Реферат: Регулятор температуры
1.Задание на курсовой проект
Требуетсяразработать регулятор температуры, который будет поддерживать температуру всоответствии с графиком задания Рис. 1.
Точностьсоответствия температуры заданию должна быть не ниже 12%.
/> t0C
/>/>/> 80
/>
/>
-10
~Uвх, В
0 100 200 220
Функциональнаясхема устройства :
Uп= 140+/-30%
/>
/>/>/>/>/>/>Uвх
/>/>/>/>/>/>/> ЗИ Р СУ VT1
/> /> /> /> /> /> /> /> /> />/>/>/> Дt Rн
/>
Требованияк узлам устройства:
1. Задатчикинтенсивности :
1.1. Uвх0= 0 В.
1.2. Uвх1 = ~220В; (напряжение сети).
1.3. Время нарастаниятемпературы 32 с.
1.4. Задатчик долженобеспечивать потенциальную развязку от напряжения сети.
2. Системауправления импульсным ключом:
2.1. Обосновать выбор типамодуляции.
2.2. Разработатьпринципиальную схему.
2.3. Рассчитать элементы.
3. Импульсный ключ:
Выбрать требуемый транзисторимпульсного ключа
по току и напряжению.
4. Нагревательныйэлемент :
Мощность нагревательногоэлемента 250 Вт.
5. Датчиктемпературы:
Выполняется на диоде.
6. Регулятор :
Пропорционально интегральныйрегулятор.
2. Импульсный ключ.
Выборсилового ключа производится из расчета максимального напряжения Uкэ max имаксимального тока Iк max
Unmax = Uн + 30% = 182 B = U кэ max
Iн= P/Uн = 1.786 A Номинальный ток через транзистор
Imax= U кэ max Iн / Uн Максимальный ток черезтранзистор
Транзисторвыбираем с запасом по току и напряжению 30%.
Uкэ max = Uп max + 30% = 236 B
Iк max = I max + 30% = 3.9 A
Выбран транзистор КТ858А , из раздела высокочастотные мощные, со следующими параметрами :
Iк max = 7А ; U кэ max = 400 В ; b = 10 ; U бэо max = 6 В; U кэ нас = 1 В
КIД= b / 3 = 3.33 Динамический коэффициент передачи по току
Iбmax = I max / KIД = 0.905 А
3.Система управления импульсным ключом.
3.1.Предоконечный каскад.
Выбор транзисторов впредоконечном каскаде проводится по следующим параметрам :
1. Un < Uбэоmax(силового ключа)
2. Iкmax= Iб(силового ключа) max + 50%
3.U кэ max = 2Un + 30%
Примем Un = 5 B
Тогда:
U кэ max = 13 В
Iкmax = 1.358 А
Для как можно большего уменьшения тока управлениянеобходимо в предоконечный каскад поставить транзистор с большим коэффициентомусиления. Важным условием так же является широкая полоса рабочих частот.
Поэтим параметрам выбран составной высокочастотный транзистор КТ972Б соследующими параметрами :
Iк max = 4А ; U кэ max = 45 В ; b = 750 ; U бэо max = 5 В; U кэ нас = 1.5 В
КIД= b / 3 = 250 Динамический коэффициент передачи по току
Определимток базы составного транзистора :
Iбmax = Iкmax / KIД = 0.005 А
Ток базы достаточно мал, значит можно уже использоватьмикросхему.
Для более быстрого отключения силового транзисторанеобходимо притянуть накопившиеся на его базе заряды к отрицательному полюсуисточника питания.
Дляэтого необходимо использовать транзистор типа p — n — p .
Произведемвыбор этого транзистора .
1. U кэ max = 2Un+ 30%
2. Iкmax= Iб(силового ключа) max + 50%
Выбран транзистор 2Т830А соследующими параметрами :
I к max = 2А ; Uкэ max = 25 В ; b = 25 ; U бэо max = 12 В; U кэ нас = 0.6 В
3.2. Управление ключомпоручим АЦП .
/>
/>/>/> K554CA3Б
/> 3 W
/>/> 4 2
/>/>/> 7 Q
/> R
/>/> 8 R 9
/>/>/>/>/>/> 11 Q
/> 6 +U
-U
Выберем компаратор К554СА3Бсо следующими параметрами:
Un = +/-15 B (+/-1.5 В) ; Iпот1 < 7.5 mA ; Iпот0 = 5 mA ;
Ucм < 7.5 mB;Iвхср < 0.25 mkA ;
Для управления импульсным ключом необходимо наего вход подавать управляющие импульсы, преобразованные из аналоговых сигналовзадания 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 компараторасигнал не сложной формы. А ШИМ — 1 более прост в настройке ( легко можнопосмотреть на экране осциллографа ). На один вход компаратора подаютсяконтрольные импульсы с генератора пилообразных импульсов. На другой входкомпаратора подаются сигнал задания и сигнал с датчика температуры,обработанные определенным образом.
