Электронный измеритель-регулятор температуры (стр. 5 из 9)
1–10 кОм
R8, R9, R10, R11 – резисторы задания напряжений на входах усилителей 3–30 кОм
R11 – резистор местной обратной связи 10 кОм-1 мОм
С1 – фильтр питания микросхемы 0,1–10 мкФ
С2 – конденсатор задания частоты 1–33 нФ
СЗ – конденсатор задания длительности «мягкого» запуска 0,1–10мкФ
С4 – конденсатор коррекции частотной характеристики
С5 – фильтр выходного напряжения 0–1 мкФ
ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ
(при температуре 25 °С)
Напряжение питания, В ………………………………………………….12±5%
Ток потребления, мА, не более ……………………………………..20
Ток закрытой микросхемы, мкА, не более.…………………………..100
Остаточное напряжение, В, не более……………………………………1,3
Опорное напряжение, В ……………………………………………от 4,5 до 5,5
Длительность фронта импульса выходного тока, не, не более …..100
Длительность среза импульса выходного тока, не,
не более.............................................. …………………………………..200
Температурный коэффициент опорного напряжения,
% /°С, не более.................................. ……….…………………………. 0,03
Нестабильность по напряжению источника опорного
напряжения, %, не более................... ………………………………. 0,05
Нестабильность по току источника опорного напряжения,
%, не более......................................... …………………………………1
ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ И
РЕЖИМОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Напряжение питания, В:
Максимальное ………………………………….40
минимальное ..................................... …………………………………..7
Максимальный выходной ток, мА... …………………………………200
Максимальный выходной ток источника опорного
напряжения, мА................................. ………………………………. 10
Максимальная рассеиваемая мощность, Вт:
при температуре от минус 10 до +25 °С.…….…………………….1
при температуре 70 °С...................... …………………………………. 0,5
Максимальная частота коммутации, кГц …………………….…..200
2.4 Работа принципиальной схемы ЭИРТ
Описание принципиальной схемы электронного термометра схемы начнём со схемы питания. При её разработке можно было остановиться на наиболее простой и надёжной схеме на базе понижающего трансформатора, но на основе расчётов по потребляемой мощности, которая составляет 4Вт и используя данные из [3] следует, что трансформатор для этой мощности имеет большие линейные размеры и массу, противоречит одному из пунктов технического задания-минимальным массо-габаритным показателям. Ещё одним условием является наличии гальванической развязки между сетью и элементами схемы. Поэтому применён трансформатор, конструктивно представляющий собой ферритовое кольцо небольшого диаметра с намотанным на него медным проводом (марка феррита 2000НМ). В случае необходимости увеличения потребляемой мощности можно параллельно конденсатору С1 включить ещё один конденсатор необходимой ёмкости.
Основными элементами схемы питания является генератор тактовых импульсов, выполненный на базе микросхемы К1114ЕУ4 и трансформатор. Для того чтобы не делать сложной схему и не использовать высоковольтные транзисторы в данном устройстве используется метод гашения избыточного переменного напряжения балансным конденсатором C1 с последующим выпрямлением диодным мостом VD1 и стабилизацией напряжения стабилитроном VD2. Г-образные цепочки L1C2 и L2C3 выполняют роль сетевого фильтра, т.е. предотвращают попадание высокочастотных помех от импульсного преобразователя в сеть. Резистор R1 уменьшает бросок тока зарядки конденсаторов в момент включения прибора в сеть. Резистор R2 служит для разрядки конденсатора C1 после выключения устройства из сети. К выводам 5,6 микросхемы DD1 подключены частото-задающие элементы R3 и C4. Их номиналы подобраны таким образом, что частота коммутации составляет 60 кГц. Подачей напряжения 5В на вывод 13 микросхемы от опорного стабилизатора задаётся её режим, а подачей низкого уровня на неинвертирующие входы (выводы 1,16) и подачей напряжения 5В от внутреннего стабилизатора на инвертирующие входы операционного усилителя (выводы 2,15) отключается схема регулировки напряжения и защиты от перегрузки DD1. После этого сформированный внутри микросхемы сигнал подаётся на мощные ключевые транзисторы, которыми управляются выходные каскады преобразователя, выполненные на кремниевых транзисторах К814Г, в коллекторную нагрузку которых включён трансформатор Т1. Конденсаторы С6, С7 устраняют нежелательные выбросы напряжения. Подачей на вход 4 микросхемы положительного напряжения 0,7В, снимаемого с включенного в прямом направлении диода VD6 задаётся пауза. Она необходима для того, чтобы устранить сквозные токи, которые возникают вследствии недостаточного быстродейсвия биполярных транзисторов, когда один транзистор ещё не успел закрыться, а второй уже открылся. Конденсатор С5 сглаживает пульсации. Напряжение 12В и 5В, необходимые для питания схемы термометра, снимаются со вторичной обмотки трансформатора Т1 и выпрямляются диодными мостами VD4и VD5, выполненными на диодах марки КД510 и сглаживаются фильтрами низких частот C10L4C12 и C11L5C13 соответственно.
Схема ЭИРТ фактически состоит из 2 основных составляющих: датчика, непосредственно схемы термометра.
