Разработка термореле

Размещено на http://allbest.ru

Введение

Стремительное развитие электроники и вычислительной техники оказалось предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных процессов в промышленности, в научных исследованиях, в быту. Реализация этой предпосылки в значительной мере определялась возможностями устройств для получения информации о регулируемом параметре или процессе.

В повседневной жизни, в быту применяются датчики температуры. Температура как физическая величина является одним из определяющих параметров состояния, позволяющих контролировать протекание самых различных производственных процессов. Измерение температуры - важнейший источник информации о ходе физических явлений и об изменении состояния вещества.

В современном промышленном производстве производится измерение множества различных физических величин. Из них массовый и объемный расход составляет 15%, уровень жидкостей 5%, время не более 4%, давление около 10% и так далее. А вот измерение температуры составляет почти 50% от общего количества технических измерений.

Такое количество говорит не только о широком разнообразии средств измерений и как следствие множестве первичных преобразователей и датчиков температуры, а также о постоянно возрастающих требованиях к точности, быстродействию, помехоустойчивости и надежности приборов измерения температуры.

1. Разработка структурной схемы устройства

Структурная электрическая схема устройства приведена на рис.1.

Рис.1. Структурная электрическая схема термореле.

На структурной электрической схеме U_П это источник питания, Д.Т. - датчик температуры, Т.Ш. - триггер Шмитта, К.Т. - ключевой транзистор, Р - электромагнитные реле, Н - нагрузка.

Электромагнитное реле используем для включения нагрузки путем подачи управляющего напряжения и для гальванической развязки между нагрузкой и схемой управления.

Чтобы управлять напряжением на обмотке электромагнита реле используем транзисторный ключ.

Триггер Шмитта используем чтобы увеличить помехоустойчивость и исключить ложное срабатывание реле. Он позволит получить четкий выходной сигнал, при сравнительно медленном фронте импульса на входе.

2. Выбор электромагнитного реле

Коммутируемое переменное напряжение реле должно быть 220В, а коммутируемый ток -10 А. Под эти параметры подходит электромагнитное реле BS-115C. Реле BS-115C герметичное, двухпозиционное, одностабильное, с одной переключающей группой контактов, предназначено для коммутации электрических цепей постоянного и переменного тока.

Конструктивные данные реле приведены на рис.2. Разметка для крепления - на рис.3. Внешний вид реле BS-115C на Рис.4. Технические характеристики реле приведены в таблице 1.

Рис.2. Конструктивные данные реле BS-115C.

Рис.3. Разметка для крепления реле BS-115C

Размещено на http://allbest.ru

Таблица 1.Технические характеристики реле BS-115C.

3. Выбор триггера Шмитта

Триггер Шмитта обладает двумя устойчивыми состояниями. На его выходе может быть высокое или низкое напряжение. Переход из одного состояния в другое осуществляется при изменении входного напряжения.

Триггер Шмидта на операционном усилителе - это компаратор с коэффициентом возврата, меньшим 1.

На неинвертирующий вход ОУ подается напряжение обратной связи: часть выходного напряжения ОУ с делителя напряжения R₁, R₂ (рис. 5.). То есть, опорное напряжение триггера Шмидта не остается постоянным, а изменяется в зависимости от состояния (выходного напряжения) ОУ.

На инвертирующий вход ОУ подается входное напряжение. У триггера Шмидта напряжение обратной связи должно подаваться обязательно на неинвертирующий вход ОУ (положительная обратная связь), а входное напряжение на инвертирующий вход.

Рис.5.Схема триггера Шмитта на транзисторах.

Для построения схемы триггера Шмитта можно использовать обычные транзисторы (рис.6.). Она имеет два устойчивых состояния: в первом закрыт, а отрыт и насыщен; во втором - открыт, а закрыт. Транзисторы и имеют общий эмиттерный резистор. Для нормальной работы триггера выбирают >, поэтому

Для переключения триггера необходимо подать на вход напряжение срабатывания отрицательной полярности с амплитудой

.

Отпускания триггера из-за его гистерезисной характеристики происходит при

,

Учитывая простоту схемы, дешевизну элементов и простоту в изготовлении печатной платы, был выбран триггер Шмита, построенный на транзисторах.

