RU2359309C2 - Device for regulating temperature of object - Google Patents

Device for regulating temperature of object Download PDF

Info

Publication number
RU2359309C2
RU2359309C2 RU2007125087/28A RU2007125087A RU2359309C2 RU 2359309 C2 RU2359309 C2 RU 2359309C2 RU 2007125087/28 A RU2007125087/28 A RU 2007125087/28A RU 2007125087 A RU2007125087 A RU 2007125087A RU 2359309 C2 RU2359309 C2 RU 2359309C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
transistor
product
output
heater
Prior art date
Application number
RU2007125087/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2007125087A (en
Inventor
Алексей Александрович Федосов (RU)
Алексей Александрович Федосов
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" filed Critical Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority to RU2007125087/28A priority Critical patent/RU2359309C2/en
Publication of RU2007125087A publication Critical patent/RU2007125087A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2359309C2 publication Critical patent/RU2359309C2/en

Links

Landscapes

  • Control Of Temperature (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: present invention relates to electrical engineering, electronics and heat engineering. The device for regulating temperature of an object contains power supply circuits connected to each other, series-connected temperature sensor, amplifier, connected to the second power supply circuit, and a transistor, the output of which together with the first power supply circuit forms the output of the device for connecting to a heater. The device also contains series-connected second temperature sensor, second amplifier, connected to the third power supply circuit, and a current generator, the output of which is connected in series with the above mentioned transistor and connected to the common power supply circuit of the device. The first and second temperature sensors, transistor and current generator can minimise transient thermal impedance relative the object, on which the device is fitted.
EFFECT: increased reliability through elimination of probability of heating whenever there is a fault in the device, and increased functional capabilities of the device due to provision for combining the role of temperature regulator and heater without lowering reliability of the executed function.
3 cl, 1 dwg

Description

Устройство для стабилизации температуры изделия относится к областям электротехники, электроники и теплотехники и может быть использовано по своему непосредственному назначению, а именно - для автоматического нагревания и поддержания температуры элементов, деталей конструкции, узлов электроники, температуры в микротермостатах, поля температур различных протяженных объектов и т.п. в ситуациях, когда температура изделия должна превышать температуру окружающей среды.A device for stabilizing the temperature of a product belongs to the fields of electrical engineering, electronics, and heat engineering and can be used for its intended purpose, namely, to automatically heat and maintain the temperature of elements, structural parts, electronics, temperature in microthermostats, temperature fields of various extended objects, etc. .P. in situations where the temperature of the product must exceed the ambient temperature.

Известен стабилизатор температуры, использующий биметаллические пластины с контактами, размыкающимися при достижении заданной температуры, использующийся, например, в утюгах.A known temperature stabilizer using bimetallic plates with contacts that open when the desired temperature is reached, is used, for example, in irons.

Однако такой стабилизатор температуры обладает малым ресурсом работы и низкой точностью поддержания температуры.However, such a temperature stabilizer has a small service life and low accuracy of temperature maintenance.

Известны устройства для стабилизации (регулирования) температуры изделия, содержащие задатчики температуры, датчики температуры, усилители, исполнительные устройства и нагреватели от очень сложных [1] до очень простых [2].Known devices for stabilization (regulation) of the temperature of the product, containing temperature controllers, temperature sensors, amplifiers, actuators and heaters from very complex [1] to very simple [2].

Несмотря на значительную разницу в исполнении этих устройств, они обладают пониженной надежностью и для них обязательно требуются для стабилизации температуры непосредственно нагреватели. При этом в таких устройствах размещение датчиков температуры, нагревателей и регуляторов вблизи друг друга обычно затруднительно. За счет этого появляется ошибка в определении температуры, запаздывание в контуре стабилизации температуры и возможен перегрев. Кроме того, эти устройства ненадежны в принципе: в них возможны дефекты деталей, которые приведут к невозможности как включить, так и выключить нагреватель и стабилизируемая по температуре аппаратура может выйти из строя. А при коротком замыкании нагревателя может выйти из строя само устройство, вывести из строя источник питания. В связи с этим такие устройства стабилизации температуры изделия не могут быть применены для использования по назначению в особо ответственных системах, например в составе космических аппаратов либо для поддержания в заданных пределах температуры реагентов в сложных технологических процессах.Despite the significant difference in the performance of these devices, they have a reduced reliability and they require heaters directly to stabilize the temperature. Moreover, in such devices, the placement of temperature sensors, heaters and regulators close to each other is usually difficult. Due to this, an error appears in determining the temperature, a delay in the temperature stabilization circuit, and overheating is possible. In addition, these devices are unreliable in principle: parts may be defective, which will lead to the inability to turn the heater on and off, and temperature-stabilized equipment may fail. And with a short circuit in the heater, the device itself may fail, damage the power source. In this regard, such devices for stabilizing the temperature of a product cannot be used for their intended purpose in especially critical systems, for example, as part of spacecraft, or for maintaining reagents in specified limits within complex technological processes.

Наиболее близким по исполнению (прототипом) может быть признано одно из упомянутых устройств [2], содержащее цепи питания, соединенные последовательно датчик температуры, усилитель, подключенные к цепи питания, и транзистор, при этом выход транзистора образует выход устройства для подключения нагревателя. Роль задатчика температуры в прототипе выполняет усилитель устройства, выполненный в виде триггера Шмидта и имеющий порог срабатывания и порог отпускания по входному напряжению. Эти пороги по отношению к сигналам с датчика температуры соответствуют диапазону стабилизации температуры изделия. Изменение порогов срабатывания триггера Шмидта позволяет изменять диапазон заданных температур.The closest in execution (prototype) can be recognized as one of the mentioned devices [2], containing power circuits connected in series to a temperature sensor, an amplifier connected to a power circuit, and a transistor, while the output of the transistor forms the output of the device for connecting the heater. The role of the temperature setter in the prototype is performed by the amplifier of the device, made in the form of a Schmidt trigger and having a response threshold and a release threshold for the input voltage. These thresholds with respect to the signals from the temperature sensor correspond to the range of temperature stabilization of the product. Changing the thresholds of the Schmidt trigger allows you to change the range of set temperatures.

