первый компаратемпературы объекта напряжение на выхо- 25 тор, мостовой выходной каскад, в выходную де усилителя 5 буДет увеличиваться и как диагональ которого включена термобата-., только алгебраическая сумма положитель- рея, и источник питания, о т л и ч а ю щ и йного напряжения усилителя 5 и отрицатель- с я тем, что, с целью повышения"точности и ного делителя напряжения 13 сравняется надежности, в регулятор введены семь реили станет больше положительного напря- 30 зистивных делителей напряжения. четыре жения, поступающего с делителя 24 и зада- развязывающих резистора, два ключевых ющего резистора 25 напряжение на выходе . диода, два стабйлитрона. три согласующих компаратора сганет отрицательным, откро- транзистора, второй задающий резистор,ется согласующий транзистор 28 и ключе- переключатель режима с замыкающим и вые транзисторы 36 и 35. и ток через 35 размыкающим контактами и второй компатермобатарею потечет в противоположном ратор, выполненный на втором операционнаправлении, и объект начнетохлаждаться ном усилителе; и третий операционный пока не наберет заданной температуры, усилитель, причем между выводами источВ этом случае как только положитель- ника питания включены два последовагельное напряжение на выходе усилителя 5 40 но соединеннйх резистивных делителя сравняется или станет чуть меньше по абсо- напряжения, общий вывод которых подклю- ", лютной величине напряжения постуйающе- . чен к неинвертирующему входу третьего го с делителя напряжения 13, напряжение операционного усилителя, инвертирующий на выходе компаратора 11 станет положи- вход которого соединен со своим выходом, тельным. Часть этого напряжения через 45 являющимся общим выводом источника пиключевой диод 23 и резистивный делитель тания, инвертирующий вход первого компа24 и задающий резистор 25 поступает на ратора выполнен на четвертом, неинвертирующий вход компаратора 11, операционном усилителе, подключен к выподдерживая его выходное напряжение.. ходуусилителя раэбалансамоста через пертранэистор 28 закроется, закрыв ключевые 50 вый раэвязывающий резистор и к выходу транзисторы 36 и 35, и ток через термобата- первого резистивного делителя напряжерею течь прекратится. В остальном процес- ния через второй развязывающий резистор, сы повторяются, выход четвертого операционного чсилителя

По окончании процесса биокристалли- через последовательно соединейные перзации снова оператором или по команде 55 вый ключевой диод и третий резистивный переключатель 38 устанавливается в исход- делитель напряжения подключен к общему ное состояние и начинается процесс охлаж- выводу источника питания и через последодения, описанный выше. " вательно соединенные первый стабилитрон

Таким образом, применение в извест- и четвертый резистивныйделитель — к минуном регуляторе температуры дополнитель12

1783499

Составитель В.Попов

Техред М.Моргентал

Корректор M,Шарон и

Редактор

Заказ 4515 . Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. ужгород, ул,Гагарина, 101 совому выводу источника питания, а неинвертирующий вход четвертого операционного усилителя подключен к выходу третьего резистивного делителя напряжения, инвертирующий вход второго операци онного усилителя через третий раэвязывающий резистор подключен к выходу первого операционного усилителя и выходу второго .реэистивного делителя напряжения, через четвертый развязывающий резистор — к выходу второго резистивного делителя, выход второго операционного усилителя подключен к общему выводу источника питания через последовательно включенные второй ключевой диод, пятый резистивный делитель напряжения и второй задающий резистор и через последовательно соединенные второй стабилитрон и шестой резистивный делитель напряжения — к плюсовому выводу источника питания, а неинвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к выходу пятого реэистивного делителя напряжения, при этом параллельно второму задающему резистору подключен размыкающий контакт переключателя режима, замыкающий контакт которого включен параллельно первому задающему резистору, включенному в плечо измерительного моста последова5 тельно- с задатчиком, выход четвертого делителя напряжения подключен к базе первого согласующего транзистора, эмиттер которого подключен к минусу источника питания, а коллектор через седьмой рези10 стивный делитель напряжения к плюсу источника питания, выход шестого резистивного делителя напряжения подключен к базе второго согласующего транзистора, эмиттер которого подключен к

15 плюсовой клемме источника питания, а коллектор — к первому управляющему входу мостового выходного каскада, выход седьмого резистивного делителя напряжения подключен к базе третьего согласующего

20 транзистора, змиттер которого подключен к плюсу источника питания, а коллектор —. к второму управляющему входу мостового выходного. каскада, при этом мостовой выходной каскад выполнен на ключевых тран25 зисторах.