Устройство управления вентилятором охлаждения

І. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Предлагаемое устройство было разработано для блока питания усилителя мощности пейджингового радиопередатчика, однако может найти применение и в другой аппаратуре, когда потребляемая от источника питания мощность скачком меняется десятки раз. В этом случае целесообразно включать вентилятор охлаждения в момент подключения нагрузки и отключать с некоторой временной задержкой после уменьшения нагрузки.

Схема устройства показана на рисунке 1.Датчиком изменения тока служит трансформатор Т1, обмотка I которого временной задержкой после уменьшения нагрузки. Представляет собой провод, соединяющий вторичную обмотку блока питания с его выпрямителем. При увеличении нагрузки, подключенной к блоку питания, ток в обмотках его трансформатора резко возрастает. На обмотке II трансформатораТ1 напряжение тоже возрастает, конденсатор С1 заряжается. С верхней части подстроенного резистора R1 открывающее напряжение воздействует на эмиттерный переход транзистора VT1,в коллекторную цепь которого через ограничительный резистор R3 включен светодиод оптронного тиристора U1. Через открывшийся тиристор и мостовой выпрямитель VD5 напряжение сети поступает на электродвигатель М1 вентилятора. После отключения нагрузки конденсатор С1 разряжается в течение 5...6 с, затем транзистор VT1 закрывается и вентилятор выключается.

Рисунок 1 – Схема устройства управления вентилятором охлаждения

Питается устройство от выпрямителя блока питания. Подбором резистора R3 устанавливают ток через излучатель оптопары, необходимый для открывания тиристора. Резистором R1 можно регулировать длительность открытого состояния тиристора. Если в наличии имеется вентилятор с низковольтным электродвигателем постоянного тока, его можно включить непосредственно в коллекторную цепь транзистора VT1. При этом VT1 нужно установить на теплоотвод и подобрать, при необходимости, резистор R3. Элементы U1 и VD5 при этом не нужны

Трансформатор тока Т1 выполнен на кольцевом магнитопроводе К28х16х9 из феррита 3000НН. Обмотка II содержит70 витков провода ПЭЛШО 0,15. Обмотка I — это провод, соединяющий вторичную обмотку блока питания с его выпрямителем, пропущенный через кольцо. Диоды VD1—VD4 — маломощные (лучше германие­вые) с обратным напряжением не менее 50 В. Транзистор КТ972А можно заменить на КТ829 с любым индексом, а оптотиристор ТО125—12,5-4 (U1) — наТО325. Диодный мост VD5 — любой из серии КЦ402 или КЦ405.

В авторском варианте устройство использовано для принудительного охлаждения выпрямительных диодов и транзисторов стабилизатора источника питания напряжением 13,6В и максимальным током 50А. Применялся вентилятор с электродвигателем мощностью 26Вт на 220В.

2. АВТОМАТ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЯЦИЕЙ В ГОРЯЧИХ ЦЕХАХ

Отправной точкой для создания автомата послужил тот факт, что при работающей печи для термообработки деталей горячий воздух распределяется по помещению далеко не равномерно. Нагревшийся поднимается вверх, а поступающий извне холодный остается внизу. Так, разность показаний установленных у пола и у потолка помещения термометров достигает 8 °С даже во время работы печи на четверть мощности. Средняя температура воздуха в зависимости от сезона и времени суток находилась в интервале 16...32 °С.

Граница между слоями воздуха выражена довольно резко и явно ощущается человеком. В этой ситуации благоприятно сказывается наличие в горячих цехах вентилятора, перемешивающего воздух. С его включением температура внизу повышается, а наверху — снижается. Такой вентилятор желательно снабдить таймером, автоматически через определенное время отключающим его. Это убережет от последствий забывчивости. Еще лучше — сделать устройство, реагирующее на неравномерность распределения температуры и включающее вентилятор, только когда это действительно необходимо.