Однако, как было указано ранее, это устройство ненадежно и обладает функциональными недостатками - возможностью перерегулирования, особенно при системе управления, имеющей гистерезис и запаздывание, а также возможностью катастрофического отказа при выхода из строя самого регулятора, либо при коротком замыкании в нагревателе.However, as mentioned earlier, this device is unreliable and has functional drawbacks - the possibility of overshooting, especially with a control system having hysteresis and delay, as well as the possibility of a catastrophic failure in case of failure of the controller itself, or with a short circuit in the heater.

Задача предложения - увеличение надежности устройства стабилизации температуры изделия путем исключения вероятности перегрева или катастрофического выхода из строя при одном любом отказе в устройстве либо в нагревателе и расширение функциональных возможностей устройства за счет резервирования, обеспечения возможности совмещения роли регулятора температуры и нагревателя в одном моноблоке и увеличения быстродействия.The objective of the proposal is to increase the reliability of the device to stabilize the temperature of the product by eliminating the likelihood of overheating or catastrophic failure during any one failure in the device or in the heater and expanding the functionality of the device due to redundancy, ensuring the possibility of combining the role of the temperature controller and heater in one monoblock and increasing speed .

Эта задача решается тем, что в устройство для стабилизации температуры изделия, содержащее цепи питания устройства, последовательно соединенные датчик температуры, усилитель, подключенные ко второй цепи питания, и транзистор, выход которого совместно с первой цепью питания образует выход устройства для подключения нагревателя, введены последовательно соединенные второй датчик температуры, второй усилитель, подключенные к третьей цепи питания, и генератор тока, при этом выход генератора тока включен последовательно с упомянутым транзистором и подключен к общей цепи питания устройства.This problem is solved in that in a device for stabilizing the temperature of the product, containing the device’s power supply circuit, a temperature sensor connected in series, an amplifier connected to the second power supply circuit, and a transistor, the output of which together with the first power supply circuit forms the device output for connecting the heater, are introduced in series connected by a second temperature sensor, a second amplifier connected to a third power circuit, and a current generator, while the output of the current generator is connected in series with said trans Storey and connected to the common power circuit device.

Кроме того, вторая и третья цепи питания выполнены в виде стабилизированных источников питания.In addition, the second and third power circuits are made in the form of stabilized power sources.

Кроме того, первый и второй датчики температуры, транзистор и генератор тока выполнены с минимальным переходным тепловым сопротивлением в виде моноблока на теплопроводящей поверхности, предназначенной для теплообмена с корпусом изделия, на котором устройство устанавливается.In addition, the first and second temperature sensors, a transistor, and a current generator are made with a minimum transitional thermal resistance in the form of a monoblock on a heat-conducting surface designed for heat exchange with the body of the product on which the device is installed.

На чертеже представлена блок-схема устройства для стабилизации температуры изделия, каждый блок которой для примера проиллюстрирован схемой электрической принципиальной, при этом на чертеже и в тексте применены следующие обозначения:The drawing shows a block diagram of a device for stabilizing the temperature of a product, each block of which is illustrated for example by an electrical circuit diagram, while the following notation is used in the drawing and in the text:

1 - датчик температуры,1 - temperature sensor,

2 - усилитель,2 - amplifier

3 - второй датчик температуры,3 - second temperature sensor,

4 - второй усилитель,4 - second amplifier

5 - генератор тока,5 - current generator,

6 - вторая цепь питания,6 - the second power circuit,

7 - третья цепь питания,7 - the third power circuit,

N1 - первая цепь питания,N1 - the first power circuit,

N2 - общая цепь питания,N2 - common power circuit,

N3 - выход устройства,N3 - device output,

N4 - выход устройства,N4 - device output,

RH - нагреватель,R H is a heater

VT3 - транзистор,VT3 - transistor,

Е - напряжение питания устройства,E is the voltage of the device

GND - общая цепь питания.GND is a common power circuit.

Выполнены узлы устройства следующим образом.Made nodes of the device as follows.

Датчик температуры 1 образован делителем напряжения из терморезистора RT1 и резистора R2. Его выходное напряжение зависит от напряжения второй цепи питания 6, подаваемого на него, и от соотношения сопротивлений RT1/(RT1+R2), и, следовательно, от температуры терморезистора RT1. Усилитель 2 на транзисторах VT1 и VT2, выполненный по схеме триггера Шмидта, фактически является задатчиком температуры и одновременно - усилителем. Его режим задает пороги срабатывания и отпускания по напряжению, определяемые в первом приближении соотношениями сопротивлений резисторов R3/R4 и R3/R7 и напряжением питания, подаваемым на этот усилитель с выхода второй цепи питания, фактически - со стабилизатора напряжения 6. При этом пороги срабатывания триггера Шмидта и выходные напряжения датчика температуры 1 при заданных температурах должны соответствовать друг другу. Транзистор VT3 открывается по сигналу с выхода усилителя 2 (при срабатывании триггера Шмидта) напряжением с резистора R7.Temperature sensor 1 is formed by a voltage divider from RT1 and resistor R2. Its output voltage depends on the voltage of the second power circuit 6 supplied to it, and on the ratio of the resistances RT1 / (RT1 + R2), and, therefore, on the temperature of the thermistor RT1. The amplifier 2 on transistors VT1 and VT2, made according to the Schmidt trigger scheme, is actually a temperature setter and at the same time an amplifier. Its mode sets the response and release thresholds for voltage, determined in a first approximation by the ratios of the resistances of the resistors R3 / R4 and R3 / R7 and the supply voltage supplied to this amplifier from the output of the second power circuit, in fact - from the voltage regulator 6. In this case, the trigger thresholds Schmidt and the output voltage of the temperature sensor 1 at given temperatures must correspond to each other. The transistor VT3 opens by a signal from the output of amplifier 2 (when the Schmidt trigger is triggered) by the voltage from resistor R7.

