Расчет узлов терморегулятора

    3 Расчет узлов терморегулятора 

    Дано:          Датчик ТСМ100,

                       Т_мин= 100⁰С,

                       Т_макс= 150⁰С,

                       U_п = 15 В.

    В соответствии с терморегулятором подбираем  характеристику термосопротивлении:

                        R_мин=142.8 Ом,

                        R_макс=164.192 Ом. 

    3.1 Датчик температуры 

    

    Рисунок 2 – Входная цепь 

    Для того, чтобы ток делителя R₁, R₂ зависил от R₂ не более чем на 1%, необходимо принять R₁ ≥ 100* R₂

    R₁ = 100 * 142.8 = 14280 Ом, примем R₁ = 15 кОм (из ряда Е24).

    Тогда ток  делителя  R₁, R₂ : І = U_п / R₁ = 15 / 15 = 1 мА.

    Напрежение  на R₂ при минимальной и максимальной температуре соответственно:

    U_мин = І * R_2мин = 1 * 10^-3 * 142.8 = 0.143 B.

    U_макс = І * R_2макс = 1 * 10^-3 * 164.192 = 0.164 B.

    Мощность на R₁ : P_R1 = I² * R₁ = (1*10^-3)² * 15 * 10³ = 0.015 мВт.

    С учетом коэффициента запаса К_з = 1.3 получаем P_R1 = 0.015 * 1.3 = 0.02 мВт.

    Для того, чтобы при минимальной температуре выходное напрежение дифференциального усилителя усилителя было равно нулю необходимо обеспечить одинаковые потенциалы в точках А₁ и А₂. В связи с этим примем R₃ = R₁, R₄ = 1.5 * R_2мин = 1.5 * 142.8 = 278.375 Ом. Примем R₄ = 330 Ом, (из ряда Е6).

    Мощность  на R₄ : P_R4 = I² * R₄ = (1*10^-3)² * 0.33 * 10³ = 0.33 мВт.

    С учетом коэффициента запаса К_з = 1.3 получаем P_R4 = 0.33 * 1.3 = 0.43 мВт.

    Выбираем  резисторы из полученных данных:

    R₁ = R₃:         МЛТ-0.125-15 кОм ± 5%.

    R₄:            СП3-38а-0.125-330 Ом ± 20%. 

    3.2 Дифференциальный усилитель 

    

    Рисунок 3 – Дифференциальный усилитель. 

    Примем  максимально возможное напрежение на выходе усилителя    U_вых = 5 B. При этом входное напрежение:

    ∆U = U_max – U_min = 0.1724 – 0.15 = 0.0224 B.

    Коэффициент усиления К = U_вых /∆U = 5/0.0224 = 223.214

    Для того, чтобы усилитель не влиял  на входной узел примем R₁ = R_вх = 10 * R_вых = 10 * 330 = 3.3 кОм.

    Тогда R₄ + R₅ = R₁ * K = 3.3 * 223 = 735.9 кОм. Примем R₃ = R_oc = 735.9 кОм.

    Из  ряда Е24: R₃ = 750 кОм.

    Резистор  R₅ предназначен для точной регулировки К.

    Примем  R₁ = R₃ = 3.3 кОм. Из ряда Е24: R₁ = R₂ = 3.3 кОм

    Пусть R₄ = 2 * (R₄ + R₅) /3 = 2 * 735.9 / 3 = 490.6; R₅ = (R₄ + R₅) /3 =   735.9 / 3 = 245.3 кОм

    Из  ряда Е24: R₄ = 510 кОм, R₅ = 240 кОм

    Ток в цепи R₂, R₃, R₆ =

    Мощность  на резисторах:

    R₂ : P_R2 = I² * R₂ = (0.000176*10^-3)² * 3.3 * 10³ = 0.0001023 мкВт.

    R₃ : P_R3 = I² * R₃ = (0.000176*10^-3)² * 735.9 * 10³ = 0.0227 мкВт.

    R₄ : P_R4 = I² * R₄ = (0.000176*10^-3)² * 240 * 10³ = 0.0074 мВт.

    С учетом коэффициента запаса К₃ мы получаем:

    P_R2 = 0.0001023 * 1.3 = 0.000133 мкВт.

    P_R4 = 0.0227 * 1.3 = 0.02951 мкВт.

    P_R4 = 0.0074 * 1.3 = 0.00962 мкВт.

    Ток в цепи R₁, R₄, R₅ =

    Мощность  на резисторах:

    R₁ : P_R1 = I² * R₁ = (0.0066*10^-3)² * 3.3 * 10³ = 0.143 мкВт.

    R₄ : P_R4 = I² * R₄ = (0.0066*10^-3)² * 510 * 10³ = 0.022 мВт.

    R₅ : P_R5 = I² * R₅ = (0.0066*10^-3)² * 240 * 10³ = 0.01045 мВт.

    С учетом коэффициента запаса К₃ мы получаем:

    P_R1 = 0.143 * 1.3 = 0.186 мкВт.

    P_R4 = 0.022 * 1.3 = 0.0286 мВт.

    P_R5 = 0.01045 * 1.3 = 0.0136 мВт. 

