Главная Промышленная автоматика.

7.3. Формирователи термозшисммого напряжения

В ТККГ, термокомпенсированном с помощью варикапа, формирователь напряжения определяет температурную стабильность частоты, получаемую в результате компенсации, трудоемкость процесса регулировки, в значительной степени влияет на надежность, габариты и мощность, потребляемую генератором от источников питания.

С учетом малого влияния элементов активной части генератора цепн управления частотой на результирующую ТЧХ зависимость напряжения на выходе формирователя от температуры - вольт-температурная характеристика (ВТХ) - для достижения термокомпенсацни в первом приближении должна првторять ТЧХ резонатора. В зависимости от типа среза резонатора и интервала рабочих температур ВТХ формирователя должна быть близка к квадратичной нлн кубичной монотонной кривой с одним илн двумя экстремумами на участке термокомпенсации,

По виду ВТХ формирователи можно разделить иа четыре группы: нелинейные, кусочио-иелииейиые, дискретные и дискретио-не-лииейиые.

Нелинейную температурную характеристику имеют термозависимые цепи, в состав которых входят постоянные резисторы и терморезнсторы. Вид ВТХ этих цепей определяется их структурой и параметрами терморезисторов и резисторов.. Чаще других в ТККГ применяются термозависимые потенциометры и мостовые устройства.

В кусочно-иелинейных формирователях ВТХ - ломаная кривая. Наклон кривой на границах участков («кусков») изменяется с помощью элементов, имеющих нелинейную вольт-ампериую характеристику. В качестве таких элементов используются полупроводниковые диоды и транзисторы, включаемые в термозависимые цепи. Так Как нелинейные и кусочно-нелинейные формирователи реализуются с помощью аналоговых устройств, то они получили название аналоговых цепей термокомпенсацни.

При дискретной термокомпенсации ВТХ формирователя имеет вид ступенчатой (дискретной) кривой. В настоящее время дискретная термокомпенсация реализуется с помощью цифровых устройств. В таком случае цепн называются с цифровой термокомпеисацией.

При дискретно-нелинейной термокомпенсации ВТХ формируется из отдельных участков с получением на каждом из них нелинейной кривой, осуществляющей с необходимой точностью компенсацию иа данном участке без привязки уровня напряжения к значениям на соседних участах, как это имеет место в кусочно-нелинейной кривой. При этом ВТХ - кусочно-непрерывная кривая с конечными разрывами первого рода. Прн дискретво-нелинейной термокомпеисацнн в формирователь вводится термочувствительное устройство, которое переключает цепи компенсации, осуществляющие формирование нелинейной кривой на каждом из участков [17]. Рассмотрим схемы, реализующие названные способы термокомпенсации, подробнее.

В тех случаях, когда необходимо обеспечить минимальные габариты Генератора, применяют нелинейную термокомпенсацию с помощью термозавнсимых потенциометров (ТЗП) и мостовых устройств. Одни из вариантов схемы термозавнсимого потенциометра, ВТХ которого близка по виду к кубичной параболе с двумя экстре-

мумамн (кривая i на рис. 7.2, в), изображен иа рис. 7.2, а. Коэффициент передачи этого потенциометра

U(T)

г) (Г) =

/?1 + + Rz) R3 Rti + Ri Rt3 + {Ri + Кг) Rti Rt3

Rt R3 (Rtz + R тз) + Кз Rti {Rt2 + Rti) + Ri Kt2 Rt3 + Rti Rtt Кп\

(7 17)

с учетом зависимости сопротивления терморезисторов от температуры. (3.1) представляет собой траисцеидеитиую функцию от темпе-


Рис, 7.2, Формирование термозавнсимого напряжения: а - термозавнскмый потенциометр; б - мостовая схема; в, г - температурные

характеристики

ратуры т. Вид температурной характеристики (ТХ) ТЗП зависит от числа терморезнсторов в потенциометре. На рис. 7.2, s изображены ТХ потенциометра, изображенного на рис. 7.2, а при

= оо (кривая 2) и прн ;?т1=тз = °° (кривая 3). Из рисунка видно, что число терморезнсторов определяет число монотонных участков на ТХ потенциометра.

Так как с увеличением числа терморезнсторов уменьшается крутизна изменения коэффициента передачи и возрастает сложность ре. гулировки схемы, ТЗП с тремя терморезисторамн и более примени



ются на практике редко. Увеличение числа постоянных резисторов в одном плече ТЗП больше п-.-а Ч- I, где п. - число терморезисторов в данном плече, практически не приводит к увеличению точности терыокомпенсацни и поэтому нецелесообразно [23].