Второй датчик температуры 3 образован делителем напряжения из резистора R10 и терморезистора RT2, подключенным к третьей цепи питания 7. Выходное напряжение этого датчика температуры зависит от напряжения на этой цепи питания 7 и соотношения сопротивлений R10/(RT2+R10) и, следовательно, от температуры терморезистора RT2. Второй усилитель 4 на транзисторе VT4 и резисторах R11-R13, подключенный также к третьей цепи питания, фактически - к стабилизатору напряжения 7, работает в нелинейном режиме: в зависимости от соотношения напряжений на эмиттере и базе этого транзистора он может быть полностью закрыт (при реальной температуре изделия выше максимально допустимой), работать в линейном режиме (температура изделия должна находиться в заданных пределах) или перейти в режим насыщения (при реальной температуре изделия ниже минимально допустимой). При этом на линейном участке выходной характеристики второго усилителя 4 его выходное напряжение на резисторе R13 изменяется от нуля до максимального значения, определяемого током транзистора VT4 и сопротивлением резистора R13. Начало и окончание работы транзистора VT4 второго усилителя 4 в линейном режиме и напряжения второго датчика температуры 3 при заданных температурах должны также соответствовать друг другу.The second temperature sensor 3 is formed by a voltage divider from the resistor R10 and the RT2 thermistor connected to the third power supply circuit 7. The output voltage of this temperature sensor depends on the voltage on this power supply circuit 7 and the resistance ratio R10 / (RT2 + R10) and, therefore, on temperature RT2 thermistor. The second amplifier 4 on the transistor VT4 and resistors R11-R13, also connected to the third power circuit, in fact - to the voltage regulator 7, operates in non-linear mode: depending on the ratio of the voltages on the emitter and the base of this transistor, it can be completely closed (with real the product’s temperature is higher than the maximum allowable), operate in linear mode (the product temperature must be within the specified limits) or switch to saturation mode (at a real product temperature below the minimum allowable). At the same time, on the linear section of the output characteristic of the second amplifier 4, its output voltage across the resistor R13 changes from zero to the maximum value determined by the current of the transistor VT4 and the resistance of the resistor R13. The beginning and end of the operation of the transistor VT4 of the second amplifier 4 in linear mode and the voltage of the second temperature sensor 3 at given temperatures must also correspond to each other.

Устройство в целом обеспечивает поддержание температуры изделия в пределахThe device as a whole maintains the temperature of the product within

tмин<t<tмакс,t min <t <t max

где t - текущее значение температуры изделия,where t is the current value of the temperature of the product,

tмин - минимально допустимое значение температуры изделия,t min - the minimum allowable temperature value of the product,

tмакс - максимально допустимое значение температуры изделия.t max - the maximum allowable temperature value of the product.

Необходимо отметить, что любое хорошо спроектированное и изготовленное устройство в составе системы не сможет реализовать своих положительных качеств, если не учесть невидимые «мелочи». Применение предложенного устройства требует, чтобы был обеспечен хороший тепловой контакт датчика температуры и нагревателя с корпусом изделия. Для обеспечения этого первый и второй датчики температуры конструктивно должны быть выполнены с возможностью минимизации переходного теплового сопротивления между ними и корпусом изделия, на котором установлено устройство. Для этого они в составе предложенного устройства размещены на теплопроводящей поверхности (например, на материале, обладающем высокой теплопроводностью), плотно прилегающей к поверхности изделия. Это снижает запаздывание и обеспечивает точность при измерении температуры корпуса изделия. Транзистор VT3 также размещается на теплопроводящей поверхности. Необходимость этого рассматривается ниже.It should be noted that any well-designed and manufactured device in the system will not be able to realize its positive qualities, if you do not take into account the invisible "little things." The application of the proposed device requires that good thermal contact of the temperature sensor and heater with the body of the product be ensured. To ensure this, the first and second temperature sensors should be structurally configured to minimize the transient thermal resistance between them and the body of the product on which the device is installed. To do this, they are part of the proposed device placed on a heat-conducting surface (for example, on a material having high thermal conductivity), which is tightly adjacent to the surface of the product. This reduces latency and ensures accuracy when measuring the temperature of the product body. Transistor VT3 is also located on a heat-conducting surface. The need for this is discussed below.

Устройство в целом получает напряжение питания Е по первой цепи N1 относительно общей цепи N2 (GND). При этом для обеспечения надежности устройства и обеспечения заданной температуры в изделии целесообразно использовать в качестве второй и третьей цепей питания два независимых вторичных источника питания 6 и 7, в простейшем случае выполненных в виде параметрических стабилизаторов напряжения на резисторах R1 и R2 и стабилитронах VD1 и VD2, и подключенных к первой цепи питания N1 с напряжением Е, как показано на чертеже. Выполнять цепи питания раздельно необходимо потому, что при отказе, вызвавшем внезапное увеличение напряжения единственного источника питания (например, по типу обрыва в цепи стабилитрона), выходной ток устройства из-за возрастания управляющих напряжений на входах транзисторов VT3 и VT5 может значительно возрасти, при этом возникает вероятность перегрева изделия либо выхода из строя нагревателя. При высокой надежности гипотетического источника вторичного питания цепи питания могут быть объединены без потери надежности устройства по этой причине. Но высокую надежность одного источника питания обеспечить значительно сложнее, чем предусмотреть в устройстве два простейших стабилизатора напряжения. Кроме того, применение двух цепей питания с разными напряжениями позволяет проще обеспечить оптимальные выходные напряжения усилителей 2 и 4 для управления транзисторами VT3 и VT5.The device as a whole receives the supply voltage E through the first circuit N1 relative to the common circuit N2 (GND). At the same time, to ensure the reliability of the device and ensure the specified temperature in the product, it is advisable to use two independent secondary power sources 6 and 7 as the second and third power circuits, in the simplest case made in the form of parametric voltage stabilizers on resistors R1 and R2 and zener diodes VD1 and VD2, and connected to the first power circuit N1 with voltage E, as shown in the drawing. It is necessary to carry out the power circuits separately because in the event of a failure that causes a sudden increase in the voltage of a single power source (for example, according to the type of open in the zener diode circuit), the output current of the device can increase significantly due to an increase in the control voltages at the inputs of transistors VT3 and VT5, there is a possibility of overheating of the product or failure of the heater. With high reliability of a hypothetical secondary power source, the power circuits can be combined without losing the reliability of the device for this reason. But the high reliability of one power source is much more difficult to provide than to provide two simple voltage regulators in the device. In addition, the use of two power circuits with different voltages makes it easier to provide optimal output voltages of amplifiers 2 and 4 for controlling transistors VT3 and VT5.

