Схема ЭИРТ фактически состоит из 2 основных составляющих: датчика, непосредственно схемы термометра.

Сигнал с выхода датчика (микросхемы К1019ЕМ1) через замкнутые контакты SA1 поступает на вывод 31 микросхемы DD2 КР572ПВ2А. На неё же с движков переменных резисторов R20, R16 поступает напряжение +3,732В и +2,732В соответственно, т.е. разность патенциалов между 36 и 35 выводами равна 1В. К 38 и 39 подключена частото-задающая цепь R25C24. Цепочка из резистора R24 и конденсаторов С20, С22, С23 обеспечивают режим работы микросхемы. Резисторы R15-R21 и стабилизатор DA5 КР142ЕН8А представляют собой формирователь опорных сигналов. Помимо напряжений +3,732В и +2,732В с него снимается напряжение 2,732+0,382=3,114В соответствующее температуре установки 38,1С. Это напряжение подаётся на пороговое устройство, которое предназначено для отключения нагревательных элементов при достижении температуры выше температуры установки и представляет собой прецезионный операционный усилитель DA3 К140УД17 и компаратор DA4 К554СА3. Резисторы R13, R14 и диод VD6 задают величину гестерезиса (разницу между порогом включения и выключения) при переключении DA3. Прецезионный операционный усилитель применён из-за необходимости с точностью до десятых долей градуса поддерживать температуру установки. Напряжение +3,114В поступает на неинвертирующий вход DA3, а на инвертирующий поступает сигнал с сухого датчика и в результате происходит сравнение напряжения с датчика с установочным и если оно превышает его, то срабатывает компаратор, который включает реле, которое в свою очередь отключает нагревательные элементы. Об этом сигнализирует светодиод, который загорается в этот момент. Резистор R28 ограничивает ток через него. Диод VD7 предназначен для устранения выброса напряжения реле. Переключатель SA2 нужен для установки температуры переключения, т.е. при замыкании контактов в одном положении индикаторы показывают измеряемую температуру, а при другом будет отображать установку температуры переключения, которая может быть изменена с помощью переменного резистора R15. Переключатель SA1 необходим для снятия сигнала в одном положении с сухого датчика, в другом – с влажного. Для отображения температуры установки применён четырёхразрядный светодиодный цифровой индикатор. Ток через резистор R27 формирует запятую на одном из них. Индикатор HG1 указывает знак и первую цифру наибольшего значения измеряемой температуры – «еденицу». Через горизонтальный элемент индикатора течёт ток (определяемый резистором R26, из-за чего элемент постоянно высвечивает знак «минус» Резисторы R9, R10 предназначены для калибровки датчиков влажного и сухого соответственно, а резисторы R11, R12 задают рабочий ток через них.

 

2.5 Расчёт узла схемы питания

 

Причиной выбора мной бестрансформаторного блока питания (БТБП) со стабилизированным выходным напряжением послужила возможность избежать трудоемкого изготовления малогабаритного сетевого трансформатора, если нет готового, подходящего по параметрам.

Встречающиеся в технической литературе методики расчета БТБП, как правило, излишне сложны и трудоемки.

БТБП – это, по существу, параметрический стабилизатор напряжения, в котором роль токоограничительного резистора выполняет гасящий конденсатор.

 

Рис. 2.6.

 

Упрощенная схема БТБП приведена на рис. 2.6. Диодный мост VD1 подключён к сети не непосредственно, а через гасящий конденсатор Сгас, включенный последовательно с одной из диагоналей моста. В другую диагональ моста включена нагрузка R_н. Параллельно нагрузке подключены фильтрующий конденсатор Сф и стабилитрон VD2.

Расчет блока питания начинают с задания напряжения на нагрузке (U_н) и потребляемого тока (I_Н). Чем больше будет емкость конденсатора Сгас, тем, естественно, выше энергетические возможности БТБП, и наоборот.

В таблице 2. 1. приведены данные по емкостному сопротивлению (Х_с) конденсатора С_гас на частоте 50 Гц и эффективному значению тока Iэфф, текущего через конденсатор Сгас, вычисленные для случая, когда R_н=0, то есть при коротком замыкании нагрузки.

