Традиционным способом повышения стабильности выходного параметра электрического сигнала в диапазоне температур является термостатирование источника, который формирует этот сигнал. Описываемый термостат прост в реализации, наладке и технологии изготовления.
Принципиальная схема термостата приведена на рис.1. Его основные узлы — датчик температуры нагрева, усилитель постоянною тока
(УПТ), нагревательный элемент и стабилизатор
напряжения питания.Датчик температуры нагрева термостата представляет собой мост, два плеча которого образованы прецизионными стабилитронами VDI и VD2, а два других плеча — резистором R3 и транзистором VT1 с цепью установки рабочей точки (резисторы Rl, R2). При использовании данного термостата совместно с ВЧ генератором возможно паразитное детектирование наведенного сигнала переменного тока на эмиттерном переходе транзистора VT1 и, как следствие, сдвиг рабочей точки. Чтобы устранить это, в базовую цепь VT1 включен конденсатор С1. Конструктивно он должен находиться рядом с транзистором. УПТ выполнен на микросхеме DA1.
Напряжение на ее вход подают с диагонали моста датчика температуры. Резистор R5 определяет коэффициент усиления всей системы авторегулирования, a R6 ограничивает максимальный выходной ток УПТ на уровне предельно допустимого для данного типа микросхемы.
В качестве нагревательного элемента используется мощный составной транзистор КТ825Д. Пусковой ток I термостата определяется напряжением стабилизации Uст. диода VD3, а также сопротивлением R параллельно включенных резисторов R8—R12 и приблизительно равен: In~(Uст—U)/R. Напряжение U складывается из падения напряжения на диоде VD4 и эмиттерном переходе транзистора VT4 и составляет около 2 В.
Стабилизатор напряжения питания УПТ выполнен на транзисторе VT3. Образцовое напряжение формируется диодами VDI, VD2 совместно
с источником тока на транзисторе VT2.Эскиз шасси термостата с ориентировочными размерами приведен на рис. 2. Оно cocтоит из двух одинаковых П-образных деталей, изготовленных из меди или (что несколько хуже) латуни толщиной 2,5...3 мм и спаянных между собой широкими стенками. Шасси также может быть сделано из трех дюралюминиевых пластин, причем толщина горизонтальной пластины в этом случае должна быть 5...6 мм. При изготовлении шасси из отдельных пластин необходимо обработать места их стыковки так, чтобы тепловое сопротивление было минимальным.
Транзистор-нагреватель VT4 располагают на одном из торцов на уровне горизонтальною участка шасси. Само шасси помещено в короб, склеенный из пластин пенопласта толщиной 8...10 мм, и привинчено четырьмя винтами М2,5 к дну (его целесообразно сделать из пенопласта повышенной прочности) корпуса с помощью уголков, показанных на эскизе. Чтобы повысить механическую прочность корпуса, улучшить теплоизоляцию и экранировку от внешних наводок, пенопластовый короб помещен в корпус из луженой жести толщиной 0.2.. 0,3 мм.
Верхняя крышка также изготовлена из жести и снабжена пенопластовой пластиной. Чтобы дополнительно улучшить теплоизоляцию, по внутреннему периметру крышки необходимо приклеить полоску поролона сечением приблизительно 8х8 мм.
Питание и полезный сигнал подают через проходные изоляторы, вклеенные в одну из боковых стенок корпуса.
Стеклотекстолитовая плата с элементами термостата укреплена на стойках с нижней стороны горизонтальной част шасси. Плату термостатируемою устройства помещают над верхней поверхностью шасси. Для удобства расположения и монтажа активных элементов обоих плат в горизонтальной пластине сверлят отверстия под них. Следует, однако, следить за тем, чтобы не было электрического котакта между
корпусом соответствующею элемента и шасси, если такое соединение не предусмотрено электрической схемой.
В качестве УПТ может быть использован любой операционный усилитель с напряжением питания более ±9В, дополненный, при необходимости, соответствующей цепью коррекции. Транзистор VT3 — любой не слишком высокочастотный транзистор структуры р-п-р, имеющий статический коэффициент передачи по току h21э не менее 30.
В качестве VT1 в любительских условиях удобно использовать кремниевый транзистор в пластмассовом корпусе, например КТ361, КТ502 и т д. В этом случае корпус транзистора может быть приклеен к шасси термостата. Если применяется транзистор в металлическом корпусе, например, КТ208, необходимо обеспечить хороший тепловой контакт в месте его крепления к шасси при отсутствии электрического соединения. Резистор R1 должен быть проволочным, многооборотным, например, СП5-2. СП5-3 и т д, и расположен таким образом, чтобы была возможность подстраивать его при полностью собранном термостате.