Каждый из узлов 1-7 устройства может быть выполнен отлично от приведенного на чертеже. Исполнение их зависит от необходимого диапазона и требуемой точности поддержания температуры, предпочтительной для применения элементной базы, пристрастия разработчика к тем или иным техническим решениям и т.д. Каждый усилитель 2 и 4 может быть выполнен либо с линейной проходной характеристикой в диапазоне стабилизации температур (как второй усилитель 4), либо с гистерезисом (как первый усилитель 2), на транзисторах или на операционных усилителях. Существо предложения с точки зрения выполняемой им функции и надежности работы устройства не изменяется. При этом в первом случае стабилизатор температуры будет работать в линейном режиме, обеспечивая плавное поддержание (стабилизацию) температуры в пределах заданного диапазона температур, во втором случае оно будет исполнять роль двухпозиционного регулятора, включая нагреватель при заданном нижнем значении температуры и выключая его после нагрева до заданного верхнего значения температуры.Each of the nodes 1-7 of the device can be performed differently from that shown in the drawing. Their execution depends on the required range and the required accuracy of maintaining the temperature, preferred for the application of the elemental base, the developer's addiction to certain technical solutions, etc. Each amplifier 2 and 4 can be performed either with a linear pass-through characteristic in the temperature stabilization range (as the second amplifier 4), or with hysteresis (as the first amplifier 2), on transistors or on operational amplifiers. The essence of the proposal from the point of view of its function and the reliability of the device does not change. In this case, in the first case, the temperature stabilizer will operate in a linear mode, ensuring smooth maintenance (stabilization) of the temperature within a given temperature range, in the second case it will act as a two-position controller, including a heater at a given lower temperature and turning it off after heating to a predetermined temperature upper temperature value.

Рассмотрение работы устройства можно начать с гипотетической ситуации, когда произошел перегрев изделия, при этом t>tмакс, и усилители 2 и 4 по сигналам от своих датчиков температуры полностью сняли управляющие напряжения с силовых элементов VT3 и VT5.Consideration of the operation of the device can be started with a hypothetical situation when the product overheated, with t> t max , and amplifiers 2 and 4, by signals from their temperature sensors, completely removed the control voltages from the power elements VT3 and VT5.

При повышенной температуре сопротивления терморезисторов RT1 и RT2 имеют минимальные значения. При этом за счет уменьшения сопротивления терморезистора RT1 потенциал на базе транзистора VT1 приводит к его открыванию, транзистор VT2 закрывается, напряжение на резисторе R7 падает до нуля, и транзистор VT3 также закрывается. За счет уменьшения сопротивления терморезистора RT2 напряжение между базой и эмиттером транзистора уменьшается и транзистор VT4 также закрывается, при этом напряжение на его выходе на резисторе R13 упадет до нуля и транзистор VT5 генератора тока 5 также закроется. При закрытых транзисторах VT3 и VT5 ток через нагреватель Rн не течет и подогреваемое им изделие начинает остывать.At elevated temperatures, the resistance of RT1 and RT2 thermistors have minimal values. At the same time, by reducing the resistance of thermistor RT1, the potential based on transistor VT1 leads to its opening, transistor VT2 closes, the voltage across resistor R7 drops to zero, and transistor VT3 also closes. By reducing the resistance of the thermistor RT2, the voltage between the base and emitter of the transistor decreases and the transistor VT4 also closes, while the voltage at its output on the resistor R13 drops to zero and the transistor VT5 of the current generator 5 also closes. With the closed transistors VT3 and VT5, the current does not flow through the heater R n and the product heated by it starts to cool.

Для того чтобы процесс нагрева изделия начался снова, необходимо обеспечить включение обоих транзисторов VT3 и VT5. При этом последовательность их включения безразлична. Изменение состояния узлов устройства при показанном на чертеже исполнении происходит следующим образом. По мере остывания изделия и терморезисторов RT1 и RT2 их сопротивления возрастают. В соответствии с изменением сопротивлений терморезисторов RT1 и RT2 датчики температуры 1 и 3 изменяют свои выходные напряжения. Наступает момент, когда транзистор VT4 второго усилителя 4 начинает открываться, на резисторе R13 появляется напряжение, которое поступает на управляющий вход транзистора VT5 генератора тока 5. Однако ток через этот транзистор не течет, несмотря на увеличение управляющего сигнала на его управляющем электроде по мере остывания изделия, поскольку транзистор VT3 все еще закрыт.In order for the product heating process to start again, it is necessary to ensure the inclusion of both transistors VT3 and VT5. Moreover, the sequence of their inclusion is indifferent. Changing the state of the nodes of the device when shown in the drawing is as follows. As the product and the RT1 and RT2 thermistors cool down, their resistance increases. In accordance with a change in the resistance of RT1 and RT2 thermistors, temperature sensors 1 and 3 change their output voltages. There comes a time when the transistor VT4 of the second amplifier 4 starts to open, a voltage appears on the resistor R13, which is supplied to the control input of the transistor VT5 of the current generator 5. However, the current through this transistor does not flow, despite the increase in the control signal on its control electrode as the product cools down because the transistor VT3 is still closed.