В автомате, схема которого показана на рисунке,совмещены обе функции. Основные узлы таймера — RS-триггер DD4.1, генератор тактовых импульсов на микросхеме DD1 и двоичный счетчик DD3. В исходном состоянии таймера, которое устанавливают нажатием кнопки SB1, на выходе триггера DD4.1 (вывод 2) и соединенном с ним входе 1 элемента DD1.1 — низкий логический уровень. В результате работа тактового генератора на элементах DD1.1 и DD1.2 запрещена. Высоким уровнем на входе R счетчика DD3 во всех его разрядах установлены лог. 0. Транзисторы VT2 и VT3 закрыты (предполагается, что выключатель SA2 разомкнут), светодиодН1_2 не горит, двигатель вентилятора Ml отключен от сети разомкнутыми контактами реле К1.

Нажатием кнопки SB2 включают вентилятор и запускают таймер. В результате изменения состояния триггера DD4.1 напряжение высокого логического уровня с его выхода поступает в базовые цепи транзисторов VT2 и VT3. Светодиод HL2 зажигается, а сработавшее реле К1 подает сетевое напряжение на вентилятор. Одновременно разрешается работа тактового генератора DD1.1, DD1.2 и счетчика DD3. Спустя определенное, зависящее от положения переключателя SA1 число периодов колебаний тактового генератора, низкий логический уровень на входе 9 элемента DD2.2 сменится высоким, что приведет к возврату триггера DD4.1 и всего таймера в исходное состояние и выключению вентилятора.

Вентилятор еще до истечения выдержки можно выключить кнопкой SB1 и вновь включить кнопкой SB2, причем отсчет времени начнется с начала. Продлит работу вентилятора и простое нажатие на кнопку SB2.

Датчик разности температур собран на компараторе DA1. Его чувствительные элементы — два терморезистора. Первый из них (RK1) размещают на высоте 2,2 м и на удалении не более 0,8 м от печи по горизонтали. Второй терморезистор (RK2) устанавливают под первым на высоте приблизительно 0,6 м.

Если температура терморезисторов одинакова, равны и их сопротивления. Однако, благодаря резистору R2, напряжение на инвертирующем входе (вывод 4) компаратора DA1 выше, чем на не инвертирующем (вывод 3), в результате на его выходе (вывод 9) — низкий логический уровень. Транзистор VT1 закрыт, светодиод HL1 погашен. Вентилятор, если он не включен с помощью кнопки SA2, не работает.

Допустим, температура обоих терморезисторов увеличивается или уменьшается одинаковым образом. Вместе с ней изменяются, оставаясь равными, их сопротивления. Поэтому состояние компаратора сохраняется прежним. Однако, если терморезистор RK1 нагреть сильнее, чем RK2, напряжение на инвертирующем входе компаратора DA1 станет ниже, чем на не инвертирующем, что приведет к переключению компаратора. Напряжением высокого логического уровня с его выхода будет открыт транзистор VT1, а если выключатель SA2 замкнут, то и VT3. Светодиод Н L1 зажжется, реле К1 сработает, вентилятор будет включен независимо от состояния таймера. После выравнивания температуры терморезисторов компаратор DA1 возвратится в исходное состояние, отключив вентилятор.

Конденсаторы С2—С4 служат для подавления помех и наводок на длинные провода, соединяющие терморезисто­ры с прибором. Номинал конденсатора С4 преднамеренно выбран меньшим, чем СЗ. Это позволило устранить кратковременное включение вентилятора в момент подачи на автомат напряжения питания.

Рисунок 2 – Схема автомата управления вентиляцией

Напряжение 12В для питания автомата берут от любого стабилизированного источника. Потребляемый ток (не считая реле К1) не превышает 30 мА. Автором применено реле КУЦ-1(паспорт РА3629000). Пригодны и другие, например, РЭС22 (паспорт РФ4.523.023-05.01).

В прибор можно устанавливать постоянные резисторы любых типов. Конденсатор С1 — пленочный серии К73, С6 — керамический, остальные — оксидные К50-6 или К50-35. Светодиоды HL1и HL2 — любые соответствующего цвета свечения, например, КИПД05А (красный) и КИПД05Б (зеленый). Можно заменить оба одним двуцветным с общим катодом, например, L-117EOW фирмы Kingbright. Транзисторы VT1— VT3 — с любым буквенным индексом.

