Термозависимый одновибратор

(5 з Н 03 К 3 /284 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(21) 4772556 (22) 22.12.89 (46) 28,02.93 (71) Сибирс (72) Ш.Г.Ма (56) Глушко мультивибр Бюп;М 8 ий технологич медов и В,И,ФЕ., Могилев тор - Радио,еский институтилипповаЕ, )Кдущии982, М 6, с. ЗЗ. Й ОДНОВИБРА- электроники и льной техники и в системах теле- кого контроля за трами объекта, а пожарной сигнасности в качестве(57) Применение: область информационно-измерите может быть использовано измерения и автоматичес температурными параме также в системах противо лизации и техники безопа К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 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 (ШИМ).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 одно- вибратор (фиг,1 и 2) содержит шину запуска цифрового температурного датчика с широтно-импульсной модуляцией. Сущность: термозависимый одновибратор содержйт логический элемент ИЛИ-НЕ, формирующий каскад на транзисторе, включенном по схеме с общим змиттером, вцепи базы которого включена времязадающая ВС-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 ВС-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 ВС-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 подключены 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 время- задающей ВС-цепи 5, Резистор ВС-цепи 5 подключен к шине питания, а конденсатор кдиодной цепи 6, причем диод соединен па. раллельно с переменным резистором, катод диода соединен с конденсатором ВС-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 формирующегокаскада 4,, Термозависимый одновибратор работает следующим образом,В исходном состоянии на шине запуска1 логического элемента ИЛИ-НЕ 2 отсутст вует положительнь 1 й запускающий импульс,Транзистор формирующего каскада 4 открцт током протекающим через резистор , времязадающей ВС-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 по прямой проводимости диода поступает на обкладку конденсатора времязэдающей ЙС-цепи 5, а на другую обкладкус:общей шины через базу - эмиттер открытоготранзистора формирующего каскада 4 поступает низкий уровень. Следовательно, конденсатор времязадающей ВС-цепи 5 заряжен со стороны диодной цепи 6 положительным зарядом, а со стороны формирующего каскада 4 - отрицательным ,зарядом. В момент поступления через шину запусканэ логический элемент ИЛИ-НЕ 2кратковременного положительного импульса на его выходе высокий уровень резко меняется на низкий уровень и начинается процесс разряда конденсатора аремязадающей. ВС-цепи, Обкладка конденсатора с положительным .зарядом разряжается через обратную проводимость диода и параллельно подклоченному к нему переменному резистору диодной цепи 6, а также через терморезисторную цепь 7 и через выходлогического элемента ИЛИ-НЕ 2 на общую вину. Учитывая включение транзистора формирующего каскада 4 по схеме с общим эмиттером, в момент разряда конденсатора времязэдающей ЙС-цепи 5 база относительно эмиттера становится отрицательной и транзистор запирается, поэтому цепь раз ряда отрицательно заряженной обкладкиконденсатора проходит через резистор времязадэющей ВС-цепи 5 к источнику питания. Далее низкий уровень выходной шины 8 резко меняется на высокий уровень, по 5 10 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 ВС-цепи 5. В момент, когда уровень перезаряда на обкладках конденсатора дестигнет 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 ВС-цепи 5. Время восстановления заряда определяется по формуле: 20 где тв - время восстановления заряда наобкладках конденсатора;С - емкость конденсатора времязадающей ВС-цепи;г - сопротивление прямой проводимости диода;Вк - коллекторный резистор логического элемента ИЛИ-НЕ 2.Для уменьшения времени восстановления заряда на конденсаторе времязэдэющей 30 ВС-цепи 5 термозэвисимого одновибратораприменен логический элемент ИЛИ-НЕ 2 с открытым коллеторным выходом (8), с этой целью номинальное сопротивление коллекторного резистора определяется расчетным 35 путем, Процесс заряда конденсатора времязадающей ВС-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 ВС-цепи 5 ток разряда протекает по двум параллельным цепям:.