По мере остывания изделия и терморезистора RT1 его сопротивление также возрастает. В соответствии с изменением сопротивления терморезистора изменяется напряжение на выходе датчика температуры 1 и наступает момент, когда транзистор VT1 первого усилителя 2 закрывается, а транзистор VT2 открывается и скачком подает напряжение с резистора R7 на управляющий электрод транзистора VT3 и этот транзистор также открывается. С этого момента начинает течь ток через нагреватель Rн, поскольку транзистор VT5 генератора тока 5 уже был открыт ранее (при более высокой температуре изделия). Напряжение с выхода второго усилителя 4 на управляющем входе транзистора VT5 в этот момент при минимальной температуре имеет максимальное значение, и ток генератора тока 5 на транзисторе VT5 и суммарная мощность, передаваемая нагревателю изделия, также будут иметь максимальное значение Iмакс и Е·Iмакс. С этого момента начинается нагревание изделия. Если при этом теоретически возможный ток нагревателя Iн=Е/Rн меньше максимально возможного тока Iмакс генератора тока, то бóльшая часть напряжения питания Е будет приложена к нагревателю Rн.As the product and the RT1 thermistor cool down, its resistance also increases. In accordance with the change in the resistance of the thermistor, the voltage at the output of the temperature sensor 1 changes and there comes a time when the transistor VT1 of the first amplifier 2 closes, and the transistor VT2 opens and jumps in voltage from the resistor R7 to the control electrode of the transistor VT3 and this transistor also opens. From this moment, current begins to flow through the heater R n , since the transistor VT5 of the current generator 5 has already been opened earlier (at a higher temperature of the product). The voltage from the output of the second amplifier 4 at the control input of the transistor VT5 at this moment at the minimum temperature has a maximum value, and the current of the current generator 5 at the transistor VT5 and the total power transmitted to the product heater will also have a maximum value of I max and E · I max . From this moment, the heating of the product begins. If in this case the theoretically possible heater current I n = E / R n is less than the maximum possible current I max of the current generator, then most of the supply voltage E will be applied to the heater R n .

По мере нагревания изделия сопротивление терморезистора RT2 уменьшается, изменяется выходной сигнал со второго датчика температуры 3, уменьшается выходной сигнал с выхода второго усилителя 4 на управляющий вход транзистора VT5 генератора тока 5, уменьшается выходной ток генератора тока 5 и уменьшается полная мощность, идущая на нагревание изделия. Вместе с уменьшением тока через нагреватель Rн уменьшается и падение напряжения на нем. При этом появляется заметное падение напряжения на транзисторе VT3, увеличивается выделяемая на нем мощность. Для того чтобы эта мощность не перегревала транзистор, а также шла на подогрев изделия, транзистор VT3 должен устанавливаться с минимальным переходным тепловым сопротивлением между его корпусом и корпусом устройства и далее - между корпусом устройства и корпусом изделия. Более того, целесообразно тепло, выделяемое остальными блоками и элементами устройства в целом, «утилизировать», т.е. через корпус устройства передать на корпус изделия. В этом случае ни один элемент устройства не будет перегреваться, поскольку корпус изделия в этой ситуации будет использоваться в качестве теплоотвода.As the product heats up, the resistance of RT2 decreases, the output signal from the second temperature sensor 3 changes, the output signal from the output of the second amplifier 4 decreases to the control input of the transistor VT5 of current generator 5, the output current of current generator 5 decreases and the total power used to heat the product decreases . Together with a decrease in the current through the heater R n , the voltage drop across it also decreases. In this case, a noticeable voltage drop appears on the transistor VT3, the power allocated to it increases. In order for this power not to overheat the transistor, as well as to heat the product, the transistor VT3 must be installed with a minimum transient thermal resistance between its body and the device body and then between the device body and the product body. Moreover, it is advisable to "utilize" the heat generated by the remaining blocks and elements of the device as a whole, i.e. through the device case transfer to the product case. In this case, not a single element of the device will overheat, since the body of the product in this situation will be used as a heat sink.

Далее, по мере уменьшения тока через нагреватель уменьшается суммарная мощность, идущая на нагревание изделия. В реальных условиях наступает состояние, когда мощность, рассеиваемая изделием, и мощность, поступающая на нагрев, окажутся равными. Наступает тепловое равновесие, которое может длиться сколь угодно долго. При этом температура изделия будет стабильна и находиться в заданном диапазоне температур.Further, as the current through the heater decreases, the total power spent on heating the product decreases. In real conditions, a state occurs when the power dissipated by the product and the power supplied to the heating are equal. There is a thermal equilibrium that can last as long as you like. In this case, the temperature of the product will be stable and be in a predetermined temperature range.

Если мощность нагревания изделия будет для изделия все-таки достаточно велика и, несмотря на уменьшение общей мощности нагревания, температура изделия будет расти, то наступит состояние, когда усилитель 2 снимет напряжение управления со своего транзистора VT3, ток через нагреватель Rн пропадет. При правильном проектировании и регулировке устройства оба датчика температуры совместно со своими усилителями и независимо друг от друга должны обеспечивать процесс поддержания температуры изделия в заданных пределах. Это требуется для того, чтобы отказ устройства типа «короткое замыкание» одного из транзисторов VT3 или VT5 не привел к изменению теплового режима изделия.If the heating power of the product is still sufficiently large for the product and, despite the decrease in the total heating power, the temperature of the product increases, then the state will come when amplifier 2 removes the control voltage from its transistor VT3, the current through the heater R n disappears. With the correct design and adjustment of the device, both temperature sensors together with their amplifiers and independently of each other should provide the process of maintaining the temperature of the product within the specified limits. This is required so that a failure of a short circuit device of one of the transistors VT3 or VT5 does not lead to a change in the thermal regime of the product.

