Регулятор температуры

Регулятор температуры

Иллюстрации

Показать все

Реферат

При изготовлении малогабаритных паяльников с питанием от промышленной сети 220 В возникает противоречие, заключающееся в том, что для выполнения требований электробезопасности, электропрочность изоляции нагревателя должна быть не менее 4000 В. По условиям работы в паяльнике изоляция также должна быть устойчива к высоким температурам (500-600)°С. Увеличение толщины изоляции ограничивается габаритами паяльника, а также приводит к снижению стабильности температуры на конце паяльного стержня, т.к. толстый слой электроизоляции является теплоизолятором и это приводит к увеличению времени восстановления температуры на конце паяльного стержня и увеличению температуры провода нагревателя за счет увеличения теплового сопротивления между проводом нагревателя и паяльным стержнем. Максимально достижимая при этом электропорчность изоляции не превышает 2000 В.

Указанное выше противоречие устраняется применением понижающего трансформатора, с хорошей изоляцией между обмотками.

При мощности нагревателя паяльника (50-60) Вт, вес трансформатора составляет более 1,5 кг. Это неприемлемо для носимых инструментов, в комплект которых должен входить паяльник с рабочим напряжением 220 В.

Известны также сетевые источники питания (1, 2) с высокочастотным трансформатором, так называемые преобразователи напряжения (в дальнейшем ПН).

Преимуществом этих источников является малый вес, малые габариты и гальваническая развязка нагрузки от питающей сети. Недостатком этих источников является низкая надежность при 100% колебаниях тока нагрузки и низкий коэффициент полезного действия (КПД) при отключенной нагрузке. А устройства для регулирования температуры работают в режиме включения нагревателя и отключения при нагреве до установленной температуры, т.е. 100% изменения тока нагревателя.

Известен также регулятор температуры, выбранный в качестве прототипа (3), содержащей датчик и задатчик температуры, подключенные к входам усилителя, к выходу которого подключен ключ.

Задачей изобретения является увеличение электропрочности изоляции малогабаритных паяльников.

Сущность изобретения

Сущность изобретения заключается в том, что регулятор температуры, содержащей нагреватель, датчик и задатчик температуры, подключенные к входам усилителя, к выходу которого подключен ключ, дополнительно снабжен преобразователем напряжения с первым трансформатором и вторым трансформаторами, обмотка которого через выпрямитель и фильтр подключена к нагревателю, а первый трансформатор снабжен дополнительными первой и второй обмотками, первая подключена к выходу ключа, вторая к выходу дополнительного генератора импульсов, причем шины питания задатчика, усилителя и ключа подключены параллельно нагревателю, а шины питания дополнительного импульсного генератора и ПН подключены к выпрямителю сетевого напряжения (220 В).

На импульсный генератор и ПН подается напряжение непрерывно от выпрямителя сетевого напряжения, а на нагреватель, задатчик, усилитель и ключ напряжения подается лишь тогда, когда ПН находится в режиме генерации. Вхождение ПН в режим генерации происходит после поступления на вторую дополнительную обмотку первого трансформатора импульса от дополнительного генератора импульсов.

После прогрева нагревателя до температуры установленной задатчиком, через посредство усилителя, ключ шунтирует первую дополнительную обмотку первого трансформатора и генерация ПН прекращается, при этом происходит полное прекращение тока через ПН и нагреватель. Циклы включения и выключения ПН повторяются, но длительность генерации ПН зависит от температуры нагревателя и от расхода тепла в режиме пайки.

Поскольку напряжение на обмотке второго трансформатора низкое (12 В), толщина изоляции паяльника минимальная - это увеличивает стабильность температуры паяльного стержня и снижает температуру провода нагревателя. Так как ПН в паузах нагревателя полностью отключается и включается с подключенным нагревателем, это увеличивает КПД регулятора и надежность регулятора с ПН. Нагреватель гальванически не связан с сетевым напряжением, а изоляция обмоток трансформатора работает при нормальной температуре, что позволяет применять изоляционный материал с высоким пробивным напряжением, но с ограниченной рабочей температурой (до 150°С), что обеспечивает электропрочность изоляции паяльника совместно с заявляемым регулятором более 4000 В.

Изобретение сопровождается чертежами.

Фиг.1 - функциональная схема регулятора.

Фиг.2 - эпюры напряжений в характерных точках схемы регулятора. Регулятор температуры по Фиг.1 содержит задатчик температуры 1, датчик температуры 2, усилитель 3, ключ 4, импульсный генератор 5, преобразователь напряжения (ПН) 6, первый трансформатор 7, второй трансформатор 8, первую дополнительную обмотку 9, вторую дополнительную обмотку 10, выпрямитель 11, фильтр 12 и нагреватель 13. Генератор 5 генерирует положительные импульсы с частотой 1 Гц, а амплитуда импульсов достаточна для запуска ПН. Частота генерации ПН не лимитируется и может находиться в пределах (18-25) кГц.