Компаратор К554САЗ заменяют на 521САЗ с учетом отличий в нумерации выводов. При отсутствии микросхемы К561ТР2 RS-триггер (DD4.1) собирают по известной схеме из двух элементов микросхемы К561ЛЕ5 или других ИЛИ-НЕ. Понизив напряжение питания до 9 В, вместо микросхем серии К561 можно установить их функциональные аналоги из серии К176.

Терморезисторы RK1 и RK2— ММТ-4. Их номинал (сопротивление при температуре +25 °С) некритичен и может достигать 82 кОм, однако терморезисторы должны быть одинаковыми, лучше всего — "из одной коробки". Если есть сомнения в идентичности характеристик терморезисторов, равенство их сопротивления полезно проверить при различной температуре. При монтаже в автомат выводы терморезисторов, соединенные с их металлическими корпусами, подключают к общему проводу.

Включив питание автомата, разомкнув выключатель SA2 и нажав кнопку SB1 "Пуск", необходимо убедиться, что тактовый генератор на элементах DD1.1, DD 1.2 действует, светодиод HL2 светится, а реле К1 сработало, запустив вентилятор. В противном случае придется проверить правильность монтажа, исправность микросхем, транзисторов и других элементов. Если переключатель SA1 находится в указанном на схеме положении, через 15...20 мин вентилятор должен быть автоматически выключен, а светодиод HL2 — погаснуть. Перевод переключателя SA1 в другое положение удвоит это время. Устанавливать продолжительность работы вентилятора с высокой точностью в данном случае не требуется, но при необходимости ее можно "подогнать" подборкой номиналов конденсатора С1 и резистора R5.

Убедившись в работоспособности таймера, приступают к налаживанию датчика перепада температуры. Терморезисторы RK1 и RK2 заблаговременно размещают таким образом, чтобы они прогрелись до одной и той же температуры. В этом состоянии убеждаются, что логический уровень на выводе 9 компаратора DA1 — низкий, а светодиод HL1 не горит Если нагреть терморезистор RK1 на несколько градусов, поднеся к нему горячий предмет, светодиод должен зажечься, а через некоторое время после удаления предмета — погаснуть. Требуемой чувствительности датчика добиваются подборкой номинала резистора R2.

Необходимо учитывать, что во время пайки элементы автомата нагреваются до высокой температуры, изменяющей их характеристики. Поэтому после каждого вмешательства в устройство с паяльником необходимо выждать несколько минут, давая элементам возможность остыть.

В заключение опытным путем подбирают наилучшее место расположения терморезисторов RK1 и RK2.

2.1 ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ СХЕМЫ

Достоинства:

1. Схема устроена так, что вентилятор еще до истечения выдержки можно выключить кнопкой SB1 и вновь включить SB2. Причем отсчет времени начнется сначала.

2. Схема снабжена таймером, который через определенное время будет отключать вентилятор.

3. Устанавливать продолжительность работы вентилятора с высокой точностью в данном случае не требуется, но при необходимости ее можно “подогнать” подборкой номиналов конденсатора С1 и резистора R5.

Недостатки:

1. Во время пайки элементы автомата нагреваются до высокой температуры, изменяющей их характеристики.

2. Так как напряжение в данной схеме является нестабильным, мы рассчитывали оптимальные параметры стабилизатора.

ІІ. РАСЧЕТ СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Uвых = 27В ∆Uвых = 1.3B ∆Uвых откл. =0.2% ∆Uвх = 5%

Iвых = 0.6A T max = 40C Tmin = 20C

При Uke1min меньше 4В регулирующие устройства ухудшаются. Если выбирается большее значение, увеличивается мощность, теряется в коллекторной

цепи.