Любой отказ любого одного из элементов данного устройства может привести только к одному виду отказов устройства целом, а именно - только к отказу типа «обрыв», т.е. к невозможности нагрева изделия. Отказ устройства типа «короткое замыкание» в предложенном устройстве при любом отказе одного элемента невозможен, и вот почему. Гипотетический отказ одного элемента может привести к включению (или пробою) одного из транзисторов VT3 или VT5, в то время как другой транзистор совместно со своим каналом управления датчик температуры - усилитель-транзистор VT5 (или VT3) будет работать нормально и выполнять поддержание температуры изделия в заданных пределах. При этом в случае короткого замыкания транзистора VT5 роль генератора тока перейдет к транзистору VT3, поскольку сопротивление R15 и остаточное сопротивление замкнутого (открытого) транзистора VT5 будут служить отрицательной обратной связью для транзистора VT3. Для обеспечения такого режима достаточно напряжение на управляющем электроде транзистора VT3 иметь несколько больше, чем на управляющем электроде транзистора VT5 генератора тока. Реализация такого режима в предложенном устройстве не должна вызывать никаких трудностей у разработчика, поскольку управление этими транзисторами производится от независимых цепей питания и напряжение на этих цепях может быть обеспечено исходя и из этих требований.Any failure of any one of the elements of this device can lead to only one type of failure of the device as a whole, namely, only to a failure of the "open" type, i.e. the impossibility of heating the product. Failure of the device of the type "short circuit" in the proposed device for any failure of one element is impossible, and that is why. A hypothetical failure of one element can lead to the inclusion (or breakdown) of one of the transistors VT3 or VT5, while the other transistor, together with its control channel, the temperature sensor - amplifier transistor VT5 (or VT3) will work normally and will maintain the temperature of the product in specified limits. In this case, in the case of a short circuit of the transistor VT5, the role of the current generator will pass to the transistor VT3, since the resistance R15 and the residual resistance of the closed (open) transistor VT5 will serve as negative feedback for the transistor VT3. To ensure this mode, the voltage at the control electrode of transistor VT3 is sufficient to have slightly more than at the control electrode of transistor VT5 of the current generator. The implementation of this mode in the proposed device should not cause any difficulties for the developer, since these transistors are controlled from independent power circuits and the voltage on these circuits can be provided based on these requirements.

Предложенное устройство на отказ типа «обрыв» может быть задублировано вторым аналогичным устройством, установленным на изделии рядом с первым. При этом они могут работать как одновременно, так и поочередно. При поддержании поля температуры протяженных объектов, например, в технологической аппаратуре с обогревающей рубашкой, на которой может быть установлено заданное количество таких устройств, отказ обогревателя типа «обрыв» в одном из обогревателей может быть скомпенсирован соседними обогревателями, в то время как перегрев даже в одном месте может привести к неблагоприятным последствиям.The proposed device for failure type "break" can be duplicated by a second similar device installed on the product next to the first. At the same time, they can work both simultaneously and alternately. While maintaining the temperature field of extended objects, for example, in technological equipment with a heating jacket, on which a predetermined number of such devices can be installed, a failure of the “break” type heater in one of the heaters can be compensated by neighboring heaters, while overheating even in one location can lead to adverse effects.

Предложенное устройство может нормально работать при частичном или полном (коротком) замыкании в цепи нагревателя Rн (такой режим работы устройства считается нормальным и предусмотрен схемой и конструкцией предложенного устройства). Для реализации этого режима вместо номинального сопротивления нагревателя между выходными контактами N3 и N4 устанавливается малое сопротивление или перемычка. В этом случае предложенное устройство работает следующим образом. В условиях пониженной температуры изделия, на котором установлено предложенное устройство в виде моноблока, по сигналам от двух датчиков температуры с помощью соответствующих усилителей включаются транзисторы VT3 и VT5, при этом транзистор VT5 генератора тока 5 обеспечивает определенный ток, например максимальный Iмакс при минимальной температуре. Открытый транзистор VT3 этот ток пропускает без ограничения, но работает уже не в ключевом режиме, а в линейном, фактически - также в режиме генератора тока. В этом режиме между его выходными контактами (сток-исток либо коллектор-эмиттер) напряжение близко к напряжению питания Е за вычетом падения напряжения на генераторе тока (на резисторе R15 и транзисторе VT5). При этом на транзисторе VT3 выделяется мощность, близкая к максимальной мощности, отдаваемой источником питания с напряжением Е в данном режиме при максимальном токе Iмакс. Транзистор VT3 начинает греться и через конструкцию устройства передавать тепло изделию, на котором установлено данное устройство, выполненное в виде моноблока. Суммарно изделию передается мощность, равная произведению Е·Iмакс. В остальном процесс поддержания температуры изделия проходит по аналогии с изложенным выше, в том числе и по мощности нагревания.The proposed device can operate normally with a partial or full (short) circuit in the heater circuit R n (this mode of operation of the device is considered normal and is provided for by the circuit and design of the proposed device). To implement this mode, instead of the nominal resistance of the heater, a small resistance or jumper is installed between the output contacts N3 and N4. In this case, the proposed device operates as follows. Under conditions of reduced temperature of the product on which the proposed device is installed in the form of a monoblock, transistors VT3 and VT5 are turned on using signals from two temperature sensors, while transistor VT5 of current generator 5 provides a certain current, for example, maximum I max at minimum temperature. An open transistor VT3 transmits this current without restriction, but it no longer works in key mode, but in linear mode, in fact - also in current generator mode. In this mode, between its output contacts (drain-source or collector-emitter), the voltage is close to the supply voltage E minus the voltage drop across the current generator (on resistor R15 and transistor VT5). At the same time, a power close to the maximum power supplied by a power source with a voltage E in this mode at a maximum current I max is released on the transistor VT3. The transistor VT3 starts to warm up and through the design of the device transfer heat to the product on which this device is installed, made in the form of a monoblock. In total, the product transfers power equal to the product E · I max . The rest of the process of maintaining the temperature of the product is carried out by analogy with the above, including the heating power.

