Регулятор температуры

1. Задание на курсовой проект

Требуется разработать регулятор температуры, который будет поддерживать температуру в соответствии с графиком задания Рис. 1.

Точность соответствия температуры заданию должна быть не ниже 12%.

t⁰C

80

-10

~Uвх,В

0 100 200 220

Функциональная схема устройства :

Uп = 140+/-30%

Uвх

ЗИ Р СУ VT1

Дt Rн

Требования к узлам устройства:

1. Задатчик интенсивности :

1.1. Uвх₀ = 0 В.

1.2. Uвх₁ = ~220 В ; (напряжение сети).

1.3. Время нарастания температуры 32 с.

1.4. Задатчик должен обеспечивать потенциальную развязку от напряжения сети.

2. Система управления импульсным ключом:

2.1. Обосновать выбор типа модуляции.

2.2. Разработать принципиальную схему.

2.3. Рассчитать элементы.

3. Импульсный ключ:

Выбрать требуемый транзистор импульсного ключа

по току и напряжению.

4. Нагревательный элемент :

Мощность нагревательного элемента 250 Вт.

5. Датчик температуры:

Выполняется на диоде.

6. Регулятор :

Пропорционально интегральный регулятор.

2. Импульсный ключ.

Выбор силового ключа производится из расчета максимального напряжения Uкэ max и максимального тока I_{к max}

U_{n max} = U_н + 30% = 182 B = U _{кэ max}

I_н = P/U_н = 1.786 A Номинальный ток через транзистор

I_max = U _{кэ max} I_н / U_н Максимальный ток через транзистор

Транзистор выбираем с запасом по току и напряжению 30%.

U _{кэ max} = U_{п max} + 30% = 236 B

I _{к max} = I _max + 30% = 3.9 A

Выбран транзистор КТ858А , из раздела высокочастотные мощные, со следующими параметрами :

I _{к max} = 7А ; U _{кэ max} = 400 В ; b = 10 ; U _{бэо max} = 6 В ; U _{кэ нас} = 1 В

К_IД = b / 3 = 3.33 Динамический коэффициент передачи по току

I_бmax = I _max / K_IД = 0.905 А

3. Система управления импульсным ключом.

3.1. Предоконечный каскад.

Выбор транзисторов в предоконечном каскаде проводится по следующим параметрам :

1. U_n < U_{бэо max(силового ключа)}

2. I_кmax = I_{б(силового ключа) max} + 50%

3. U _{кэ max} = 2U_n + 30%

Примем Un = 5 B

Тогда :

U _{кэ max} = 13 В

I_кmax = 1.358 А

Для как можно большего уменьшения тока управления необходимо в предоконечный каскад поставить транзистор с большим коэффициентом усиления. Важным условием так же является широкая полоса рабочих частот.

По этим параметрам выбран составной высокочастотный транзистор КТ972Б со следующими параметрами :

I _{к max} = 4А ; U _{кэ max} = 45 В ; b = 750 ; U _{бэо max} = 5 В ; U _{кэ нас} = 1.5 В

К_IД = b / 3 = 250 Динамический коэффициент передачи по току

Определим ток базы составного транзистора :

I_{б max} = I_кmax / K_IД = 0.005 А

Ток базы достаточно мал, значит можно уже использовать микросхему.

Для более быстрого отключения силового транзистора необходимо притянуть накопившиеся на его базе заряды к отрицательному полюсу источника питания.

Для этого необходимо использовать транзистор типа p - n - p .

Произведем выбор этого транзистора .

1. U _{кэ max} = 2U_n + 30%

2. I_кmax = I_{б(силового ключа) max} + 50%

Выбран транзистор 2Т830А со следующими параметрами :

I _{к max} = 2А ; U _{кэ max} = 25 В ; b = 25 ; U _{бэо max} = 12 В ; U _{кэ нас} = 0.6 В

3.2. Управление ключом поручим АЦП .

K554CA3Б

3 W

4 2

7 Q

R

8 R 9

11 Q

6 +U

-U

Выберем компаратор К554СА3Б со следующими параметрами:

U_n = +/-15 B (+/-1.5 В) ; I_пот1 < 7.5 mA ; I_пот0 = 5 mA ;

U_cм < 7.5 mB ; I_вхср < 0.25 mkA ;

Для управления импульсным ключом необходимо на его вход подавать управляющие импульсы, преобразованные из аналоговых сигналов задания и сигнала с датчика температуры. Для этой цели выберем широтно импульсную модуляцию ШИМ - 1. Я реализую ШИМ - 1 модулятор на компараторе. Более точная модуляция в данном проекте не требуется т.к. на входе компаратора сигнал не сложной формы. А ШИМ - 1 более прост в настройке ( легко можно посмотреть на экране осциллографа ). На один вход компаратора подаются контрольные импульсы с генератора пилообразных импульсов. На другой вход компаратора подаются сигнал задания и сигнал с датчика температуры, обработанные определенным образом.

