Термозависимый одновибратор

 

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 ииротно-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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)з Н 03 К 3 /284

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4772556/21 (22) 22.12.89 (46) 28.02.93. 6юл. ¹ 8 (71) Сибирский технологический институт (72) Ш.Г.Мамедов и В,И.Филиппова (56) Глушко Е., Могилевский Е. Ждущий мультивибратор — Радио, 1982, № 6, с. ЗЗ. (54) ТЕРМОЗАВИСИМЫЙ ОДНОВИБРАТОР .(57) 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

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 широтно-импульсной модуляцией (LLINM).

Целью изобретения является расширение функциональных воэможностей за счет получения выходных импульсов, линейно изменяющихся по длительности в зависимости от температуры, На фиг.1 представлена блок-схема термозависимого одновибратора; на фиг.2— схема принципиальная электрическая.

Предлагаемый термозависимый одновибратор (фиг.1 и 2) содержит шину запуска

„,)5U„„1798896 Al цифрового температурного датчика с широтно-импульсной модуляцией. Сущность: термозависимый одновибратор содержйт логический элемент ИЛИ-НЕ, формирующий каскад на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, в цепи базы которого включена времязадающая 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.

1, логический элемент ИЛИ-НЕ 2, цепь обратной связи 3, формирующий каскад 4, времязадающую 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 логическои функции ИЛИ,и через внешний коллекторный резистор подключе ны к шине питания (8), а второй вход логического элемента ИЛИ-НЕ 2 является цепью обратной связи З,соединенной с выходной шиной 8 формирующего каскада 4, состоящего иэ резистора и транзистора, включенного по схеме с общим эглиттером, база которого соединена с общей точкой времязадающей RC-цепи 5, Резистор RC-цепи 5 подключен к шине питания. а конденсатор к

1798896 диодной цепи 6, причем диод соединен па. раллельно с переменным резистором, катод диода соединен с конденсатором RC-цепи,,а анод с выходом логического элемента . ИЛИ-НЕ 2. Терморезисторная цепь 7 является температурным датчиком, находится в контролируемом обьекте и состоит из полупроводникового терморезистора, соеди.ненного 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 MËÈ-НЕ 2 отсутст вует положительнь}й запускающий импульс, Транзистор формирующего каскада 4 открцт током протекающим через резистор ., времязадающей RC-цепи 5, и низкий уровень с выходной шины 8 поступает через цепь обратной связи 3 на логический элемейт-ИЛИ-НЕ 2. Таким образом, на обоих входах логического элемента ИЛИ-НЕ 2 присутствует низкий уровень, а на выходе— вьгсокий уровень, Высокий уровень через диодную цепь 6 rto прямой проводимости диода поступает на обкладку конденсатора времязэдающей RC-цепи 5, а на другую обкладку с:.общей шины через базу — эмиттер открытогo òðàíçèñòoðà формирующего каскада 4 поступает низкий уровень. Следовательно, конденсатор времязадающей

ЯС-цепи 5 заряжен со стороны диодной цепи 6 положительным зарядом, а со стороны формирующего каскада 4 — отрицательным ,зарядом. В момент поступления через шину запуска 1 нэ логический элеменг ИЛИ+! Е 2 кратковременного положительного импульса на его выходе высокий уровень резко меняется на низкий уровень и начинается процесс разряда конденсатора аремязадающей. RC-цепи, Обкладка конденсатора с положительным .зарядом разряжается через обрэтну}о проводимость диода и парал}tent,ito подкл}оченному к нему переменному резистору диодной цепи 6, а также через терморезисторную цепь 7 и через выходлогического элемента ИЛИ-НЕ 2 на общую шину..Учитывая включение транзистора формирующего каскада 4 по схеме с общим эмиттером, в момент разряда конденсатора времязэдающей RC-цепи 5 база относительно эмиттера становится отрицательной и транзистор запирается, поэтому цепь раз ряда отрицательно заряженной обкладки конденсатора проходит через резистор времязэдэ}ощей RC-цепи 5 к источнику питания. Далее низкий уровень выходной шины

8 резко меняется на высокий уровень, по5 t 0

15.следний через цепь обратной связи 3 поступает нэ логический элемент ИЛИ-НЕ 2, на выходе 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: ъ,=5C(г + Rt,), 20 где ttt — время восстановления заряда на обкладках конденсатора;

С вЂ” емкость конденсатора времязадающей RC-цепи;

t g — сопротивление прямой проводимости диода;

RK — коллекторный резистор логического элемента ИЛИ-НЕ 2.