диодной цепи 6 и терморезисторной цепи 7. "5 При этом в диодной цепи 6 диод заперт(сопротивление обратной проводимости очень велико), ток протекает через переменный резистор и терморезисторную цепь 7, которая состоит из полупроводникового 50 терморезистора (ПТР), вмонтированного вконтролируемый 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 (Ь) длительности выходных импульсов полупроводникового терморезистора при его номинальном сопротивлении и при Т=-20" С, В нашем примере для испольПриме получа измене сатора висим о няя закон Ом ем уравнени ния тока в пр времязадаю м одновибра= 0,632 Оое енсаторе вречника питания; ремени, опред язадающей В 0,6раз ор о, что накоплено виде напряжепроцессе его нейному закону; иковьй термореовательном соевремязадающей ный температурри этом из выратв- " Т - 1 и пах зования в исследовательских работах выбраны два полупроводниковых терморезистора: ММТ - 1 100 кОм и ММТ200 кОм. Температурные характеристики указаны в таблице 1, Номинальные сопротивления при Т=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 ВС-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 применениев заявляемом изобретении дало положительный результат, Температурная характеристика терморезистора описывается выражением где В - сопротивление рабочего тела приданной температуре, Ом;Т - температура, К;е - основание натурального логарифма;Вс и В - коэффициенты, постоянныедля данного экземпляра терморезистора.разряд конденсатора времязадающей ВСцепи 5 в термозависимом одновибратореописывается выражением (10, с. 229) где О, - напряжение на мязадающей ВС-цепи;Оо - напряжение ист ВС= т - постоянная ляется элементами вре цепи,Из выражения (3) видн ная электрическая энергия ния на конденсаторе в разряда убывает по нели Кроме этого, полупроводн зистор, находясь в послед динении с конденсатором ВС-цепи, имеет отрицатель ный коэффициент (ТКС), и жения (2) видно, что ТКС изменяется по нелинейному закону зависимо.от температуры.Отсюда вытекаетзакономерное явление, что в процессе разряда конденсатора нели нейно убывающая энергия (ток) на своемпути 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.Для определения общего сопротивления в процессе разряда конденсатора время- задающей ВС-цепи термозависимого одновибратора использовано следующее 15 выражение 20 где Вор - общее сопротивление в процессеразряда конденсатора;В - сопротивление времязадающей ВСцепи (фиг,2);Всп - установленное значение сопро тивления переменного резистора;В - терморезистор.При определении общего сопротивления цепи разряда конденсатора времязадающей ВС-цепи обратное сопротивление дио. да вдиодной цепи 6 неучитывается(беретсяего очень большая величина, которая по существу на величину тока разряда не влияет), Если подставить выражение (2) в выражение (4, то получим35В в а в выражениях(3) и(5) , определяющее закон оцессе разряда конденщей ВС-цепи в термоза- торе Для практическои реализации заявляемого изобретения необходимо выполнить следующие наладочные условия;1, При максимальномзначении длительности выходных импульсов период их по.- вторения должен соответствовать периоду повторения запускающих импульсовгде тв - время восстановления заряда,Т - период следования запускающих импульсов;1 и щах - максимальная длительность выходных импульсов, 52, Произвести расчет параметров времязадающей ВС"цепи термозависимого одновибрэтора по формулеси щах = ВС Ь 2 = 0,7 ВС, (8) где В - сопротивление времязадающей ВС цепи 5;С - конденсатор времязадающей С- цепи 5,При определении максимальной длительности выходных импульсов (си йах) параметры 15 диодной цепи 6 не учитываются и переменный резистор Вс, (фиг,2) устанавливается в нулевое значение, При этом скважность выходных импульсов должна соответствовать В 0 = = 1,3-1,2,Г(9)ти пдх3, В момент установки начального значения длительности выходных импульсов 25(Ь) сопротивление полупроводниковоготерморезистора должно соответствоватьноминальному значению при Т = 20 С, а с. помощью переменного резистора Всп диодной цепи 6 устанавливается требуемое начальное значение длительности выходныхимпульсов, После выполнения вышеизложенных условий проверяем работоспособность термозависимого одновибраторапутем нагревания терморезистора до температуры +125 С, при этом длительностьвыходных импульсов должна быть близкак максимальному значению (ти гпах), одновременно должно .