В качестве примера рассмотрим элементы конструкции перестраиваемого кварцевого генератора, как термостатируемого блока. Основными элементами этого устройства являются кварцевый резонатор, катушка индуктивности и конденсатор переменной емкости. Наиболее чувствительным по параметру Af/At является кварцевый резонатор. Поэтому температуру следует стабилизировать вблизи места его крепления к шасси. В этом случае датчик температуры — транзистор VT1 необходимо расположить с другой стороны шасси, напротив корпуса кварцевого резонатора.
При использовании кварца в стеклянном корпусе, чтобы улучшить теплопередачу целесообразно обернуть его медной фольгой и прикрепить к шасси. Катушку индуктивности также нужно устанавливать на шасси в непосредственной близости от точки, где контролируется температура. Конденсатор переменной емкости крепят к вертикальной стенке напротив транзистора VT4. Конденсаторы в цепи обратной связи автогенератора желательно выбирать с минимальным ТКЕ и, при возможности обеспечить механический, а следовательно, и тепловой контакт их корпусов с шасси. Наиболее удобными в этом смысле являются конденсаторы К10-23.
Прежде чем приступить к налаживанию (до подачи напряжения питания), чтобы избежать перегрева термостата, необходимо разомкнуть цепь управления транзистора-нагревателя. Для этого отключают один из выводов диода VD4. Затем нужно установить ток стабилизации диодов VD1, VD2. Для этого подбирают резистор R4 (возможно, придется и исключить его).
Затем приступают к настройке термодатчика и УПТ. К входам УПТ подключают вольтметр и, вращая движок подстроечною резистора R1, получают нулевое напряжение. Далее измеряют напряжение (относительно плюсового вывода источника питания) на выхо де УПТ. Изменяя в небольших преде лах сопротивление резистора R1, убеждаются, что напряжение на выходе УПТ плавно изменяется от минимального до максимального значения, устанавливают некоторое среднее значение и проверяют реакцию устройства на нагрев. Для этого, например, с помощью паяльника, повышают температуру шасси термостата и убеждаются, что выходное напряжение УПТ падает.
Затем на выходе УПТ устанавливают минимальное напряжение, включают в цепь питания термостата амперметр и восстанавливают цепь управ ления транзистора-нагревателя. Плавно увеличивая напряжение на выходе УПТ, потребляемый термостатом ток доводят до значения 200-250 мА. По мере прогрева термостата потребляемый ток будет уменьшаться, но его следует восстанавливать, вращая ось резистора R1. Этот процесс проводят "на ощупь", устанавливая ее несколько выше ожидаемой максимальной температуры окружающей среды. На этом предварительное налаживание заканчивается.
Последующая настройка сводится к наблюдению за характером переходного процесса системы авторегулирования при включении термостата и корректировке в зависимости от него коэффициента усиления кольца регулирования. Переходной процесс желательно наблюдать при пониженной температуре окружающей среды, для чего можно воспользоваться морозильной камерой бытового холодильника. При этом термостат должен находиться в корпусе с закрытой верхней крышкой.
На рис 3 изображены три типичных графика изменения потребляемого термостатом тока от времени после включения охлажденного термостата. Оптимальным, с точки зрения минимизации времени готовности термостата при высокой точности установки температуры, является переходный процесс, примерно соответствующий кривой 2. Его добиваются подбором резистора R5. Кривая 1 получается, если сопротивление R5 больше оптимального значения, кривая 3 — если меньше.
В заключение необходимо убедиться, что на всем протяжении переходного процесса ток термостата изменяется плавно, без скачков. Если же они есть то это говорит о наличии относительно высокочастотного по сравнению с колебаниями переходного процесса, самовозбуждения. Его можно обнаружить с помощью осциллографа, а устранить включением между общим проводом и одной из точек — эмиттером транзистора VT1, выходом операционного усилителя DAI, базой VT4, базой VT3 — дополнительного оксидного конденсатора емкостью 5 20 мкф.
Для приведенных на рис 1 элементов, термостат обладает следующими параметрами пусковой ток приблизительно равен 1 А. стационарный ток при t=20 °С — 80 мА, при t=0 °C —120 мА, время установления рабочего режима 6 мин.
Делать пусковой ток более 2 А не рекомендуется, так как, чтобы обеспечить устойчивость системы авторегулирования. придется реализовывать малый коэффициент усиления, что, в свою очередь, приведет к уменьшению точности подстройки температуры.
В. ПРОКОФЬЕВ (RA3ACE)
г. Москва