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一种高精度的温控电路

供稿:Dream_85 2005/4/19 11:03:00

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  • 关键词: 电阻电桥 运算放大器 功率放大
  • 摘要:本文重点讲述一种利用电阻电桥实现的高精度温度控制电路,采用不间断电流方式,可以将温度控制在±0.1℃范围之内,从而实现动态的温度平衡。

【摘要】 本文重点讲述一种利用电阻电桥实现的高精度温度控制电路,采用不间断电流方式,可以将温度控制在±0.1℃范围之内,从而实现动态的温度平衡。【关键字】 电阻电桥 运算放大器 功率放大 铂电阻 开关电源现在的军事、工业、商业中,温度控制是一种最常见、最普通的应用。但是在控温精度要求不高的地方大多末级采用继电器来控制,靠继电器的吸合来实现的,其控制精度大约在±10℃范围之内。即使随着单片机的发展出现的PID调节,也只是对前一部分放大部分作一些处理,而末级仍旧采用继电器实现的,但控温精度有所提高,一般在±0.1℃~±5℃范围之内,这在某些对温度要求较高的方面是很难实现的。当然,也有利用可控硅和电磁阀等来控制的,其精度稍高。随着军事、工业的发展,对许多高端产品的调试环境都有进一步的要求,其环境温度变化很小,有±1℃、±0.5℃、±0.3℃、±0.2℃、±0.1℃等,有的甚至要求更高。例如,石英挠性加速度计调试环境要求55±0.1℃,捷联惯组的调试温度要求70±0.1℃。显然,靠继电器来实现温度控制是远不能满足要求的。于是经过多方面的搜集资料,并通过多方面的试验,我设计出一种利用大进大出原理(即可以实现频繁的热交换)实现的一种不间断电流的温度控制系统。此种设计思想可以保证被加热体的内外保持良好的热交换,从而起到更好的控温效果。整体系统框图如下:


由图可知,由加热器和控温铂电阻构成的热-电微型电路构成了闭环控制回路。控制过程可以通过调整控温电阻的大小来设定控制的温度点。测温铂电阻用来测量被加热环境的温度。其中的微调是用来做微小的调整用的,在加温过程中可能由于外界环境温度的变化会引起控制温度点的偏差,此时可以通过调整微调来实现控温的准确性,此时若不做微调能会使温度控制在非设定的温度点,但控温精度不会改变,只是控温点有所变化。在电路图中Vcc0是一个要求有高的稳定性的电源,它在某一时期的稳定性应要求比较高。Vcc1是T1、T2工作所需用的工作电压。电路由R2、R3、Rc、Rt构成电阻电桥,其中Rc为控制控温点的电阻,Rt为控温铂电阻,T3是大功率调整管。其中R2、R3、R6、R7、R8应选用精度较高的金膜电阻,其精度要求0.1~0.01%,在调试中定。T1、T2应选则放大倍数匹配的晶体管以便构成功率符合管。


控制部分电路图控温原理:其中



当调试环境温度与设置的温度点相差较大时(一般时由低温到高温的升温),Uab输出的就较大,此时通过运放放大后输出的Ue较大,然后在通过由T1和T2组成的复合功率放大电路输出一个电压值Ug,靠Ug驱动电流调整管T3,此时在加热器上有较大的电流通过,加热效果明显。随着温度的升高,当调试环境温度与设置的温度点差值的减小,Uab产生的压差也逐渐减小,此时通过加热器的电流变小。当环境温度与设定的温度点相等时,此时Uab最小,但不为0,就靠此较小的压差使得通过加热器的电流保持在某一稳定的范围之内。此时有可能出现环境温度稍高于设定的温度,这没关系,只是一个缓冲,当系统恒定后,此种情况即可消失,温度又回到设定的温度。当然,对于这种要求高精度的温度控制系统,如果加温环境过大,那无疑给控温效果带来一定的困难,只有加温环境相对较小时才容易达到要求。当然,加温环境及被加温容器的结构与控温效果有直接的关系,加热器的功率及所要控制的被加热的环境温度的范围及加温电源的选择都直接影响控制效果,在这方面也应该仔细思考、设计。设计中还应该考虑:1. 采用什么型号的铂电阻?
铂电阻应该选用的线性系数大小?以及采用的是正温度系数还是负温度系数?2. 是否采用三线式的铂电阻连接方式?
三线式可以减少因被加温环境与控制仪器相距较远的问题。当距离较近是看控温的精度是否采用三线式。3. 加温电源是采用开关电源还是什么电源?
开关电源是一种新型的、精度和功率都比较高的电源,利用开关电源可以减少整机的重量,避免了大功率工频变压器,从而提高产品电磁兼容性,并保证产品的质量和可靠性。4. 调整管用什么型号的?
调整管的功率直接影响控温效果,如果功率过小,温度一直加不上去,甚至会烧坏功率管和电路的某些元件。5. 运放用什么型号的?
运放应采用高增益、低温漂的运放。6.测温部分应保证其测量精度。否则无法识别控温的效果。小结:
控温的精度主要取决于铂电阻和运放的性能的可靠性,铂电阻随温度变化的大小使得产生的压差大小和运放的放大倍数直接影响后级的驱动电流是否能够驱动电流调整管。控制的温度范围主要与电阻电桥桥臂上的控制电阻有关系。当然,还要求加温环境的外部环境的温度不能有较大的浮动。
【参考资料】
1.《电子设备结构设计原理》 华北航天工业学院 曹白杨主编
2.《测控电路》 机械工业出版社 天津大学 张国雄 金篆芷主编
3.《集成电子线路设计手册》 福建科学技术出版社 宋家友主编
4.《模拟电子技术基础》 高等教育出版社 秦曾煌主编
5.《机电一体化系统设计》 机械工业出版社 唐可洪主编

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