Найдем минимальное напряжение по входу стабилизатора напряжения по формуле:

Uвх.min=Uвых + Uкe.1min + ∆Uвых. ;

Uвх.min=27 + 4 + 1.3 = 32.3 (В)

Найдем номинальное значение Uвх. по формуле:

Найдем максимальное значение Uвх. по формуле:

Найдем максимальное падение напряжения на коллекторе регулирующего транзистора VT1 по формуле:

Uк.1max = Uвх.max – Uвых.min ;

Uк.1max = 34.34 – 25.7 = 8.64 (В)

где Uвых.min – минимальное выходное напряжение.

Минимальное выходное напряжение рассчитаем по формуле:

Uвых.min = Uвых - ∆Uвых.;

Uвых.min = 27 – 1.3 = 25.7 (В)

Рассчитаем максимальную мощность на коллекторе VT1:

Pк.1max = Uк.1max · Iвых. ;

Pк.1max = 8.64· 06 = 5.18 (Вт)

где Iвых. – ток употребляемый автоматическим устройством.

Тип резистора VT1 определяется следующими условиями:

I_{к.max доп.} >I_вых. (А),

U_{к.max доп.} > U_к.1max (В),

P_{к.max доп.} > P_к.1max (Вт),

Для нормальной работы регулируемого транзистора VT1 применяется радиатор с площадью охлаждения:

,

где Tп.max = 46ºC.

Rт – константа, равная 30.

Учитывая условия для VT1, выбираем соответствующий транзистор типа КТ815А с параметрами:

Iк max доп = 1.5(А),

Uк max доп =25 (В),

Pк max доп. (с радиатором)= 10 (Вт),

Pк max доп. (без радиатора)= 1 (Вт),

β1 = 40.

Для выбора VT2 вводим соотношение Iк VT1 ≈ Iк VT2 = IσVT1

Ток базы VT1 найденный по формуле:

Напряжение на коллекторе VT2 рассчитываем по формуле:

UкеVT2max ≈ UкeVT1max.

Напряжение рассеивания на коллекторе VT2 находим по формуле:

Pк2max ≈ Uке2max · Iк2 ;

Pк2max ≈ 8.64 · 0,015 = 0,129 (Вт),

где с достаточной точностью Iк2 = Iσ1.

Выбираем тип транзистора, согласно условий для транзистора:

I_{к.max доп.} > I_σ1;

U_{к.max доп.} > U_к.2max;

P_{к.max доп.} > P_к2max;

Выбираем VT2 типа КТ315А с параметрами:

Iк.max доп. = 0.1 (А),

Uк.max доп. = 15 (В),

Pк.max доп. = 150 (мВт),

β2 = 20÷ 90

Выберем тип стабилизатора VD5 из условия:

Uст. = (0,6 ÷ 0,7)·Uвых. ;

Uст. = 0,66 · 27 = 18 (В).

Этому условию удовлетворяет кремниевый стабилитрон типа КС518А с параметрами:

Uст. = 18(В),

Uст.max = Uст.min = 18 (В),

Iст.max = 45 (мА),

Rg = 200 (Ом),

P доп. = 1(Вт).

Найдем коэффициент напряжения делителя регулирования резисторов

R3 ÷ R5:

где Uст. – напряжение стабилизации.

Uвых. – номинальное напряжение, которое задается.

Выберем тип транзистора VT3. Он должен обеспечивать существенное усиление сигнала с поддержанием условия IкVT3 > IσVT2. Ток базы второго транзистора рассчитывается по формуле:

где β1 – коэффициент передачи по току транзистора VT1;

β2 – коэффициент передачи по току транзистора VT2.

Согласно условию, тип транзистора КТ312А и его параметры:

Iк.max доп. = 10 (мА),

Uк.max доп. = 20 (В),

Pк.max доп. = 225 (мВт),

β3 = 10÷100.

Найдем нестабильность входного напряжения, которое рассчитывается по формуле:

∆Uвх. = Uвх.max – Uвх.min ;

∆Uвх. = 34,34 – 32,3 = 2.035 (В)

Найдем необходимое значение коэффициента усиления по напряжению каскада УЛТ, что обеспечивает необходимый коэффициент стабилизации:

где – коэффициент h = 0,66.