Кстати, этот аномальный режим для БТБП безвреден. Мы видим, что при С_гас=0,1 мкФ эффективный ток Iэфф, не превышает 7 мА, а при С_гас=1мкФ – 70 мА (при напряжении сети 220 В). Эти данные можно вычислить пользуясь формулами:

 

Хс=10/(π* Сгас)=3,183/ Сгас (2.1.)

Iэфф=220/ Xc=220* π*(Сгас/10)=69,11* Сгас (2.2.)

 

где Хс – в килоомах,

Сгас – в микофарадах,

Iэфф – в милиамперах

 

Таблица 2.1. Ёмкостное сопротивление конденсатора на частоте 50 Гц

Rн=0			Rн>0
Сгас, мкф	Хс, кОм	Iэфф, мА	Iср, мА
0,1	31,83	6,9	6,2
0,15	21,22	10,4	9,3
0,2	15,19	13,8	12,4
0,25	12,73	17,3	15,5
0,3	10,61	20,7	16,7
0,6	6,36	34,6	31,1
0,75	4,24	51,3	46,6
1,0	3,18	69,1	82,2
2,0	1,69	136,2	124,4
2,5	1,27	172,8	156,6
3,0	1	207,3	186,6
5,0	0,63	345,4	311,1
10,0	0,32	691,8	622,2

 

При R_н>0 в работу вступает фильтрующий конденсатор Сф, поэтому вместо эффективного значения тока следует брать средневыпрямленный (пульсирующий) ток, равный

 

Iср = 220 * [(2√2π)/π*Xс] = 62,22* Сгас (2.3.)

 

причем I_ср=0,9 Iэфф, поскольку 2√2/π =0,9. Данные по средневыпрямленному току Iср также приведены в таблице 2.1.

Таким образом, если, например Iн=50 мА, емкость гасящего конденсатора должна быть не менее 1 мкФ (с некоторым запасом на ток стабилизации), что соответствует емкостному сопротивлению Х_с=3,183 кОм и среднему току I_ср=62,2 мА.

 

Таблица 2.2. Зависимость Uн и Iн от нагрузки Rн

Сгас=1мкФ, Uст=12 В
Rн, кОм	Uн, В	Iн, мА	Рн, мВт
0,01	0,6	62,2	39
0,025	1,6	62,2	97
0,05	3,1	62,2	193
0,076	4,7	62,2	290
0,1	6,2	62,2	386
0,2	12,4	62,1	770
0,3	18,6	61,9	1148
0,4	24,7	61,7	1524
0,5	30,7	61,4	1885
0,6	36,7	61,1	2242
0,7	42,5	60,8	2584
0,8	48,3	60,3	2912
0,9	53,9	59,9	3229
1	59,3	59,3	3518

 

Если мысленно исключить стабилитрон VD2, то Uн и Iн будут зависеть от нагрузки Rн (таблица 2.2). Подсчитать эти параметры легко по формулам:

 

Iн = 0,9 * 220 * (√Rн + 10,132/Cгас^2) (2.4.)

 

Uн=Iн * Rн (2.5.)

 

где Iн – в миллиамперах,

Rн – в килоомах,

Сгас – в микрофарадах,

Uн – в вольтах.

(далее в формулах используются те же единицы измерения).

Как видно из таблицы 2.2, с уменьшением сопротивления нагрузки напряжение на ней тоже уменьшается, причем нелинейно. А вот ток через нагрузку, напротив, возрастает (правда, весьма незначительно). Так, например при уменьшении Rн с 1 до 0,1 кОм (в 10 раз) Uн снижается в 9,5 раза, а Iн увеличивается всего лишь в 1,05 раза (на 5%). Это как бы автоматическая стабилизация тока выгодно отличает БТБП от обычных (трансформаторных) источников питания. Мощность на нагрузке

 

Pн = 39204*Rн / (Rн^3 + 10,132 / Cгас^2 (2.6.)

 

С уменьшением R_н эта мощность снижается примерно так же, как и Uн. Для предыдущего примера Р_н уменьшается в 9,1 раза (с 3516 до 38 мВт).