удовлетворяться условие формулы (7). При охлаждении до 40Т=20 С длительность выходных импульсовдолжна возвращаться к начальному значению (Ъ),На основании принципиальной электрической схемы (фиг,2) собран экспериментальный образец термозависимогоодновибратора. На данном образце проведены исследовательские работы для снятиявыходных характеристик определяющихлинейность изменения длительности выходных импульсов в зависимости от температуры Ь = 1 (Т С) контролируемого обьекта(КО) в диапазоне температур от О до+125 С, Измерение температуры контролируемого обьекта производится через каждые 2 С, Запускающие импульсы на входетермозависимого одновибрэтора имеютдлительность 2,5 мкс, а частота следованияуказана в таблице,С изменением частоты запускающего им-. пульса на новое значение соответственно подбираются новые параметры времязэдающей ВС-цепи, при этом учитываются вышеуказанные наладочные условия. Для определения зоны термочувствительности термозависимого одновибратора исследовательские работы проведены в двух вариантах с использованием разных номиналов полупроводникового терморезистора, В первом варианте использован ПТР ММТ, велицина номинала 100 кОм, Во втором варианте использован ПТР ММТ - 1; величина номинала 200 кОм. Все данные, относящиеся к характеристикам терморезистора, сведены в таблицу 1, Каждый вариант рас-смбтрен отдельно, терморезистор вмонти-. рован в контрольный обьект и удален от схемы. Связь со схемой произведена с помощью экранированных проводов. В первом варианте данные, полученные в результате проведенных исследовательских работ, занесены в таблицу, на основании этих данных построены выходные температурные характеристики при Р=100.Гц; при Р = 1 кГц; при Г = 10 кГц, Анализируя полуценные графики, можно условно разделить их на три участка: первый - начальный 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 +1250 С, График при Р = 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 5 ш = =100 мкс/ТС при частоте Г = 100 Гц, а при частоте Р = 1 кГц чувствительность Яц, = =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 Р = 100 Гц, при Р = 1 кГц, при Р = 10 к Гц, Графики в диапазоне температур от 10 С до 125 С имеют одинаковый вид и близки к линейной Форме. Для определенияпогрешности 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 125 ОС погрешность имеет небольшое допустимое положительное значение. Таким образом, при суммировании положительных и отрицательных погрешностей для диапазона температур от 10 до 125 ОС получаем погрешность, приблизительно равную нулю. Чувствительность (крутизна) ва втором варианте на линейном участке графиков при диапазоне температур от 10.до 125 С Яш =50 мкс/ТС при частоте Е =100 Гц, а при частоте Р = 1 кГц чувствительность Яш =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 ти = ЦТС) сохраняют свою линейность и высокую чувствительность.В 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 изобре тение - термозависимый однавибратарудовлетворяет выше изложенным требованиям и может успешно конкурировать с аналогами и прототипами. 15 формула изобретенияТермозависимый 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, вцепь базы которого включена времязадающая ЯС-цепь, а коллектор соединен с выходной шиной и с другим входам лагическага элемента ИЛИ-НЕ, а т л и ч а ю щ и й с я.25 тем, что, с целью расширения области при-,менения за счет обеспечения получения вы. ходных импульсаа. линейно изменяющихсяпо длительности в зависимости от температуры; в него введены параллельно саеди ненные диод, переменный резистор иполупроводниковый термарезистор, подключенные со стороны катода к конденсато-, ру цепи, а са стороны анода диода - к .: выходу логического элемента. ИЛИ-НЕ,1798896 Составител Техред М.М В. Филипповагентал Корректор П, Герещи оровэ едакт Заказ 778 ВНИИзводственно изд Тиражсударственного комитета по изобрете113035. Москва, Ж, Раушска ьский комбинат "Патен Подписноеиям и открытиям при ГКНТ СССя наб 4/5г" г. Ужгород, ул Гагарина. 101