Навыходе компаратора образуются управляющие импульсы.
3.3. Генераторпилообразных импульсов.
Генераторпилообразных импульсов сделаем на основе генератора прямоугольных импульсовпостроенного на логических элементах.
Генератор прямоугольныхимпульсов построим на основе микросхемы К561ЛН2, выполненной потехнологии КМОП. Эта микросхема содержит 6 логических элементов НЕ три изкоторых мы используем. На входы оставшихся трех элементов подадим логический уровень 1 .
/>/> +15B
/>/> R4
/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> <td/> /> <td/> /> />/>/>/>/>/>/> 1 1 1 R7 VT
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/> C2
/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> <td/> /> <td/> /> /> <td/> <td/> <td/> <td/> /> /> /> />/>/>/> R1 R2 R3 C1
/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> <td/> <td/> /> />/>/>/> VD
/>
Произведем расчет и выборнавесных элементов микросхемы.
Генератор будемстроить на частоту f = 10 Кгц, что соответствует периоду Т = 100 мкС .
Из этого условия выбираемсопротивление R4, принимая величину емкости С2 = 820 пФ.
R4 C2 = 100мкС R4= 1.22 105
Из ряда резисторов выбранноминал R4 = 130 Ком .
Величина параллельного сопротивления резисторов R2 R3должна находиться в пределах от 3 до 4 кОм, чтобы не перегрузить логическийэлемент по току.
ПренебрегаяR2 выберем R3 = 3.6 кОм .
Длительностьимпульса на выходе последнего логического элемента должна находиться впределах 1...2 мкс. Примем длительность импульса tи = 1.5 мкс. В моей схемедлительность импульса определяется С1 R3 = tи. Отсюда определим величинуемкости С1.
С1 = 4.167 10-10 Ф
Выберемвеличину емкости С1 из ряда емкостей С1 = 3.9 10-10.
С1R3 = 1.404 мкС. Это значение удовлетворяет нашему промежутку.
Вмоей схеме период импульса определяется С1 R2 = Т.
Отсюданайдем величину сопротивления R2
R2 =2.564 105 Ом
Изряда резисторов выберем номинал R2 = 2.7 105 Ом.
Величинасопротивления R1 должна находиться в пределах
10...500 Ком. Примем R1 = 100 Ком.
Транзисторв этой схеме выбран КТ603А со следующими параметрами Ikmax =0.3 A ; UКЭ = 30 В ; b = 80 .
РезисторR7 выбираем по току базы транзистора .
Ik= Ikmax — 30% = 0.21A
Iб= Ik / b = 2.625 mA
R7 =Un / Iб = 5714 Ом
Изряда резисторов выбираем номинал R7 = 5.6 Ком
4. Блокпитания
/>
-Uвх СТ -Uвых -15В
+Uвх +Uвых +15В
~220 В
GND
+5В
-5В
Блок питания требуется с двумя двухполярными источниками. Одним пяти вольтовым источником, для питания импульсного ключа, и вторымпятнадцати вольтовым источником питания, для микросхем .
Дляпитания импульсного ключа стабилизатор напряжения не нужен, и я используюпростую схему диодный мост VD11 — VD14 марки КД209 и конденсаторы С14= С15 = 100 мкФ и С12 = С13 = 0.01 мкФ .
Для остальных элементов требуется стабильное напряжениепитания. Выбор стабилизатора происходит по следующим параметрам: Uст = +/-15+/-1.5 В ; Iст >=0.04 .
Поэтим параметрам выбран двухполярный стабилизатор напряжения в интегральномисполнении 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
/> /> /> /> /> /> <td/> /> />/>/> VD1 R2
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>
/>/>/>/>/>/>/>/>/> VD2 R3
/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> <td/> /> /> <td/> <td/> /> /> <td/> <td/> <td/> /> /> /> <td/> <td/> /> /> /> />/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/> C2 VD3 R4
/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> <td/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />Исходя из заданияна курсовой проект к задатчику можно предъявить следующие требования:
1. Задатчик интенсивностидолжен обеспечивать потенциальную развязку от напряжения сети.
2. Время нарастаниятемпературы 32 сек.
Потенциальнуюразвязку обеспечивает трансформатор с коэффициентом передачи КП навходе задатчика.
Время нарастаниятемпературы обеспечивает схема интегратора собранная на операционном усилителе.
Произведемрасчет навесных элементов операционного усилителя в задатчике интенсивности.
Из графика заданиянайдем приблизительные коэффициенты пропорциональности резисторов R2 R3 R4 :
Кт = Dt / DU
Dt — изменение температуры наодном участке
DU — изменение напряжения натом же участке
Кт1 = 20 / 100 = 1.25
Кт2 = 35 / 100 = 0.35
Кт3 = 25 / 20 = 0.2
При ступенчатой подаче назадатчик интенсивности 220 (В) в работу включаются сразу все резисторы (R2, R3,R4). Примем их параллельное сопротивление равным Rтретьего = 4.7 Ком.