Сигнал с выхода датчика (микросхемы К1019ЕМ1) через замкнутые контакты SA1 поступает на вывод 31 микросхемы DD2 КР572ПВ2А. На неё же с движков переменных резисторов R20, R16 поступает напряжение +3,732В и +2,732В соответственно, т.е. разность патенциалов между 36 и 35 выводами равна 1В. К 38 и 39 подключена частото-задающая цепь R25C24. Цепочка из резистора R24 и конденсаторов С20, С22, С23 обеспечивают режим работы микросхемы. Резисторы R15-R21 и стабилизатор DA5 КР142ЕН8А представляют собой формирователь опорных сигналов. Помимо напряжений +3,732В и +2,732В с него снимается напряжение 2,732+0,382=3,114В соответствующее температуре установки 38,1С. Это напряжение подаётся на пороговое устройство, которое предназначено для отключения нагревательных элементов при достижении температуры выше температуры установки и представляет собой прецезионный операционный усилитель DA3 К140УД17 и компаратор DA4 К554СА3. Резисторы R13, R14 и диод VD6 задают величину гестерезиса (разницу между порогом включения и выключения) при переключении DA3. Прецезионный операционный усилитель применён из-за необходимости с точностью до десятых долей градуса поддерживать температуру установки. Напряжение +3,114В поступает на неинвертирующий вход DA3, а на инвертирующий поступает сигнал с сухого датчика и в результате происходит сравнение напряжения с датчика с установочным и если оно превышает его, то срабатывает компаратор, который включает реле, которое в свою очередь отключает нагревательные элементы. Об этом сигнализирует светодиод, который загорается в этот момент. Резистор R28 ограничивает ток через него. Диод VD7 предназначен для устранения выброса напряжения реле. Переключатель SA2 нужен для установки температуры переключения, т.е. при замыкании контактов в одном положении индикаторы показывают измеряемую температуру, а при другом будет отображать установку температуры переключения, которая может быть изменена с помощью переменного резистора R15. Переключатель SA1 необходим для снятия сигнала в одном положении с сухого датчика, в другом – с влажного. Для отображения температуры установки применён четырёхразрядный светодиодный цифровой индикатор. Ток через резистор R27 формирует запятую на одном из них. Индикатор HG1 указывает знак и первую цифру наибольшего значения измеряемой температуры – «еденицу». Через горизонтальный элемент индикатора течёт ток (определяемый резистором R26, из-за чего элемент постоянно высвечивает знак «минус» Резисторы R9, R10 предназначены для калибровки датчиков влажного и сухого соответственно, а резисторы R11, R12 задают рабочий ток через них.
2.5 Расчёт узла схемы питания
Причиной выбора мной бестрансформаторного блока питания (БТБП) со стабилизированным выходным напряжением послужила возможность избежать трудоемкого изготовления малогабаритного сетевого трансформатора, если нет готового, подходящего по параметрам.
Встречающиеся в технической литературе методики расчета БТБП, как правило, излишне сложны и трудоемки.
БТБП – это, по существу, параметрический стабилизатор напряжения, в котором роль токоограничительного резистора выполняет гасящий конденсатор.
Рис. 2.6.
Упрощенная схема БТБП приведена на рис. 2.6. Диодный мост VD1 подключён к сети не непосредственно, а через гасящий конденсатор Сгас, включенный последовательно с одной из диагоналей моста. В другую диагональ моста включена нагрузка Rн. Параллельно нагрузке подключены фильтрующий конденсатор Сф и стабилитрон VD2.
Расчет блока питания начинают с задания напряжения на нагрузке (Uн) и потребляемого тока (IН). Чем больше будет емкость конденсатора Сгас, тем, естественно, выше энергетические возможности БТБП, и наоборот.
В таблице 2. 1. приведены данные по емкостному сопротивлению (Хс) конденсатора Сгас на частоте 50 Гц и эффективному значению тока Iэфф, текущего через конденсатор Сгас, вычисленные для случая, когда Rн=0, то есть при коротком замыкании нагрузки.
Кстати, этот аномальный режим для БТБП безвреден. Мы видим, что при Сгас=0,1 мкФ эффективный ток Iэфф, не превышает 7 мА, а при Сгас=1мкФ – 70 мА (при напряжении сети 220 В). Эти данные можно вычислить пользуясь формулами:
Хс=10/(π* Сгас)=3,183/ Сгас (2.1.)
Iэфф=220/ Xc=220* π*(Сгас/10)=69,11* Сгас (2.2.)
где Хс – в килоомах,
Сгас – в микофарадах,
Iэфф – в милиамперах
Таблица 2.1. Ёмкостное сопротивление конденсатора на частоте 50 Гц
| Rн=0 | Rн>0 | ||
| Сгас, мкф | Хс, кОм | Iэфф, мА | Iср, мА |
| 0,1 | 31,83 | 6,9 | 6,2 |
| 0,15 | 21,22 | 10,4 | 9,3 |
| 0,2 | 15,19 | 13,8 | 12,4 |
| 0,25 | 12,73 | 17,3 | 15,5 |
| 0,3 | 10,61 | 20,7 | 16,7 |
| 0,6 | 6,36 | 34,6 | 31,1 |
| 0,75 | 4,24 | 51,3 | 46,6 |
| 1,0 | 3,18 | 69,1 | 82,2 |
| 2,0 | 1,69 | 136,2 | 124,4 |
| 2,5 | 1,27 | 172,8 | 156,6 |
| 3,0 | 1 | 207,3 | 186,6 |
| 5,0 | 0,63 | 345,4 | 311,1 |
| 10,0 | 0,32 | 691,8 | 622,2 |
При Rн>0 в работу вступает фильтрующий конденсатор Сф, поэтому вместо эффективного значения тока следует брать средневыпрямленный (пульсирующий) ток, равный