Устройство для регулирования температуры

09) (И) СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН Д(5 В: 6 05 Р 23/24фЩ щщазы;ГОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ : -ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Всесоюзный научно-исследовательский и конструкторский институт хроматографии(54)(57) УстРойство для РегулировАБияТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее последовательно соединенные термочувствительный мост, дифференциальный усилительпостоянного тока, усилитель мощности, выход которого соединен с эмиттером однопереходного транзисторарвыполняющего функции элемента сравнения, причем первая база однопереходного транзистора через первый резистор соединена с базой транзистораформирователя сигнала управления силовыми тиристорами, включенными последовательно с нагревателем в цепьпеременного тока, а вторая база через второй резистор - с плюсовойшиной питания, а также мостовой выпрямитель, стабилизаторы положительного и отрицательного напряжения,транзисторный ключ, через которыйвыход стабилизатора положительного напряжения соединен с плюсовой шиной питания, и каскад следящей обратнойсвязи, состоящий из маломощного ти:ристора,делителя напряжения со сглаживающим Фильтром и индикатора среднего значения напряжения на нагревателе, о т ли 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-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 Я. четвертый резистор - к управляющему входу транзисторного ключа, .связанному через пятый резистор с положи- . тельным полюсом мостового выпрямителя, а через шестой резистор - с 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.Изобретение относится к устройствам, регулируюцим температуру различных объектов путем автоматического управления электрической мощностью,подводимой к нагревателю.Известны регуляторы температуры, 5используемые, например, в хроматографических анализаторах Ц .Однако эти регуляторы сложны поконструкции и обладают невысокойточностью, 10НаиболЕе близким к изобретению потехнической сущности является регулятор, содержаций последовательносоединенные термочувствительный мост,усилитель постоянного тока, усилитель моцности, элемент сравнения,формирователь сигнала управления тиристорами и тиристорный регулирующий элемент, через который к источнику переменного напряжения подключен нагреватель, а также мостовойвыпрямитель, параметрический стабилизатор напряжения и нелинейный опорный делитель, через который подводитему сравнения,личие такого делителя позволяет повысить точность поддержания заданнойтемпературы за счет частичной компенсации влияния колебаний напряжения питающей сети 2 .Недостатком данного устройства З 0является большой разброс характеристик варисторов, входящих в составнелинейного опорного делителя, чтовынуждает вводить в делитель элементрегулировки - подстроечный резистор, 35Наличие этого элемента снижает надежность устройства, усложняет настройку и повышает ее трудоемкость. Кроме того, форма характеристики варистора не позволяет добиться полной 40компенсации, в результате чего влияние колебаний напряжения питаниялишь ослабляется, но не устраняетсяполностью. В этом устройстве не устраняется также влияние других дестабилиэирующих факторов, в частностидрейфа усилителя постоянного тока.Первая база однопереходного .транзистора элемента сравнения соединена непосредственно с базой транзистора формирователя сигнала управления тиристорами, причем эмиттерныйпереход этого транзистора зашунтирован резистором, Этот резистор не может быть высокоомным .во.избежаниеотпирания транзистора формирователямеждубазовьвю током запертого однопереходного транзистора. В то жевремя малое значение сопротивленияэтого резистора ограничивает мощность и длительность импульсов на вы ходе формирователя, которые, в рядеслучаев могут оказаться недостаточнаии для управления мощными тиристорами. Питание элемента сравненияосуществляется от параметрического 65 стабилизатора напряжения и выпрями- тельного 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 однопереходного транзистора может оказаться больше тока удержания. При этом однопереходной транзистор остается открытымдо 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 мощности, выход которого соединен с эмиттером однопереходного транзистора, выполняющего Функции элемента сравнения, причем первая база одно- переходного транзистора через первыйрезистор соединена с базой транзистора формирователя сигнала управлениясиловыми тиристорами, включеннымипоследовательно с нагревателем в цепьпеременного тока, а вторая база через второй резистор - с плюсовой шиной питания, а также мостовой выпрямитель, стабилизаторы положительногои 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 третийрезистор подключен управляющий электрод маломощного тйристора, анод которого через делитель напряжения исглаживаюций фильтр подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя и через индмкаторсреднего значения на нагреэателек общей шине, а через четвертый реэистор - к уйравляющему вхОду тран-зисторного ключа, связанному черезпятый резистор с положительнйм полюсом мостового выпрямителя, а черезшестой резистор - с выходом стабили10 затора отрицательного напряжения,состоящего из последовательно соединенных стабилитрона, диода и шестого,резистора, причем точка соединенияседьмого резистора и диода соединенас первой базой однопереходного транзистора.На чертеже представлена схемаустройства,Предлагаемое устройство содержиттермочувствительный мост 1, образованный задатчиками 2, термометромсопротивления 3 и двумя постояннымирезисторами 4, соединен с источникомпостоянного напряжения 5. Измерительная диагональ термочувствительного . 