На выходе компаратора образуются управляющие импульсы.

3.3. Генератор пилообразных импульсов.

Генератор пилообразных импульсов сделаем на основе генератора прямоугольных импульсов построенного на логических элементах.

Генератор прямоугольных импульсов построим на основе микросхемы К561ЛН2 ,выполненной по технологии КМОП . Эта микросхема содержит 6 логических элементов НЕ три из которых мы используем. На входы оставшихся трех элементов подадим логический уровень 1 .

+15 B

R4

1 1 1 R7 VT

C2

R1 R2 R3 C1

VD

Произведем расчет и выбор навесных элементов микросхемы.

Генератор будем строить на частоту f = 10 Кгц , что соответствует периоду Т = 100 мкС .

Из этого условия выбираем сопротивление R4, принимая величину емкости С2 = 820 пФ.

R4 C2 = 100мкС R4 = 1.22 10⁵

Из ряда резисторов выбран номинал R4 = 130 Ком .

Величина параллельного сопротивления резисторов R2 R3 должна находиться в пределах от 3 до 4 кОм, чтобы не перегрузить логический элемент по току.

Пренебрегая R2 выберем R3 = 3.6 кОм .

Длительность импульса на выходе последнего логического элемента должна находиться в пределах 1...2 мкс. Примем длительность импульса tи = 1.5 мкс. В моей схеме длительность импульса определяется С1 R3 = tи . Отсюда определим величину емкости С1.

С1 = 4.167 10^-10 Ф

Выберем величину емкости С1 из ряда емкостей С1 = 3.9 10^-10.

С1 R3 = 1.404 мкС. Это значение удовлетворяет нашему промежутку.

В моей схеме период импульса определяется С1 R2 = Т.

Отсюда найдем величину сопротивления R2

R2 = 2.564 10⁵ Ом

Из ряда резисторов выберем номинал R2 = 2.7 10⁵ Ом.

Величина сопротивления R1 должна находиться в пределах

10...500 Ком . Примем R1 = 100 Ком.

Транзистор в этой схеме выбран КТ603А со следующими параметрами I_kmax = 0.3 A ; U_КЭ = 30 В ; b = 80 .

Резистор R7 выбираем по току базы транзистора .

I_k = I_kmax - 30% = 0.21A

I_б = I_k / b = 2.625 mA

R7 = Un / I_б = 5714 Ом

Из ряда резисторов выбираем номинал R7 = 5.6 Ком

4. Блок питания

-U_вх СТ -U_{вых -15В}

+U_вх +U_{вых +15В}

~220 В

GND

^+5В

^-5В

Блок питания требуется с двумя двухполярными источниками. Одним пяти вольтовым источником , для питания импульсного ключа, и вторым пятнадцати вольтовым источником питания , для микросхем .

Для питания импульсного ключа стабилизатор напряжения не нужен, и я использую простую схему диодный мост VD11 - VD14 марки КД209 и конденсаторы С14 = С15 = 100 мкФ и С12 = С13 = 0.01 мкФ .

Для остальных элементов требуется стабильное напряжение питания. Выбор стабилизатора происходит по следующим параметрам : Uст = +/-15 +/-1.5 В ; Iст >=0.04 .

По этим параметрам выбран двухполярный стабилизатор напряжения в интегральном исполнении 142ЕН6Б со следующими параметрами : Uст = +/-15 +/-0.015 В ; Iст = 0.2 А .

Остальная схема представляет собой диодный мост VD2 - VD5 марки КЦ405Е . Емкости на входе стабилизатора должны быть на два порядка выше, чем на выходе, поэтому выбраны следующие конденсаторы С4 = С5 = 1000 мкФ , а С7 = С8 = 10 мкФ .

5. Задатчик интенсивности

R1

C1

VD1 R2

VD2 R3

C2 VD3 R4

Исходя из задания на курсовой проект к задатчику можно предъявить следующие требования :

1. Задатчик интенсивности должен обеспечивать потенциальную развязку от напряжения сети.

2. Время нарастания температуры 32 сек.

Потенциальную развязку обеспечивает трансформатор с коэффициентом передачи К_П на входе задатчика.

Время нарастания температуры обеспечивает схема интегратора собранная на операционном усилителе.

Произведем расчет навесных элементов операционного усилителя в задатчике интенсивности.