Рассчитаем сопротивление резистора R2:

Найдем расчетный коэффициент усиления каскада УПТ с учетом β:

где – крутизна характеристики.

После расчета мы видим что соблюдается равенство Кс.расч. ≥ Кс.потр.

Найдем мощность рассеивания P_R2:

По ГОСТ 7113-66 выбираем тип резистора R2 по шкале Е-24 типа

МЛТ – 0.125 – 2700Ом 5%

Найдем мощность рассеивания VT3:

Pк 3max = Uк.3max · Iк3max ;

Pк 3max = 10,3 · 0,006 = 0,0618 (Вт)

Найдем напряжение участка коллектор – эмиттер VT3:

Uк.е.3max = Uвх. + ∆Uвых. – Uст. ;

Uк.е.3max = 27 +1,3 – 18 = 10,3 (В)

Найдем ток коллектора VT3 по формуле:

Рассчитаем резисторы делителя R3-R4-R5. Ток делителя найдем соотношением:

Ig = (10÷100) · Iσ3 ;

Ig = 10 · 0,0006= 0,006 (А)

Найдем ток базы VT3:

где Iк3 max – максимально допустимый ток коллектора VT3;

β3 - коэффициент передачи по току транзистора VT3.

Найдем общее сопротивление делителя Rg:

С учетом заданного диапазона регулирования Uвых найдем сопротивление нижнего делителя R5:

Согласно шкале Е-24 выбирается резистор типа

МЛТ – 0.125 – 3000 Ом 5%

Найдем максимальное сопротивление нижнего плеча делителя R3-R4-R5:

R4 = (R4+R5) – R5;

R4 = 3151,75 – 2862,19 = 289,56 (Ом)

Согласно шкале Е-24 выбирается резистор типа

МЛТ – 0.125 – 300 Ом 5%

Найдем сопротивление резистора R3:

R3 = Rg – (R4+R5);

R3 = 4500 – 3151,75 = 1348,25 (Ом)

Согласно шкале Е-24 выбирается резистор типа

МЛТ – 0.125 – 1300Ом 5%

Найдем значение балансового резистора R6:

Согласно шкале Е-24 выбирается резистор типа МЛТ-0,5-200Ом±5%.

Найдем мощность розсеивания на резисторе R6:

Электрическая схема стабилизатора представлена на рисунке 2.2.1

Рисунок 3 Электрическая схема стабилизатора

ВЫВОД

В ходе выполнения курсового проекта произведен расчет стабилизатора напряжения и по полученным значениям подобрана схема автомата управления (в данном случае автомат управления вентиляцией).

При расчете стабилизатора напряжения по «Справочнику по полупроводниковым приборам» были подобраны транзисторы соответствующих типов: КТ815А, КТ315А, КТ312А; и стабилитрон КС518А; а по справочнику по резисторам были подобраны подходящие резисторы: МЛТ-0,125-2700Ом±5%, МЛТ-0,125-1300Ом±5%, МЛТ-0,125-300Ом±5%, МЛТ-0,125-3000Ом±5%, МЛТ-0,5-200Ом±5%. Автомат управления может работать от любого стабилизированного источника, прост в применении и не требует особых условий эксплуатирования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. 9-е изд., пераб. К.: Техника, 1980. 464 с. с ил. – Библиогр.: с. 459

2. Резисторы: (справочник) / Ю.Н. Андреев, А.И.Антонян, Д.М. Иванов и др..; Под ред.. И.И. Четверткова. – М.: Энергоиздат, 1981. – 352с., ил.

3.Журнал «Радио», № 2, 2002г.

4.Журнал «Радио», № 9, 2003г.

5.Методические указания к курсовому по дисциплине «Основы автоматики и автоматизации», В.Д.Сахацкий, Е.Н.Ужвиева, А.Б. Биньковская. ХНАДУ 2008г.