15моста через резисторы б,и 7 подключена к входам дифференциального усилителя постоянного тока 8. Выходусилителя соединен с входом усилителя мощности, выполненным в виде эмит терного повторителя на транзисторе9. Эмиттер этого транзистора черездиод 10 соединен с конденсатором 11и змиттером однопереходного транзистора 12, выполняющего функции элемента сравнения. Эмиттер транзистора9, а также эмиттер и вторая базатранзистора 12 соединены через резисторы 13 и 14 и второй резистор15 с плюсовой шиной питания 16. Пер"вая база транзистора 12 через первый резистор 17 соединена с базойтранзистора 18 формирователя сигнала управления силовыми тиристорамиК коллектору этого транзистора присоединен один конец первичной обмотки импульсного трансформатора 19.Второй конец первичной обмотки черезрезистор,20 соединен с конденсатором21, н через диод 22 - с положительньва полюсом мостового выпрямителя 23.40Вторичная обмотка импульсного транс-форматора 19 соединена с цепями управления .аиловых тиристоров 24 и 25тиристорного регулирующего элемента26, через который к источнику переменного,напряжения 27 подключен нагреватель 28, расположенный в термо;статируемом объеме 29,.плюсовая шина питания 16 соединейас выходом стабилизатора положительного напряжения 30 через транзисторный ключ 31. Управляющий вход этоготранзисторного ключа через пятый резистор 32 соединен с положительньааполюсом мостового выпрямителя 23,через шестой резистор 33 - с выходом 55стабилизатора отрицательного напря- .жения 34,.а через четвертый резистор35 - с анодом маломоцного тиристора36 каскада следяцей обратной .связи37Катод этого тиристора через 60диод 38 соединен с отрицательнваа полюсом мостового выпрямителя 23, ачерез конденсатор 39 - с коллектором транзистора 18 формирователя сигнала управления силовыми тиристорами,Управляюций 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 может быть использован любой измерительный прибор, сигнальная 1 ламйа 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 тран" зистора 12 - между диодом 44 и седьмым гасяцим резистором 45, Диагональ питания мостового выпрямителя соединена с.концами вторичной обмотки разделительного трансформатора 48, сред-няя точка этой .обмотки заземлена, а первичная обмотка соединена систочником переменного напряжения 27,Устройство работает следующим образом.Напряжение небаланса измерительно.го моста 1, пропорциональное величи не отклонения температуры объекта регулирования 29 от заданного значения, поступает через резисторы б 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 31Величины резисторов 32 и 22 рассчитаны таким образом, что транзисторный ключ открыт в течение почти всего поФ 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 транзистора30 35 40 45 ленной величины, конденсатор 11 вооб 50 жуточных значениях напряжения выход 166усилителя 8 мощность, выделяемая внагревателе, функционально связанас 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 переходатранзистора.9 закрыты, конденсатор 11 разряжен ,поскольку зашунтирован от-крытым переходом транзистора 12. Вйачале следующего полупериода, когда с ростом напряжения мостового выпрямителя 23 транзисторный ключ 31 от,пирается, и на шине 16 появляетсястабилизированное положительное напряжение параметрического стабилизатора 30, транзистор 9 начинает работать как эмиттерный повторитель. Переход транзистора 12 запирается через диод 10, конденсатор 11 оченьбыстро заряжается до напряжения,приблизительно равного напряжениюна выходе усилителя 8, Дальнейшийзаряд конденсатора происходит экспоненциально через резистор 14. Диод10 при этом запирается. Когда напряжение достигнет величины отпиранияоднопереходного .транзистора 12, происходит быстрый разряд конденсатора11, Импульс разрядного тока черезрезистор 17 проходит в базу транзистора 18, усиливается им и через импульсный трансформатор 19 поступаетв 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 черезусилитель мощности, т.е, от напряжения на выходе усилителя 8. Если этонапряжение больше напряжения отпирания транзистора 12, последний отопрется в самом .начале полупериода,как только зарядится конденсатор 11.При этом силовые тиристоры 24 и 25также отпираются в самом начале каждого полупериода и мощность, выделяемая в нагревателе, будет макси.мальнсй, Если напряжение на выходеусилителя 8 меньше некоторой опредеще не успевает зарядиться до напряжения отпирания транзистора 12 завремя полупериода. В этом случаеразряд происходит в момент исчезновения напряжения на шине 16 в конце полупериода, когда благодаря отсутствию междубазового напряженияоткроется эмиттерный переход транзистора 12. Поскольку в этот моментсетевое напряжение проходит черезнуль, силовые .тиристоры 24 и 25 неотпираются, и мощность, выделяемаяв нагревателе, равна нулю, В проме 10 15 20 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 сетиВ 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 перезаряда конденсатора 39 отпирает маломощный тиристор 36 каскада следящей обратной связи. Через диод 38 катод 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, гальваничвски не связанного .с сетью, обеспечивает удобную возможность индикации среднего напряжения на нагревателе.Стабилизаторотрицательного напряжения введен в .устройство для согласования уровней иа выходе усилителя 8 и на эмиттере транзистора 12, Наличие этого стабилизатора дает возможность,простьи способом существенно повысить мощность и длительностьимпульса 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 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 15, .процесс разряда конденсатора 11 и значительно увеличить таким образом, длительность .и энергию импульсов на вторичных обмотках импульсного трансформатора 19.20Величина резистора 13 должна быть выбрана достаточно малой, чтобы обеспечить возможно большую скорость заряда конденсатора 11 в начале полу- периода. при этом ток через РезистоР 25 превышает гарантированное минималь- .ное значение тока удержания транзистора 12. Это означает, что после его отпирания он может не закрыться до окончания полупериода. При этом Рез" ко возрастает средняя величина коллекторного тока транзистора 18 и мощность, равсеиваемая в транзисторе, и в резисторе 20.Устранение перегрузки транзистора 18, связаннбе с этим повышение надеж-З 5 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.ИИПИ Заказ 4393/44 Тираж 874 Подписно лиал ППП "Патентф, г.Ужгород, ул.Проектная