Тогда параллельноесопротивление резисторов R2 и R3 можно вычислить по формуле:
Rвторого = n1×Rтретьего= 1.679 10-4
где n1 = Кт3 / Кт2
Найдем величинусопротивления R2:
R2 = n2 ×Rвторого= 2.937 104
где n2 = Кт2 / Кт1
Выберем из ряда резисторовстандартный номинал R2 = 30 Ком
Rвторого = R2 /n2 = 1.714 104 Ом
Найдем величинусопротивления R3:
R3 = R2 ×Rвторого/ (R2 — Rвторого) = 4 104
Выберем из ряда резисторовстандартный номинал R3 = 43 Ком
Найдем величинусопротивления R4:
R4 = Rвторого ×Rтретьего/ (Rвторого — Rтретьего) = 6.427 103
Выберем из ряда резисторовстандартный номинал R3 = 6.2 Ком
По получившимся номиналамрезисторов посчитаем их общее сопротивление Rтретьего = 4.6 103.
Определим величинуемкости конденсатора в обратной связи операционного усилителя из условия :
Rтретьего ×C =32 сек
где Rтретьего — общее сопротивление резисторов R2, R3, R4.
С = 32 / Rтретьего= 0.00694 Ф.
Выберем из рядаконденсаторов стандартный номинал
С = 6800 мкФ.
Величина резистора R1 итипы стабилитронов зависят от выходного напряжения трансформатора. Примемвыходное напряжение трансформатора Uвых = 6 В, при входномнапряжении Uвх = 220 В.
Значит коэффициенттрансформации Ктр = 6 / 220 = 0.0273.
Выберем выпрямительный диод Д12Асо следующими параметрами: Iпр =100 мА, Uпр = 1В, Uобр = 50 В.
Учтем падение напряжения навыпрямительном диоде
Тогда при Uвх = 100 В Uвхоу= 1.9 В
при Uвх = 200 В Uвхоу=4.7 В
Выберем стабилитроны длятребуемых напряжений:
КС119А Uст =1.9 В Iст = 10 мА
КС147Г Uст =4.7 В Iст = 10 мА
Коэффициентусиления операционного усилителя сделаем равным двум, чтобы операционныйусилитель не вошел в насыщение. Тогда Uвыхоу = 10 В.
Конденсатор на входе операционного усилителя должен бытьдостаточно большой емкости, чтобы сгладить пульсации напряжения с выходавыпрямительного диода.
Примем емкость конденсатораС2 = 2200 мкФ.
6. Датчик температуры
/>/>/> +15B
/>/>/> R2
/>/>/> -15B R3
/>/>/>/>/>/>/>/> R4
/>
/>/>/>/>/> R1 R5
/>
/>/>/>/>/>/> VD
/> /> /> /> /> /> /> <td/> /> />По заданию на курсовойпроект датчик температуры должен быть выполнен на диоде. Выбран маломощныйвыпрямительный диод Д106 с параметрами Iпрср = 1 мА; Т мах= 1250.
Резистором R1 задает токчерез диод .
R1 = Un / Iпрср =15 Ком
Подаем на вход операционногоусилителя опорное напряжение через резисторы R3 и R2 .
Зададим падение напряженияна резисторе R2 = 5 В, что соответствует сопротивлению R2 = U / I = 15 /0.0001 = 150 Ком. Но резистор подстроечный и, следовательно, для удобстварегулировки нужен номинал в два раза больше. Примем сопротивление резистора R2= 300 Ком.
Зададим падение напряжения нарезисторе R3 U = 9 В при токе через него I = 0.00001 А.
R3 = U / I = 900 Ком
Выберем из ряда резисторовстандартный номинал R3 = 910 Ком.
Из расчета задатчикаинтенсивности видно, что при максимуме задания на выходе датчика температуры должно быть +10 В.
Соответственно подберемкоэффициент усиления операционного усилителя и номиналы резисторов во входнойветви и в ветви обратной связи.
Изменение падения напряженияна диоде составляет 2 (мВ/С0), на всем рабочем участке этоизменение падения напряжения составит 0.18 В. Это и будет максимальное входноенапряжение.
Тогда найдем коэффициентусиления К = Uвых / Uвх = 55.56 .
По этому значению подберемсопротивления R5, R4 .
Резистор R5 возьмемпеременный для компенсации ошибок задания, которые возникают из-за разбросовпараметров элементов схемы.
Примем величинусопротивления R5 = 10 Ком.
Тогда R4 = 5000 ×55.56 = 277 Ком .
Выберем из ряда резисторовстандартный номинал R4 = 270 Ком.