В некоторых случаях при необходимости формирования сложных кривых целесообразно применять термозавнсимый мост (рис. 7.2, б), который может дать увеличение крутизны изменения коэффициента передачи и лучшее приближение к требуемой для достижения точной термокомпеисации ТХ. Зависимость коэффициента передачи этого моста от температуры изображена на рис. 7.2, г: (кривая У - ТХ делителя с двумя терморезнсторамн, кривая 2 - ТХ делителя с одним терморезйстором, кривая 3 - результирующая ТХ).

Широкое применение в качестве термочувствительного звеиа, задающего температурную характеристику прн использовании многих способов термокомпенсацна, находит ТЗП с одним терморезйстором (рнс. 7.3, а). Изменяя параметры элементов этого ТЗП, можно, изменять кривизну ВТХ на участке компенсацнн, добиваясь ее наилучшего приближения к ВТХ идеальной (во-всех точках температурного диапазона) термокомпенсацнн. Коэффициент передачи ТЗП с одним терморезистором (рнс. 7.3, а)

X

Ri + R Rr

R1+R2

• = фтт + (ф/«аг- фт/я) X

KRi + R) Яз/(«1 + Л2 + Лз)1+Лт

XRJ(R3+Rr). (7.18)

где min = RiliRi + R2) - коэффициент передачи при коротком замыканнн терморезнстора R; фтаж = (R2 + RsliRi + + Rs) - коэффициент передачи при Rt = 00; Rg = (Ri + Лг)3/(1 + /?2+ Rs) - сопротнвленпе прн подключении резистора R3 параллельно Rl -г R.

Из (7.18) видно, что включение резисторов R2 и R3 изменяет постоянную составляющую коэффициента передачи фгпгп н масштаб температурной характернетнкн фтах - min простейшей цепочки, состоящей нз терморезнстора R., и резистора Rg, т. е. форму кривой на участке термокомпенсацнн задает значение сопротивления Rg. Для компенсацнн генераторов с возрастающей ТЧл выпуклостью вверх (резонаторы AT прн температурах ниже левого экстремума (рнс. 7.3, б) и БТ и РТ ниже экстремума) и падающих ТЧХ выпуклостью вниз (ТЧХ резонатора AT между точкой перегиба и правым экстремумом) необходимо стремиться к увеличению Rg. Прн компенсации генераторов с падающей ТЧХ выпуклостью вверх (участок ТЧХ среза AT между левым экстремумом н точкой перегиба и правая ветвь резонаторов БТ и РТ) и возрастающих ТЧХ выпуклостью вниз (срез AT прн температурах выше правого экстремума) необходимо уменьшать.

Для увеличения стабильности ТККГ прн воздействии дестабилизирующих факторов на элементы цепн управления необходимо стремиться к увеличению крутизны изменения коэффициента передачи при нзмененнн температуры. При использовании ТЗП с одним терморезйстором максимальная крутизна получается при /?2 = О, /?з= = оо. Второй резистор R2 (R3) включается, если на ТЗП накладываются два условия, чаще всего обеспечение необходимого коэффи-

циента передачи иа одной границе участка и приращение коэффициента передачи для обеспечения точной компенсации на второй его границе (двухточечная компенсация).С учетом зависимости сопротивления Ro, определяющего кривизну ТХ иа участке компенсацнн, от сопротивления резистора R2, включаемого последовательно с терморезистором, и* R3, включаемого параллельно терморезистору, дополнительные резисторы R2 илн R3 в зависимости от участка ТЧХ должны включаться в соответствии со схемами, наображеннымн на рис. 7.3, б. Хртя в большинстве случаев кривизны ТХ ТЗП не хватает для обеспечения трехточечной компенсации, такое включение позволяет значительно улучшить точность компенсации на участке.


Рис. 7.3. Термозавнсимый потенциометр: о - схема с одним терморезйстором; б - применение потенциометра



Полную схему ТЗП с одним терморезистором (с тремя постоянными резисторами) следует включать при компенсации участка ТЧХ с точкой перегиба или в тех случаях, когда кривизны компенсирующей характеристики хватает для обеспечении трехточечпой компенсации, что при использовании резонаторов AT достигается прн выборе участка компенсации вблизи точки перегиба (ТЗП изображен в верхней полуплоскости рис. 7.3, б).

В [23] получены формулы для ТЗП с одним терморезистором, позволяющие по требуемой стабильности ТККГ рассчитать элементы без использования ЭВМ. Однако учитывая большой объем вычислений даже прн использовании простого (с одним терморезнстором) ТЗП, особенно при проектировании генератора для широкого hhj тервала температур, такой расчет следует использовать дли грубой оценки при средних зиаченинх характеристик резонатора и других элементов ТККГ.

Для более сложных цепей с терморезисторами нз-за сложности выражений, описывающих зависимость коэффициента передачи от температуры, не удается получить формулы для расчета параметров элементов в аналитическом виде.