Поскольку Iн при сравнительно небольших значениях Uн и Rн меняется крайне мало, на практике вполне допустимо пользоваться приближенными формулами:

 

Iн = 2√2 * 220 / π Хс = 62,22 * Сгас, (2.7.)

 

Uн = 62,22 * Rн * Cгас, (2.8.)

 

Рн = Uн * Iн = 3872 * Rн * Сгас^2, (2.9.)

 

Восстановив временно исключенный стабилитрон VD2, получаем стабилизацию напряжения Uн на уровне Uст. Если Uст =12 В, то при достаточно большом R_н выполняется равенство Uн = Uст.

R_н можно уменьшать пока выполняется неравенство:

 

Rн = Uст * Хс / √(39204 – Uст^2) (2.10.)

 

Теперь определим, какой ток Iн течет через нагрузку, а какой

Iст – через стабилитрон VD2. Очевидно, что

Iст = Iср – Iн

Значения Iст и Iн для разных R_н приведены в Таблице 2.3.

 

Таблица 2.3. Значения Iн и Iст для разных Rн.

Сгас = 1мкФ, Iср = 1мА, Рср = 745,2
Rн, кОм	Iн, мА	Iст, мА	Рн, мВт
0,2	60	2,1	720
0,3	40	22,1	480
0,4	30	32,1	360
0,5	24	38,1	288
0,6	20	42,1	240
0,7	17,1	45	206
0,8	15	47,1	180
0,9	13,3	18,8	160
1	12	50,1	144

 

Для конкретного напряжения стабилизации Uст_, средний ток Iср в цепи остается неизменным (в зоне стабилизации) и практически не зависит от сопротивления R_н. По мере уменьшения сопротивления нагрузки потребляемая ею мощность возрастает.

 

Рн = Iн * Uн = Uст^2 / Rн

 

А вот средняя мощность, потребляемая БТБП

 

Рср = 198 * Uст / Хс (2.11.)

 

остается неизменной (при данном Uст). Объясняется это тем, что ток Iср разветвляется на два (Iн и Iст) и, в зависимости от сопротивления нагрузки, перераспределяется между Rн и стабилитроном VD2. Чем меньше Rн, тем меньший ток идет через стабилитрон, и наоборот. Вот почему снимать нагрузку с БТБП не рекомендуется, иначе весь ток пойдет через стабилитрон.

До сих пор речь шла о средневыпрямленном токе Iср. Но в осветительной сети течет переменный ток, а через Rн и VD2 (если бы не было конденсатора Сф) – однополярный пульсирующий. Следовательно, стабилитрон VD2 должен выдерживать (при Rн = ∞) этот импульсный ток.

Не следует забывать и о возможных бросках напряжения в сети, составляющих 20…25%. Поэтому при С_гас=1 мкФ и Uст =12 В стабилитрон VD2 должен выдерживать (без нагрузки) не менее 120…125 мА. Если нагрузка подключена постоянно, значение этого тока может быть снижено до

 

Iст имп = (1,25 * 311 / Хс) – (Uст / Rн) (2.12.)

 

Например при Rн =0,3 кОм и С_гас= 1 мкФ, Uст =12 В наибольший ток через стабилитрон составляет 82мА.

Итак, приводим расчет БТБП. Пусть, Uн =18 В, Rн =0,4 кОм, что соответствует Iн =45 мА. Из Таблица 2.3.1. следует, что наиболее подходящим является конденсатор С_гас емкостью 1 мкФ, поскольку его средний ток (62,2 мА) при низкоомной нагрузке превышает необходимый).

Проверим, до какой величины может снизиться напряжение Uэф сети, чтобы через стабилитрон протекал ток Iст

 

Uэф = (3,53 / Сгас) * (Ucт / Rн + Iст мин) = 169,44 В

 

что соответствует снижению сетевого напряжения на 22%. Следовательно,

 

Хс = 10 / π * Сгас = 3,18 (кОм)

Для БТБП подходят пара стабилитронов Д814Б, максимальный ток стабилизации которых составляет 24 мА, а напряжение стабилизации – около 18 В.