Устройство также работоспособно при любом высокоомном нагревателе Rн, потребляющем ток нагрузки меньше максимально возможного для данного устройства, т.е. Е/Rн<Iмакс. В этом случае по мере нагревания изделия сопротивление терморезистора RT2 уменьшается, изменяется выходной сигнал со второго датчика температуры 3, уменьшается выходной сигнал с выхода второго усилителя 4 на управляющий вход транзистора VT5 генератора тока 5. Однако уменьшения выходного тока генератора тока 5 и уменьшения полной мощности, идущей на нагревание изделия, не происходит. Этот режим поддерживается до того состояния по температуре изделия, пока не сравняются ток нагрузки, равный Е·Rн, и фактический ток генератора тока 5, уменьшающийся с ростом температуры от Iмакс. При дальнейшем нагревании изделия ток нагрузки в нагреватель уменьшается, как описано выше.The device is also operable with any high-resistance heater R n consuming a load current less than the maximum possible for this device, i.e. E / R n <I max . In this case, as the product heats up, the resistance of the thermistor RT2 decreases, the output signal from the second temperature sensor 3 changes, the output signal from the output of the second amplifier 4 decreases to the control input of the transistor VT5 of the current generator 5. However, the output current of the current generator 5 decreases and the total power decreases, going to heat the product does not occur. This mode is maintained to that state in terms of product temperature, until the load current equal to E · R n and the actual current of the current generator 5 are equal, decreasing with increasing temperature from I max . With further heating of the product, the load current to the heater decreases, as described above.

Таким образом, предложенное устройство может работать в двух режимах: как в качестве коммутатора нагревателя по сигналам с датчиков температуры, так и в качестве непосредственно нагревателя по сигналам с этих же датчиков температуры, поддерживая температуру изделия в заданных пределах. При этом при любом отказе одного элемента данное устройство исключает перегрев изделия, на котором установлено. Более того, предложенное устройство, выполненное в виде моноблока при коротко-замкнутом выходе, будучи включенным без теплового контакта с чем бы то ни было, также не будет перегреваться, в том числе и при одном любом отказе в нем. Обеспечивается это тем, что нагреватель (в этом режиме - транзистор VT3) при максимальной мощности на нем быстро нагреется и нагреет моноблок. Датчики температуры, установленные в этом же моноблоке, быстро снизят мощность нагревания или выключат нагревание совсем. Фактически устройство, выполненное в виде моноблока, работает в этом случае в штатном режиме с очень малой присоединенной массой, требующей нагревания.Thus, the proposed device can operate in two modes: both as a heater switch by signals from temperature sensors, and as a heater directly by signals from the same temperature sensors, maintaining the temperature of the product within specified limits. Moreover, with any failure of one element, this device eliminates overheating of the product on which it is installed. Moreover, the proposed device, made in the form of a monoblock with a short-circuit output, when turned on without thermal contact with anything, will also not overheat, including in case of any one failure in it. This is ensured by the fact that the heater (in this mode, the VT3 transistor) at maximum power on it quickly heats up and heats the monoblock. Temperature sensors installed in the same monoblock will quickly reduce the heating power or turn off the heating completely. In fact, the device, made in the form of a monoblock, works in this case in the normal mode with a very small connected mass, requiring heating.

Предложенное устройство должно размещаться на нагреваемом изделии с обеспечением минимального теплового сопротивления. Для этого устройство выполняется в виде моноблока с хорошей теплопроводящей поверхностью, обеспечивающей тепловой обмен между корпусом изделия и этой теплопроводящей поверхностью. Размещение датчика температуры и транзистора VT3, выполняющего роль нагревателя в одном корпусе моноблока, призвано обеспечить минимальную задержку в цепи измерения температуры «корпус изделия - датчик температуры» и в исполнительной цепи «нагреватель (корпус транзистора VT3) - корпус изделия». При использовании внешнего нагревателя Rн расстояние между ним и моноблоком данного устройства также должно быть по возможности минимальным для уменьшения задержки в цепи измерения температуры «корпус изделия - датчик температуры».The proposed device should be placed on a heated product with a minimum thermal resistance. For this, the device is made in the form of a monoblock with a good heat-conducting surface, providing heat exchange between the product body and this heat-conducting surface. The placement of the temperature sensor and transistor VT3, which acts as a heater in one monoblock case, is designed to provide a minimum delay in the temperature measurement circuit "product body - temperature sensor" and in the executive circuit "heater (transistor case VT3) - product body". When using an external heater R n, the distance between it and the monoblock of this device should also be as small as possible to reduce the delay in the temperature measurement circuit "product body - temperature sensor".

В заключение следует отметить, что предлагаемая совокупность признаков в предложенном автором устройстве не встречалась ранее для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".In conclusion, it should be noted that the proposed set of features in the device proposed by the author has not been met before to solve the problem and does not follow explicitly from the prior art, which allows us to conclude that the technical solution meets the criteria of "novelty" and "inventive step".