Для уменьшения времени восстановления заряда на конденсаторе времязадающей

30 RC-цепи 5 термозэвисимого одновибратора применен логический элемент ИЛИ-НЕ 2 с открытым коллекторным выходом (S). с этой целью номинальное сопротивление коллек торного резистора определяется расчетным

35 путем. Процесс заряда конденсатора времязадающей RC-цепи 5 проходит через диодную цепь 6 по прямой проводимости диода, внутреннее сопротивление которого исчисляется в омах, эта величина практически

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

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

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

55 при помощи переменного резистора в отладочном режиме устанавливается начальное значение (tH) длительности выходных импульсов полупроводникового терморезистора при его номинальном сопротивлении и при Т= -20" С. В нашем примере для исполь1798896 (2) R=R е где R — сопротивление рабочего тела при данной температуре, Ом;

Т вЂ” температура, К; е — основание натурального логарифма;

R . и  — коэффициенты, постоянные для данного экземпляра терморезистора. разряд конденсатора времязадающей RCцепи 5 в термозависимом одновибраторе описывается выражением (10, с. 229) U = 0,632 Upe где U, — напряжение на конденсаторе времязадающей RC-цепи;

Uo — напряжение источника питания;

ВС= т — постоянная времени, определяется элементами времязадающей RCцепи.

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 времязадающей

RC-цепи. имеет отрицательный температурный коэффициент (ТКС), при этом из выразования в исследовательских работах выбраны два полупроводниковых терморезистора: MMT— - 1 100 кОм и MMT-1 200 кОм.

Температурные характеристики указаны в таблице 1. Номинальные сопротивления при

T--20 С 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 времяэадающей 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» сп + (сп + ») R„+ йк (4) 20 где Rop — общее сопротивление в процессе разряда конденсатора;

R — сопротивление времязадающей RCцепи (фиг,2);

R

В» — терморези тор.

При определении общего сопротивления цепи разряда конденсатора времязадающей RC-цепи обратное сопротивление дио30. да вдиодной 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

В B

Rpp (5) В

Rcp+Re

Т рСь ао

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

0,632 Uo e (6) раз

Rop

Для практической реализации заявляемого изобретения необходимо выполнить следующие наладочные условия;

1. При максимальном значении длительности выходных импульсов период их повторения должен соответствовать периоду повторения запускающих импульсов тв Т 1и в ах (7) жения (2) видно, что ТКС изменяется по нелинейному закону зависимо.от температуры.

Отсюда вытекает закономерное явление. что в процессе разряда конденсатора нели5 нейно 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

10 формируется линейно убывающий ток.

4ля определения общего сопротивления в процессе разряда конденсатора времязадающей RC-цепи термозависимого одновибратора использовано следующее

15 выражение

1798896 где ta — время восстановления заряда, Т вЂ” период следования запускающих импульсов; ти max — максимальная длительность. выходных импульсов, 2, Произвести расчет параметров вре.мязадающей RC"öåïè термозависимого одновибратора по формуле си щах = RC Ь2 = 0,7 НС, (8} где R — сопротивление времязадающей RC- 1 цепи 5;

С вЂ” конденсатор времязадающей RC-. цепи 5, При определении максимальной длительности выходных импульсов (t>

C изменением частоты запускающего им- . пульса на новое значение соответственно подбираются новые параметры времяза0 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 MMT-1, величина номинала 100 кОм, Во втором варианте использован ПТР MMT — 1; вели20 чина номинала 200 кОм. Все данные, относящиеся к характеристикам терморезистора, сведены в таблицу 1, Каждый вариант рассмбтрен 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 F=100.Гц; при F = 1 кГц; при Г = 10 кГц. Анализируя полученные графики, можно условно разделить их на три участка: первый — начальный