Рис.6.Схема триггера Шмитта на транзисторах

4. Выбор датчика температуры

Практически все температурные датчики, применяемые в современном производстве, используют принцип преобразования измеряемой температуры в электрические сигналы. Следует заметить, что все металлы обладают положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Электрическое сопротивление металлического проводника увеличивается при возрастании температуры. Полупроводники имеют отрицательный ТКС, при увеличении температуры их сопротивление уменьшается.

Наиболее распространенные терморезисторы медные (ТСМ-Cu) и платиновые (ТСП-Pt). Терморезисторы ТСП могут использоваться в диапазоне температур -260^о..1100°C. Если измеряемая температура находится в пределах 0^о..650°C, то датчики ТСП могут использоваться в качестве эталонных и образцовых, поскольку нестабильность градуировочной характеристики в этом диапазоне не превышает 0,001°C. К недостаткам терморезисторов ТСП можно отнести высокую стоимость и нелинейность функции преобразования в широком диапазоне температур. Поэтому точное измерение температур возможно лишь в указанном в технических данных диапазоне. Большее распространение на практике получили более дешевые медные терморезисторы марки ТСМ, зависимость сопротивления от температуры у которых достаточно линейна. Как недостаток медных резисторов можно считать низкое удельное сопротивление, и недостаточная устойчивость к воздействию высоких температур (легкая окисляемость). Поэтому медные терморезисторы имеют предел измерения не свыше 180°C.

Полупроводниковые терморезисторы часто называют термисторами. По сравнению с медными и платиновыми они имеют более высокую чувствительность и отрицательный ТКС. ТКС термисторов на порядок выше, чем у их медных и платиновых собратьев. При весьма малых габаритах сопротивление термисторов может достигать до 1 МОм, что исключает влияние на результат измерения сопротивления соединительных проводов.

Для измерения температуры наибольшее распространение получили полупроводниковые терморезисторы марки КМТ (на основе окислов марганца и кобальта), а также ММТ (окислы марганца и меди). Функция преобразования термисторов достаточно линейна в диапазоне температур -100^о..200°C, надежность полупроводниковых терморезисторов очень высока, характеристики стабильны в течение долгого времени. Единственным недостатком является то, что в серийном производстве не удается с достаточной точностью воспроизвести необходимые характеристики. Один экземпляр значительно отличается от другого. Такой разброс параметров приводит к тому, что при замене термистора приходится заново производить регулировку аппаратуры. Так как температура которую надо измерять не большая, то был выбран термистор B57045-K, у которого рабочая температура от -55^о до 150^оС. Термистор B57045-K с отрицательным температурным коэффициентом. Технические характеристики термистора приведены в таблице

Рис.7. Внешний вид термистора B57045-K.

Таблица1.Технические характеристики термистора B57045-K.

5. Принцип работы схемы

Выходной каскад термореле выполнен на ключевом транзисторе , нагрузкой которого служит электромагнитное реле . В качестве датчика используется терморезистор R_11, который изменяет свое сопротивление при нагревании. С помощью резистора R₁ устанавливается порог срабатывания триггера. Если напряжения на датчике =0, то транзистор закрыт, а транзистор открыт и насыщен из-за наличия связи коллектора с базой (приложение лист 1) и с помощью делителя, составленного из резисторов R₆ и R₇. В этом случаи транзистор будет закрыт и =0. А следовательно и катушка электромагнитного реле будет обесточена, а контакты реле 1 и 2 будут замкнуты.

Когда превысит

откроется транзистор и потенциал на коллекторе понизится. Транзистор выйдет из насыщения, ток его уменьшится, что вызовет уменьшение напряжения на эмиттерах. Это приводит к дальнейшему отпиранию , снижению потенциала его коллектора и закрывается, а входит в насыщение. Теперь транзистор будет открыт и = . Реле сработает и его контакты 2 и 3 замкнутся.

Если уменьшить до значения близкого к

то транзистор выйдет из насыщения, потенциал его коллектора возрастет, откроется , что приведет к обратному переключению.

Таким образом, изменение сопротивления датчика приводит к срабатыванию электромагнитного реле и коммутации подключенной к его контактной группе нагрузки. Светодиод используется для индикации срабатывания реле и помогает провести настройку собранного устройства. Диод необходим для защиты выходного транзистора от бросков напряжения, возникающих в результате переходных процессов в катушке электромагнитного реле.

