Казанский Государственный Университет

Физический факультет кафедра радиоэлектроники

СИСТЕМЫ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ В РАДИОЭЛЕКТРОНИКЕ

Методическая разработка

для лабораторного практикума

по радиофизике и радиоэлектронике.

КАЗАНЬ - 1997г.

Составители: ст.преп. каф. р/э К.С.Сайкин инж. каф. р/э B.B.Tory лев

Методическая разработка подготовлена для лабора­торной работы "Системы термостатирования в радио­электронике" общего радиофизического практикума, проходящего на кафедре радиоэлектроники физиче­ского факультета КГУ. Данная лабораторная работа выполняется студентами 3-го и 4-го курсов потока "ра­диофизика".

Макет методической разработки был подготовлен с использованием

• издательской системы LATeX

• программы P-CAD для схемотехнического моде­лирования на ПЭВМ

• графического дизайнера Desing-CAD-3.

Оглавление

1. Введение……………………………………………………………………………………… 4

2. Принцип действия СТ……………………………………………………………………….. 4

3. Классификация СТ…………………………………………………………………………. 5

1. Краткая характеристика типов СЭТ………………………………………………………... 6 4.1 Принципы регулирования, применяемые в ОЭТ……………………………………….… 7

5 Элементы СТ………………………………………………………………………………. 7

1. Датчики температуры ………………………………………………. 7

2. Регулирующие устройства ……………………………………………… 10

3. Исполнительные элементы ……………………………………………… 11

6 Описание установки………………………………………………………………... 15

7 Порядок выполнения работы………………………………………………………………. 15

8 Список литературы………………………………………………………………………… 17

Список рисунков

1. Обобщённая структурная схема СЭТ. ……………………………………………...5

2. Характеристика релейного датчика температуры…………………………………………8

3. Схемы регуляторов температуры ……………………………………………... 10

4. Статическая характеристика спирального и тран­зисторного нагревателей…………….. 11

5. Полупроводниковый термоэлемент ……………………………………………... 12

6. Статическая характеристика термобатареи…………………………………………….13

7. Блок-схема установки………………………………………………………………………… 14

1 Введение

Среди новейших достижений науки и техники особое место занимает развитие полупроводниковой электроники. Нет не­обходимости доказывать сегодня все преимущества полупро­водниковых приборов. Однако ряд недостатков, присущих им не позволяет применять их так широко как это необходимо.

Основным из этих недостатков является нестабильность параметров п/п приборов при изменении температуры. Для уменьшения влияния температуры на параметры элементов радиоэлектроники в настоящее время применяются различ­ные системы термостатирования (СТ).

Системой термостатирования называется тепловая авто­матическая система регулирования, поддерживающая в за­данном объёме заданную температуру с определённой точ­ностью независимо от изменения её в окружающей среде и внутреннего тепловыделения. Применение СТ особенно целе­сообразно там, где термокомпенсация и другие схемные спо­собы решения не дают удовлетворительных результатов.

СТ, предназначенные для работы в р/э аппаратуре, от­личаются от аналогичных схем в других областях науки и техники прежде всего малыми габаритами и весом, коротким временем выхода на режим, небольшой потребляемой мощно­стью и высокой точностью поддержания температуры статирования.

2 Принцип действия систем термостатирования.

В самом общем случае р/э устройство представляет со­бой совокупность элементов, связанных различными функ­циональными зависимостями. Каждый элемент устройства обладает нестабильностью, обусловленной изменением кос­венного параметра и, так называемой, паразитной чувстви­тельностью.

Паразитная чувствительность, проходящая на выход уст­ройства с равными коэффициентами влияния, составляет до­полнительную, а иногда, основную погрешность. Так, в при­боростроении хорошо известно, что при работе устройства в широком диапазоне температур полная погрешность почти на 50% сводится к температурной погрешности.

Бели косвенным параметром является температура окру­жающей среды, то температурная погрешность определяется как алгебраическая сумма составляющих от каждого элемен­та:

(1)

γ1, γ2,,,,,,γn- температурные коэффициенты эле­ментов, входящих в устройство;

b1,b2,,,,,bn - коэффициенты влияния;

n - количество элементов в схеме;

ΔT - изменение температуры окружающей среды.

Уравнением 1 определяются три способа уменьшения тем­пературной погрешности:

1. Уменьшение температурных коэффициентов элементов;

2. Уменьшение коэффициентов влияния;

3. Сужение температурного диапазона.

Первый способ предполагает применение элементов с ма­лым температурным коэффициентом и создание схем темпе­ратурной компенсации. Второй - проектирование схем, в ко­торых коэффициенты влияния имеют минимальное значение. Третий - создание систем термостатирования.

Два первых способа, как уже говорилось, не всегда дают желаемые результаты, а иногда становятся и весьма сложны­ми. Поэтому в настоящее время всё чаще при проектировании устройств применяют системы электрического термостатиро­вания (СЭТ).

В соответствии с теорией автоматического регулирования структурная схема СЭТ выглядит как показано на рис. 1 (U₀ , Т_C - внешние воздействия на систему, Р , U₁ ÷ U₃ , I, Т -внутренние воздействия). Структурная схема составлена та­ким образом, что она отражает физику процессов в системе: на регулируемый объект (термостат) в зависимости от внеш­ней температуры или внутреннего тепловыделения воздей­ствует положительный или отрицательный тепловой поток, изменяющий температуру внутри термостата. Это приводит к изменению входного параметра чувствительного элемента, который выдаёт на выходе напряжение U₁ пропорциональное изменению температуры. На элементе задания устанавлива­ется напряжение U_o0 , соответствующее требуемому значению

Рис. 1: Обобщённая структурная схема СЭТ.

температуры статирования. Рассогласование U₂ = U₁ — U₀ по­даётся на усилительно-преобразующее устройство, а потом в виде сигнала U₃ на регулирующий элемент, изменяющий величину тока исполнительного элемента. Исполнительный элемент служит для создания дополнительного теплового по­тока, за счёт изменения которого и происходит компенсация отклонения внутри термостата.

В данной схеме преобразование воздействий направлено по одному замкнутому контуру и такая СЭТ называется од­ноконтурной. В более сложных вариантах СТ регулирование может быть и многоконтурным.

3 Классификация систем термостатирования.

По принципу действия СЭТ можно подразделить на актив­ные и пассивные. Пассивные СЭТ отличаются от активных отсутствием регулятора, а сглаживание колебаний темпера­туры производится за счёт хорошей теплоизоляции.

По требуемой мощности статирования СЭТ могут быть грубые - с точностью статирования большей или равной ±0.1ºC , и презиционные - с точностью статирования меньшей ±0.1ºC. Презиционные СЭТ могут быть только активные.

По принципу использования теплового потока СЭТ можно классифицировать на СЭТ, построенные на основе неревер­сивного регулирования с притоком только тепла или только холода, и на СЭТ, построенные на основе реверсивного ре­гулирования, т.е. с притоком и тепла и холода. СЭТ с нере­версивным регулированием имеют температуру статирования вне заданного диапазона, а СЭТ с реверсивным регулирова­нием - внутри заданного диапазона.

По типу исполнительных элементов СЭТ подразделяют­ся на системы со спиральными нагревателями, с транзистор­ными нагревателями и с полупроводниковыми термобатаре­ями, причём СЭТ с нереверсивным регулированием имеют спиральные или транзисторные нагреватели, а с реверсивным регулированием - полупроводниковые термобатареи.

Кроме указанных классификаций производят также деле­ние СЭТ по принципу действия регулятора, т.е. закону регу­лирования.