35 нелинейный участок при температуре от 0 до +10 С; второй — средний линейный участок при температуре от +10 до +70 С; третий — конечный нелинейный участок при температуре от +70 до +125ОС. График при

Q = = 1,3-1,2

Т ти max (9) 40

3, В момент установки начального значения длительности выходных импульсов (t ) сопротивление полупроводникового терморезистора должно соответствовать номинальному значению при Т = 20 С, а с помощью переменного резистора Всп диодной цепи 6 устанавливается требуемое начальное значение длительности выходных импульсов. После выполнения вышеизложенных условий проверяем работоспособность термозависимого одновибратора путем нагревания терморезистора до температуры +125 С, при этом длительность выходных импульсов должна быть близка к максимальному значению (t max) одновременно должно удовлетворяться условие формулы (7}. При охлаждении до

Т=20 С длительность выходных импульсов должна возвращаться к начальному значению (Ъ), На основании принципиальной электрической схемы (фиг,2) собран экспериментальный образец термозависимого одновибратора. На данном образце проведены исследовательские работы для снятия выходных характеристик определяющих линейность изменения длительности выходных импульсов в зависимости от температуры t = f (Т С) контролируемого обьекта (КО) в диапазоне температур от 0 до

+125 С. Измерение температуры контролируемого обьекта производится через каждые 2 С, Запускающие импульсы на входе термозависимого одновибратора имеют .длительность 2,5 мкс, а частота следования указана в таблице, 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 определим чувствительность (крутизну) термозависимого одновибратора. С увеличением частоты запускающего импульса чувствительность ухудшается. Для линейного участка кривых чувствительность SLa =

=100 мкс/T С при частоте F = 100 Гц, а при частоте F -= 1 кГц чувствительность S< =

=8 мкс/Т С. Во втором варианте в результате проведенных исследовательских работ полученные данные занесены в таблицу и на 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

1798896

10 погрешности графика па 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 l250C 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) ва втором варианте на линейном участке графиков при диапазоне температур от 10.до

125 С S =50 мкс/Т С при частоте F =100 Гц, а при частоте F = 1 кГц чувствительность

Ящ = 5 мкс/Т С.

Проведенные исследовательские .работы в двух вариантах на базе экспериментального образца подтверждают работоспособность термозависимаго одновибратора в широком диапазоне температур. При этом входные характеристики tn = f(T Ñ) сохраняют свою линейность и высокую чувствительность.

8 заявляемом изобретении приобретенной качественно новой функциональной возможностью является изменение дли, . тельности выходных импульсов (Ъ) пропорционально величине температурьь Такое пропорциональное изменение длительности .выходных импульсов присуще широтно-импульсным модуляторам (ШИМ), являющимся разновидностью импульсных преобразователей. При изменении температурных параметров различных обьектав

5 во многих случаях необходимо иметь импульсные преобразователи с высокой точностью, линейностью и быстродействием, несложным конструктивным исполнением и .низкой стоимостью. Предлагаемое изобре10 тение — термозависимый однавибратар удовлетворяет выше изложенным требованиям и может успешно конкурировать с ана логами и прототипами. l5 cDормула изобретения

Термозависимый аднавибратор. содержащий логический элемент ИЛИ-НЕ, адин из входов которого соединен с шиной запу ска,, формирующий каскад на транзисторе, 20 включенном по схеме с общим эмиттерам, в цепь базы которого включена времязадающая RC-цепь, а коллектор соединен с выходной шиной и с другим входам лагическага элемента ИЛИ-НЕ, а т л и ч а ю шийся.

25 тем, что. с целью расширения области при-, менения за счет обеспечения получения вы- . ходных импульсаа. линейно изменяющихся по длительности в зависимости от температуры; в него введены параллельно саеди30. ненные диод, переменный резистор и полупроводниковый термарезистор, подключенные со стороны катода к конденсаторуо-:. ру цепи, а са стороны анода диода — к .: выходу логического элемента. ИЛИ-НЕ, .У

1798896

Составитель В. Филиппова

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор П. Герещи

Редактор Н. Егорова

Производственно издательский комбинат "Патенг" г, Ужгород, ул Гагарина. 101

Заказ 778 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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