Поэтому элементы как простых, так и сложных ТЗП и мостовые устройства на стадии проектирования с учетом разброса характеристик следует рассчитывать с помощью ЭВМ по методике, изложенной в [23]. Следует отметить, что исходными данными для расчета лучше всего использовать ВТХ идеальной термокомпепсацин, снятые экспериментально па ТККГ с рассчитанными параметрами цепи управления и крайними значениями параметров элементов, влияющих на ВТХ идеальной термокомпенсацни (иаТЧХ ТККГ до компенсации и кривую управления частотой).

Термокомлепсация прн изготовлеици генераторов осуществляется индивидуально для каждого генератора. При использовании сложных ТЗП и мостов значения элементов формирователя подбираются по иапряжеиню идеальной компенсации с помощью ЭВМ [171]. Следует подчеркнуть, что исходными данным» для расчета па ЭВМ при регулировке необходимо использовать зависимость напряжения идеальной термокомпенсации от сопротпвлепнй терморезнсторов, сиитых одновременно прн разных значеиних температуры внутри интервала рабочих температур, без определения точного значения температуры.

При использовании ТЗП с одним терморезистором по схеме рис. 7.3, а с двумя постоянными резисторами регулировка ТККГ для осуществления двухточечной компенсации может быть произведена по методике, приведенной в [20], с тремя терморезисторами дли обеспечения трехточечной компенсации - по методике [159]. Упростить регулировку прН достижении двухточечной термокомпенсацни можно при нспользоваинп ТЗП с добавочным делителем напряжения по схеме рнс. 7.4, позволяющим раздельно регулировать его прн двух значениях температуры, в которых должна обеспечиваться точная термокомпенсация. При первом значении температуры точную термокомпеисацию необходимо делать подбором сопротивления RiiRi) при Rs= оа. После этого при Кз= О устанавливается то же значение частоты подбором одного из резисторов в делителе R4, R5. Затем устанавливается второе значение температуры, и точная термокомпенсация достигается подбором сопротивления R. Так как резистор R3 включен в диагональ моста, сбалансированного при первом значении температуры, изменение его сопротивления rie влияет

иа результат компенсаций прн этой температуре. Для ббеспечейкй максимальных пределов регулировки при снятии напряжения с ТЗП, как показано иа рис. 7.4, а, сопротивление.плеч делителя необходимо брать в 5-10 раз меньше сопротивлений плеч ТЗП, при снятии напряжения с делители - меньшими необходимо выбирать значения плеч ТЗП.

Включив в делитель второй терморезнстор (R„ на рис. 7.4, б), можно увеличить кривизну ВТХ иа участке термокомпенсации, увеличив точность компенсации участков ТЧХ резонатора с большой кривизной (в районе экстремума) или в тех случаях, когда кривизны кривой ВТХ простого ТЗП не хватает нз-за требуемой большой крутизны изменения напряжения, например, прн низкой управляемости резонатора и компенсации в интервале температур, ниже левого экстремума дли резонаторов АТ.



Рис. 7.4. Термозависнмые цепн для раздельной термокомпенсацни

Включая второй терморезистор в верхнее плечо делителя (рис. 7.4, в), можно варьировать ВТХ на участке термокомпенсацни в широких пределах от падающей при R - оо до возрастающей при У?з = О и сопротивлении плеч делителя Rxa. R4 меньше сопротивления плеч основного ТЗП R, R, i- Элементы формирователей, изображенных на рис. 7.4, рассчитываются иа стадии проектировании с помощью ЭВМ. Регулировать их можно с помощью ЭВМ или описанным выше способом. При этом можно обеспечить- достаточно высокую температурную стабильность частоты ТККГ: до (0,5-1)-10-°.в широком интервале рабочих температур. Дальнейшее повышение стабильности частоты при одновременном упрощении процесса регулировки ТККГ может быть достигнуто при некотором усложнении схемы и использовании кусочно-иелинейных способов термокомпенсацни.

Кусочно-нелинейная термокомпенсация основана на нспользо-иапни принципов, применяемых в диодных функциональных преобразователях. Такая схема изображена на рис. 7.5, а. Напряжение на дел"Нтелях /-4 выбирается таким образом, что на участке температур h- h (график и (t) на рис. 7.5, а) диоды Д1-Д4 закрыты и выходное напряжение формирователя определяется ТЗП 5. При температуре t> ts напряжение иа ТЗП становится больше напряжения на делителе 3, открывается диод ДЗ и делитель 3 подключаетси через резистор, стоящий последовательно с диодом к ТЗП. Изменяя сопротивление этого резистора, можно изменять степень шунтирования ТЗП делителем 3, а следовательно, и наклон ВТХ формирователя иа участке температур <s, t. Аналогично действуют делители





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 [14] 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38

0.0033