При напряжении сети 220 В номинальное напряжение конденсатора Сгас должно быть не менее 400 В, то есть примерно с 30% запасом по отношению к амплитудному сетевому, то есть

 

√2 * U дейст = 311 В,

311 В + 30% = 404 В

 

Подбирая конденсатор Сгас, следует учитывать, что номинальное напряжение конденсатора данного типа не всегда совпадает с допустимым для него переменным напряжением. Так, например, наиболее распространенные металлобумажные малогабаритные конденсаторы типа МБМ на номинальное напряжение 500 В могут работать только в цепях, где амплитуда переменного напряжения не превышает 150 В. Амплитуда же сетевого напряжения 220 В, как уже сказано выше, достигает 311В, что более чем вдвое превышает допустимое для них значение. Иначе говоря, применять в БТБП конденсаторы типа БМ, МБМ, МБГО, МБГП, МБГЦ-1, МБГЦ-2 нельзя.

Наиболее надежно в БТБП работают конденсаторы МБГЧ-1, МБГЧ-2 на номинальное напряжение 500 В (от старых стиральных машин, люминесцентных светильников и т.п.) или КБГ-МН, КБГ-МП, но на номинальное напряжение 1000 В.

Точно рассчитать емкость фильтрующего конденсатора Сф аналитическим путем затруднительно. Поэтому ее подбирают экспериментально. Ориентировочно следует считать, что на каждый 1 миллиампер среднего потребляемого тока требуется как минимум 3…10 микрофарад этой емкости, если выпрямитель БТБП двухполупериодный. Номинальное напряжение используемого оксидного конденсатора Сф должно быть не менее Uст.

БТБП желательно дополнить еще двумя вспомогательными резисторами. Один из них, сопротивление которого составляет 300 кОм…1 МОм, включают параллельно конденсатору Сгас. Этот резистор нужен для разряда данного конденсатора после отключения устройства от сети. Второй (балластный) резистор сопротивлением 10…51 Ом включают в разрыв одного из сетевых проводов, например последовательно с конденсатором С_гас. Он ограничивает ток через диоды моста в момент подключения БТБП к сети, когда начальный ток заряда конденсатора Сф весьма велик. Мощность рассеяния обоих резисторов должна быть не менее 1 Вт, что гарантирует от возможных поверхностных пробоев этих резисторов высоким напряжением.

Из-за балластного резистора средняя мощность, потребляемая от сети, несколько увеличивается, так как добавляются потери на нагрев дополнительного резистора (конденсатор С_гас практически не нагревается).

Несмотря на то что средний ток в цепи остается практически тем же или становится чуть меньше, потребляемая мощность существенно возрастает. При С_гас=1 мкФ, U_ст=18 В, R._н=0,2 кОм и R_бал= 51 Ом средний потребляемый ток останется приблизительно тем же (55 мА), что и без балластного резистора. Однако мощность, рассеиваемая на балластном резисторе составляет (понадобится резистор МЛТ-1).

 

Рбал = Uбал^2 / R_бал = 5,6 ^2 / 100 = 313,6 (мВт)

 

Растет и средняя потребляемая мощность

Рср = (198 * Uст / Хс) + Рбал = (198 * 18 / 3,183) + 313,6 = 1433,3 (мВт)

что соответствует росту мощности на 36% (относительно 2230 мВт).

За счет R_бал стабилитрон нагружен несколько меньше. Немного снижается и максимальный импульсный ток через него, но вот средняя потребляемая мощность, как уже показано выше, заметно увеличивается.

В БТБП можно использовать диодные мосты КЦ405 или КЦ402 с буквенными индексами Ж или И, если средний ток не превышает 600 мА, либо с индексами А, Б, если значение тока достигает 1 А. Пригодны также четыре диода, включенные по схеме моста, например серий КД105Б (В, Г), Д226Б (В), рассчитанные на ток до 300 мА; серий КД209А (Б, В) – на ток до 500 или 700 мА; КД226В (Г, Д) – на ток до 1,7 А.

 

 

3. Разработка конструкции электронного термометра