В качестве элементов для реализации устройства могут быть использованы стандартные элементы, в том числе - терморезисторы (либо позисторы, термометры сопротивления, термопары), транзисторы (или микросхемы с регулировкой параметров в заданных пределах), а в качестве силовых управляемых элементов - мощные транзисторы, в том числе - выполненные по схеме Дарлингтона, способные не только пропустить через себя ток нагревателя, но и передать через свой корпус мощность, необходимую для нагрева конкретного изделия в конкретном месте (наиболее перспективны для реализации этих функций - мощные полевые транзисторы). В качестве конструкции устройства для размещения в нем датчиков температуры и силовых транзисторов целесообразно использовать малогабаритный моноблок с теплопроводящей поверхностью, которая обеспечивает теплообмен с корпусом изделия.Standard elements can be used as elements for the implementation of the device, including thermistors (either resistors, resistance thermometers, thermocouples), transistors (or microcircuits with adjustable parameters within specified limits), and powerful transistors as power controlled elements, in including those made according to Darlington’s scheme, capable of not only passing the heater current through itself, but also transmitting through its housing the power necessary to heat a particular product in a particular place (most perspective for the implementation of these functions - powerful field effect transistors). As a design of the device for accommodating temperature sensors and power transistors in it, it is advisable to use a small-sized monoblock with a heat-conducting surface, which provides heat exchange with the body of the product.

На предприятии устройство находится на стадии разработки технического задания.At the enterprise, the device is at the stage of development of technical specifications.

Использованная литератураReferences

1. Патент РФ №2090014, Н05В 1/02.1. RF patent No. 2090014, Н05В 1/02.

2. Патент РФ №2160920, G05D 23/19.2. RF patent No. 2160920, G05D 23/19.

Claims (3)

1. Устройство для стабилизации температуры изделия, содержащее связанные между собой цепи питания, последовательно соединенные датчик температуры, усилитель, подключенные ко второй цепи питания, и транзистор, выход которого совместно с первой цепью питания образует выход устройства для подключения нагревателя, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные второй датчик температуры, второй усилитель, подключенные к третьей цепи питания, и генератор тока, выход которого включен последовательно с упомянутым транзистором и подключен к общей цепи питания устройства.1. A device for stabilizing the temperature of an article containing interconnected power circuits, a temperature sensor connected in series, an amplifier connected to a second power circuit, and a transistor whose output, together with the first power circuit, forms the output of a device for connecting a heater, characterized in that a second temperature sensor, a second amplifier connected to a third power circuit, and a current generator whose output is connected in series with the said transistor are introduced in series Ohm and connected to the device’s common power circuit. 2. Устройство для стабилизации температуры изделия по п.1, отличающееся тем, что вторая и третья цепи питания выполнены в виде стабилизированных источников напряжения.2. The device for stabilizing the temperature of the product according to claim 1, characterized in that the second and third power circuits are made in the form of stabilized voltage sources. 3. Устройство для стабилизации температуры изделия по п.1, отличающееся тем, что первый и второй датчики температуры, транзистор и генератор тока выполнены с минимальным переходным тепловым сопротивлением в виде моноблока на теплопроводящей поверхности, предназначенной для теплообмена с корпусом изделия, на котором устройство для стабилизации температуры изделия устанавливается. 3. The device for stabilizing the temperature of the product according to claim 1, characterized in that the first and second temperature sensors, a transistor and a current generator are made with a minimum transient thermal resistance in the form of a monoblock on a heat-conducting surface, designed for heat exchange with the body of the product on which the device for stabilization of the temperature of the product is set.
RU2007125087/28A 2007-07-02 2007-07-02 Device for regulating temperature of object RU2359309C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007125087/28A RU2359309C2 (en) 2007-07-02 2007-07-02 Device for regulating temperature of object

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007125087/28A RU2359309C2 (en) 2007-07-02 2007-07-02 Device for regulating temperature of object

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2007125087A RU2007125087A (en) 2009-01-10
RU2359309C2 true RU2359309C2 (en) 2009-06-20

Family

ID=40373889

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007125087/28A RU2359309C2 (en) 2007-07-02 2007-07-02 Device for regulating temperature of object

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2359309C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2506624C2 (en) * 2012-04-27 2014-02-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт" (ФГБУ "ААНИИ") Thermostat for calibrating and checking oceanographic tools
RU2612311C1 (en) * 2016-04-06 2017-03-06 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" Electric heating temperature control device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2506624C2 (en) * 2012-04-27 2014-02-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт" (ФГБУ "ААНИИ") Thermostat for calibrating and checking oceanographic tools
RU2612311C1 (en) * 2016-04-06 2017-03-06 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" Electric heating temperature control device

Also Published As

Publication number Publication date
RU2007125087A (en) 2009-01-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102473993B1 (en) Voltage regulator
CN106849919B (en) Apparatus and method for protection curve using integration
JP2011061966A (en) Voltage regulator
US20180106686A1 (en) Temperature Sensing and Control of Resistive Heating Elements
RU2359309C2 (en) Device for regulating temperature of object
KR20160056290A (en) Temperature detection circuit and semiconductor device
JP5136144B2 (en) Load current supply circuit
US20070163271A1 (en) Temperature control system
JP2000353830A (en) Method and device for driving peltier element
JP4089535B2 (en) Overheat protection circuit
EP0219984B1 (en) Flow sensing device
US11765862B2 (en) Thermal management system for electronic components with thermoelectric element
JP2009232550A (en) Semiconductor integrated circuit for charging control
CN109390910B (en) Current dependent thermal shutdown
JP2022526020A (en) Thermal system with temperature limiting device
US6433556B1 (en) Circuit for generating a ramp signal between two temperature points of operation
CN219202192U (en) Resistor temperature control circuit and current detection device
US3401880A (en) Compensated temperature control system
KR200208887Y1 (en) Thermostat of laser diode
KR20220152095A (en) Heating Circuit Using Low Dropout Regulator and FET
SU732832A1 (en) Two-position temperature controller
CN104181954A (en) Constant-temperature control circuit of electronic refrigerator
JP2005156161A (en) Heater control circuit
JP3906682B2 (en) Overheat protection semiconductor switch
SU327455A1 (en) TWO-POSITION TEMPERATURE REGULATOR

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180703