Из графика задания найдем приблизительные коэффициенты пропорциональности резисторов R2 R3 R4 :

Кт = Dt / DU

Dt - изменение температуры на одном участке

DU - изменение напряжения на том же участке

Кт1 = 20 / 100 = 1.25

Кт2 = 35 / 100 = 0.35

Кт3 = 25 / 20 = 0.2

При ступенчатой подаче на задатчик интенсивности 220 (В) в работу включаются сразу все резисторы (R2, R3, R4). Примем их параллельное сопротивление равным R_{третьего} = 4.7 Ком .

Тогда параллельное сопротивление резисторов R2 и R3 можно вычислить по формуле :

R_{второго} = n1×R_{третьего} = 1.679 10^-4

где n1 = Кт3 / Кт2

Найдем величину сопротивления R2 :

R2 = n2 ×R_{второго} = 2.937 10⁴

где n2 = Кт2 / Кт1

Выберем из ряда резисторов стандартный номинал R2 = 30 Ком

R_{второго} = R2 / n2 = 1.714 10⁴ Ом

Найдем величину сопротивления R3 :

R3 = R2 ×R_{второго} / (R2 - R_{второго}) = 4 10⁴

Выберем из ряда резисторов стандартный номинал R3 = 43 Ком

Найдем величину сопротивления R4 :

R4 = R_{второго} ×R_{третьего} / (R_{второго} - R_{третьего}) = 6.427 10³

Выберем из ряда резисторов стандартный номинал R3 = 6.2 Ком

По получившимся номиналам резисторов посчитаем их общее сопротивление R_{третьего} = 4.6 10³ .

Определим величину емкости конденсатора в обратной связи операционного усилителя из условия :

R_{третьего} ×C = 32 сек

где R_{третьего} - общее сопротивление резисторов R2, R3, R4.

С = 32 / R_{третьего} = 0.00694 Ф.

Выберем из ряда конденсаторов стандартный номинал

С = 6800 мкФ.

Величина резистора R1 и типы стабилитронов зависят от выходного напряжения трансформатора. Примем выходное напряжение трансформатора U_вых = 6 В, при входном напряжении U_вх = 220 В.

Значит коэффициент трансформации Ктр = 6 / 220 = 0.0273.

Выберем выпрямительный диод Д12А со следующими параметрами: I_пр = 100 мА , U_пр = 1 В, U_обр = 50 В.

Учтем падение напряжения на выпрямительном диоде

Тогда при Uвх = 100 В U_вхоу = 1.9 В

при Uвх = 200 В U_вхоу =4.7 В

Выберем стабилитроны для требуемых напряжений:

КС119А Uст = 1.9 В Iст = 10 мА

КС147Г Uст = 4.7 В Iст = 10 мА

Коэффициент усиления операционного усилителя сделаем равным двум, чтобы операционный усилитель не вошел в насыщение. Тогда U_выхоу = 10 В.

Конденсатор на входе операционного усилителя должен быть достаточно большой емкости, чтобы сгладить пульсации напряжения с выхода выпрямительного диода.

Примем емкость конденсатора С2 = 2200 мкФ.

6. Датчик температуры

+15B

R2

-15B R3

R4

R1 R5

VD

По заданию на курсовой проект датчик температуры должен быть выполнен на диоде. Выбран маломощный выпрямительный диод Д106 с параметрами I_прср = 1 мА ; Т _мах = 125⁰ .

Резистором R1 задает ток через диод .

R1 = Un / I_прср = 15 Ком

Подаем на вход операционного усилителя опорное напряжение через резисторы R3 и R2 .

Зададим падение напряжения на резисторе R2 = 5 В , что соответствует сопротивлению R2 = U / I = 15 / 0.0001 = 150 Ком. Но резистор подстроечный и, следовательно, для удобства регулировки нужен номинал в два раза больше. Примем сопротивление резистора R2 = 300 Ком.

Зададим падение напряжения на резисторе R3 U = 9 В при токе через него I = 0.00001 А.

R3 = U / I = 900 Ком

Выберем из ряда резисторов стандартный номинал R3 = 910 Ком.

Из расчета задатчика интенсивности видно, что при максимуме задания на выходе датчика температуры должно быть +10 В.

Соответственно подберем коэффициент усиления операционного усилителя и номиналы резисторов во входной ветви и в ветви обратной связи.

Изменение падения напряжения на диоде составляет 2 (мВ/С⁰) , на всем рабочем участке это изменение падения напряжения составит 0.18 В. Это и будет максимальное входное напряжение.

Тогда найдем коэффициент усиления К = Uвых / Uвх = 55.56 .

По этому значению подберем сопротивления R5, R4 .

Резистор R5 возьмем переменный для компенсации ошибок задания, которые возникают из-за разбросов параметров элементов схемы.

Примем величину сопротивления R5 = 10 Ком.

Тогда R4 = 5000 × 55.56 = 277 Ком .

Выберем из ряда резисторов стандартный номинал R4 = 270 Ком.