Работа регулятора температуры

Регулятор температуры, подключенный к выпрямителю сетевого напряжения, не показанный на схеме (зажимы питания "+" и "-"), работает следующим образом: с момента поступления импульса от генератора 5 (Фиг.2, эпюра "а", время t₁) возбуждается ПН и на нагревателе 13 начинает нарастать напряжение (Фиг.2, эпюра "в"), скорость нарастания ограничена постоянной времени фильтра 12. ПН находится в состоянии генерации время, достаточное для нагрева нагревателя 13 до температуры, установленной задатчиком 1, до этого момента на выходе усилителя 3 (Фиг.2, эпюра "б", время t₁-t₂) имеется напряжение нулевого уровня (обусловленное техническими условиями на данный усилитель). За время t₁-t₂ с генератора 5 на обмотку 10 поступает некоторое количество импульсов (на Фиг.2, эпюра "а" показан только один импульс), но они не изменяют работу ПН, т.к. их амплитуда меньше, чем амплитуда импульсов положительной обратной связи собственно ПН. Когда температура нагревателя 13 достигает температуры, установленной задатчиком 1, выходное напряжение усилителя 3 (Фиг.2, эпюра "б", время t₂) переходит в состояние высокого напряжения, этим напряжением открывается ключ 4 и закорачивает обмотку 9 трансформатора 7. При этом нарушаются условия генерации ПН, и генерация ПН прекращается. Напряжение на нагревателе 13 (Фиг.2, эпюра "в", время t₂-t₃) снижается до нулевого значения. Это состояние сохраняется до прихода следующего импульса генератора 5. Рассмотрим ситуацию, когда нагреватель еще не "остыл" в силу своей инерционности и инерционности датчика температуры, либо когда задатчик 1 устанавливается оператором на пониженное, относительно ранее установленного, значения температуры. По приходу импульса от генератора 5 (Фиг.2, эпюра "а", время t₃) ПН переходит в режим генерации, на нагревателе 13 и соответственно на задатчике 1, усилителе 3 и ключе 4 поднимается напряжение питания до приведения их в активный режим. После этого усилитель 3 формирует импульс (т.к. на задатчике напряжение меньше, чем на датчике) (Фиг.2, эпюра "б", время t₃), который через ключ 4 шунтирует обмотку 9 и генерация ПН останавливается, на нагревателе 13 напряжение снижается до нулевого значения. В этом случае на нагреватель 13 поступают достаточно короткие импульсы с большой скважностью. Длительность импульса обуславливается постоянной времени фильтра 12, а скважность - частотой повторения импульсов генератора 5. При приемлемом уровне пульсаций выпрямленного выпрямителем 11 напряжения, длительность этих импульсов не превышает (1,5-2) мсек при частоте повторения 1 Гц и скважность импульсов не менее 500, что позволяет оперативно снижать температуру нагревателя.

При постоянно установленной задатчиком 1 температуры, например при выполнении паяльных работ, регулятор автоматически устанавливает определенную длительность возбужденного состояния ПН при заданной частоте включений 1 Гц и короткие, беспорядочные включения ПН отсутствуют.

Пример осуществления заявляемого регулятора температуры

По заявляемому техническому решению было изготовлено два экземпляра регулятора температуры с питанием от сети 220 В для паяльника по А.С. N1594807 с применением схемы преобразователя напряжения, приведенной в (4). В качестве датчика температуры использовалась термопара с градуировкой ХА, усилитель - операционный усилитель 140УД7, ключ - транзистор КТ315, задатчиком служил потенциометр типа СП-4. Для первого трансформатора применено ферритовое кольцо К 10×7×4, для второго трансформатора использовался сдвоенный сердечник из феррита НМ2000 Ш7×7.

Элсектропрочность измерялась на пробойной установке, напряжение прикладывалось между сетевым выводом и паяльным стержнем паяльника. Пробой изоляции в целом регулятора и паяльника наступил при напряжении 4680 В, что вполне удовлетворяет требованиям электробезопасности. Вес паяльника, совместно с регулятором, составил 420 г, что не противоречит условиям поставки совместно с комплектом носимого инструмента.

Время нагрева паяльного стержня ⊘3 мм до температуры 300°С составило 45 сек. Провал температуры конца паяльного стержня при интенсивной пайке (3 сек - набор припоя, 3 сек - пайка) не превышал 17°С. Время восстановления температуры паяльного стержня от момента окончания пайки не превышало 2 сек.

Изменение температуры паяльного стержня при изменении напряжения сети от 180 В до 250 В не превышает 2°С.

Показателем надежности регулятора температуры со старт-стопным режимом работы преобразователя напряжения можно считать безотказную работу регулятора в течение года по 8 часов непрерывной работы в день. (Далее испытания не проводились).

Регулятор температуры, паяльник и корпус регулятора с подставкой составляет комплекс, защищенный свидетельством на промышленный образец №29581 с приоритетом 1.03.89 г.

Литература

1. Эраносян С.А. Сетевые блоки питания с высокочастотными преобразователями. "Энергоавтомат". 1991 г.

2. Полумостовой преобразователь Ю.И.Конев "Источник вторичного питания". стр.124. "Радио и связь". 1990 г.

3. АС. №13125446 от 23.05.87 г.

4. Преобразователь напряжения. "Радио". №2, 1966 г. стр.52.

Регулятор температуры, содержащий нагреватель, датчик температуры и задатчик температуры, подключенные к входам усилителя, к выходу которого подключен ключ, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным импульсным генератором и преобразователем напряжения с первым трансформатором и вторым трансформатором, обмотка которого через выпрямитель и фильтр подключена к нагревателю, а в первый трансформатор введены дополнительные первая и вторая обмотки, первая подключена к выходу ключа, вторая - к выходу дополнительного импульсного генератора, причем шины питания задатчика, усилителя и ключа подключены параллельно нагревателю, а шины питания дополнительного импульсного генератора и преобразователя напряжения подключены к выпрямителю сетевого напряжения.