    Выбираем  резисторы из полученных данных:

    R₁ = R₂:         МЛТ-0.125-3.3 кОм ± 5%.

    R₃:            МЛТ-0.125-750 кОм ± 5%.

    R₄:            МЛТ-0.125-510 кОм ± 5%.

    R₅ = R₆:            СП3-38в-0.125-240 Ом ± 20% - А.

    Выбираем  операционный усилитель: К140УД20 с параметрами: сдвоенный, с внутренней коррекцией, напрежение питания ±5 В... ± 19.5 В, максимальное входное напрежение ±11.5 В. 

    3.3 Компаратор. 

    

    Рисунок 4 – Компаратор 

    Если  U_Д < U_З , то необходимо включить нагрев, если  U_Д ≥ U_З – выключить нагрев.

    С помощью R₃ ,будем задавать U_З от 0 В до 5 В. Пусть ток делителя равен 1.5 мА. Примем, что U_R3 = 5 В, тогда падение напрежения на R₁ + R₂ равен 10 В.

    1.5 мА * R₃ = 5 B, отсюда R₃ = 5 / (1.5 * 10^-3) = 3.3 кОм.

    Из  ряда Е6:  R₃ = 3.3 кОм.

    1.5 мА * (R₁ + R₂) = 10 B, отсюда R₁ + R₂ = 10 / (1.5 * 10^-3) = 6.6 кОм.

    Примем  R₂ = 2 * (R₁ + R₂) / 3 = 4.4 кОм, a R₁ = (R₁ + R₂) / 3 = 2.2 кОм.

    Из  ряда Е24: R₂ = 4.7 кОм, R₁ = 2.2 кОм.

    Мощность  на резисторах:

    R₁ : P_R1 = I² * R₁ = (1.5*10^-3)² * 2.2 * 10³ = 0.05 Вт.

    R₂ : P_R2 = I² * R₂ = (1.5*10^-3)² * 4.7 * 10³ = 0.01 Вт.

    R₃ : P_R3 = I² * R₃ = (1.5*10^-3)² * 3.3 * 10³ = 0.0074 Вт.

    С учетом коэффициента запаса К₃ мы получаем:

    P_R1 = 0.05 * 1.3 = 0.065 Вт.

    P_R2 = 0.01 * 1.3 = 0.013 Вт.

    P_R3 = 0.0074 * 1.3 = 0.01 Вт.

    Выбираем  резисторы из полученных данных:

    R₁ :         МЛТ-0.125-2.2 кОм ± 5%.

    R₂:          МЛТ-0.125-4.7 кОм ± 5%.

    R₃:          СП-П-0.5-3.3 кОм ± 20% - А.

    Выбираем  операционный усилитель: К140УД20 с параметрами: сдвоенный, с внутренней коррекцией, напрежение питания ±5 В... ± 19.5 В, максимальное входное напрежение ±11.5 В. 

    3.4 Преобразователь напрежения в  ток с устройством индикации 

    

    Рисунок 5 – Преобразователь 

    Выбираем  в качестве индекатора микроамперметр М263МТ с током полного отклонение І = 200 мкА, тогда:

    

    Примем 

    Из  ряда Е24: R₁ = 18 кОм.

    Примем 

    Из  ряда Е6: R₂ = 10 кОм.

    Расчитаем мощность на резисторах:

    R₁ : P_R1 = I² * R₁ = (0.2*10^-3)² * 18 * 10³ = 0.72 мВт.

    R₂ : P_R2 = I² * R₂ = (0.2*10^-3)² * 10 * 10³ = 0.4 мВт.

    С учетом коэффициента запаса К₃ мы получаем:

    P_R1 = 0.72 * 1.3 = 0.936 мВт.

    P_R2 = 0.4 * 1.3 = 0.52 мВт.

    Выбираем  резисторы из полученных данных:

    R₁ :         МЛТ-0.125-18 кОм ± 5%.

    R₂:          СП-38а-0.125-10 кОм ± 20% - А.

    3.5 Коммутатор переменного тока  с устройством согласования 

    

    Рисунок 6 – Устройство согласования и коммутатор переменного тока 

    Пусть Р_нагр = 4 кВт.

    I = Р_нагр / U = 4 * 10³ / 220 = 18 A.

    С учетом коэффициента запаса К₃ = 1.3 получаем I = 18 * 1.3 = 23.4 A.

    Исходя  из этого выбираем опторезистор ТО 132 – 25 с параметрами:  

    I_упр = 150 мА,

    U_д = 2.5 B.

    Выбираем  транзистор КТ829В с параметрами:

    h_12Э не менее: 750,

    U_{КЭ max} = 60 B,

    U_КЭH = 2 B,

    U_БЭН = 2.5 B,

    І_{К max} = 8 A. 

     , примем  R_огр = 56 Ом (из ряда Е24).

    Находим мощность: R_огр : P_Rогр = I² * R_огр=(150*10^-3)² * 0.056 * 10³ = 1.26 Вт, с учетом коэффициента запаса К₃ = 1.3 примем P_Rогр с мощностью 2 Вт.

    Выбираем  резистор R_огр:  МЛТ-2-56 Ом ± 5%.

    Для того, чтобы транзистор открылся, достаточно:

     Примем  І_б = 0.8 мА, тогда,