6. Расчет схемы

В реле BC-115c рабочий ток =30мА. Светодиод АЛ307Б: =20мА, =3.2В. Ток коллектора транзистора (приложение лист 1) считаем как сумму тока диода и реле

но с учетом усложнения схемы І_кVT3 выбираем равным 130мА. Для того чтобы выбрать транзистор необходимо посчитать

?1.2U_п,?1.2І_кVT3.

=14.4 В, = 156мА.

Исходя из посчитанных параметров, был выбран транзистор КТ814А.

Для того чтобы выбрать резистор R₉, необходимо посчитать ток базы транзистора (приложение лист 1)

и ток колектора транзистора

І_кVT2=I_R10+I_бVT3=4.06мА.

Напряжение на резисторе R₉,

U_R9=-U_бэVT3-U_кэVT2-U_R5=12-0.6-0.25-0.46=10,69В,

Зная сопротивления и мощность Вт был выбран резистор С2-29В-0,25-2,7кОм ±1%.

Мощность резистора R_8, выбираем С2-10-0,25-к10 Ом±5%, резистор R₅ был выбран C2-23-0,25-100Ом ±1%, он используется для точности работы системы.

Для выбора транзистора необходимо знать и , их значения получаем из формул ? 1.2U_п, = ? 1.2І_кVT3, подставив в эти формулы необходимые значения было получено =14.4B, =4.8мA. Исходя из посчитанных параметров был выбран транзистор марки BC547. Транзистор идентичен .

Сопротивлением резистор R₄ считаем по формуле R₄ =(2…3) R₉ , R₄ выбираем C2-23-0,25-3,3кОм±1%.

Сопротивление резистора R₇ считаем по формуле

а мощность резистора равна Вт. Выбираем резистор С2-10-0,25-к10 Ом±5%.

Сопротивление резистора

выбираем C2-23-0,25-100Ом ±1%.

Сопротивление резистора R₆ считаем по формуле

в зависимости от данного условия R₆=10кОм, выбираем С2-10-0,25-к10 Ом±5%.

R₃, был выбран C2-23-0,125-1кОм ±10% для ограничения тока базы транзистора .

7. Описание устройства

термореле триггер электромагнитный схема

Устройство разработанное в данной курсовой работе подходит для оборудования квартир, офисов, магазинов. Его можно использовать для автоматического включения освещения, регулировки температуры помещений, в составе охранной и противопожарной сигнализации. Оно безопасно в обращении, поскольку работает от батарей или трансформаторного выпрямителя на напряжение 12 В, а его нагрузка изолирована от схемы управления.

Рис.8. Сборочный чертеж вид сверху.

К достоинствам термореле можно отнести широкий рабочий диапазон - с его помощью можно регулировать температуру от 0^о до 150^о.С. Сборочный чертеж вид с верху и с боку термореле представлен на рис.1 и рис.2.

Рис.9. Сборочный чертеж вид сбоку.

Термореле выполнено на основе триггера Шмитта (VT₁, VT₂), что позволяет исключить ложные срабатывания. В качестве датчика используется терморезистор R₁₃ (приложение лист 1). С помощью резистора R₁ устанавливается порог срабатывания триггера. Выходной каскад термореле выполнен на ключевом транзисторе VT₃, нагрузкой которого служит электромагнитное реле К₁. Светодиод VD₁ (приложение лист 1) используется для индикации срабатывания реле и облегчает настройку устройства.

Чтобы изменить зависимость включения и выключения реле от температуры на обратную, терморезистор R₁₃ (приложение лист 1) необходимо подключить к контактам 1, 2 печатной платы. Если в место терморезистора подсоединить фотодиод, то устройство можно использовать как фотореле. Технические характеристики термореле приведены в таблице 3. На рис.10. приведенный вид печатной платы.

Рис.10. Печатная плата.

Таблице 3. Технические характеристики термореле.

Список литературы

1. Шефтель И.Т. Терморезисторы. М.: Наука, 1973.

2. Зарубин Л.И., Немиш Ю.И. Полупроводниковая криогенная термометрия. Полупроводниковая техника и микроэлектроника. Киев: Наукова думка, 1974, вып.16.

3. Датчики теплофизических и механических параметров. Справочник, т.1, кн.1/ Под общ.ред. Коптева Ю.Н., под ред. Багдатьева Е.Е., Гориша А.В., Малкова Я.В.- М.: ИПЖР, 1998.

4. http://www.microcontrollerov.net/spravochnik/rele/BS-115C.

Размещено на Allbest.ru