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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Riscaldatore per scatole di telecamere. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Regolatori di potenza, termometri, stabilizzatori di calore Le telecamere di sistemi televisivi specializzati di solito funzionano all'aperto e quindi richiedono protezione dagli influssi climatici. Per questo motivo vengono spesso riposti all'interno di scatole sigillate. La maggior parte delle telecamere (TC) hanno un range di temperatura operativa di -20...+55°C, quindi le scatole devono essere dotate di riscaldatori che si accendano quando la temperatura ambiente scende sotto 0°C. Sfortunatamente, le scatole certificate con dispositivi di riscaldamento e controllo abbastanza affidabili sono costose. Quelli economici sono molto inaffidabili. Di conseguenza, il compito di creare riscaldatori economici e affidabili rimane molto rilevante. Di seguito viene fornita una descrizione di uno di questi dispositivi. L'apparecchio è progettato per funzionare all'interno di scatole sigillate con un volume di 2...10 dm3, che non hanno un isolamento termico speciale, nel clima della Russia di media latitudine. È un riscaldatore che si accende quando la temperatura nella scatola diminuisce e garantisce che venga mantenuta ad un certo livello con un errore (tenendo conto della sua distribuzione non uniforme all'interno del volume controllato) non superiore a 1...3 °C. Il riscaldatore funziona secondo il principio del controllo della temperatura di soglia. Il suo circuito elettrico è mostrato in Fig. 1. La sorgente di tensione primaria non stabilizzata Upit = 20 V serve ad alimentare solo il riscaldatore e lo stabilizzatore sul chip DA1. Il dispositivo di controllo TC è alimentato da una tensione stabilizzata Upit.stabil = 12 V, generata all'uscita DA1.
Va notato che l'instabilità della temperatura della tensione di uscita degli stabilizzatori integrati a tre terminali è maggiore di quella di altri tipi di stabilizzatori. Questa instabilità si manifesta anche durante l'autoriscaldamento del microcircuito KR142EN8D da parte della corrente che lo attraversa. I TC di diverso tipo consumano una corrente di 0,1...0,2 A, quindi lo stabilizzatore DA1 doveva essere dotato di un dissipatore di calore montato con una superficie di circa 30 cm2. La presenza di instabilità termica della tensione Upit.stab deve essere presa in considerazione nella scelta del circuito di soglia del dispositivo di controllo del riscaldatore. Il convertitore temperatura-tensione è progettato come divisore di tensione utilizzando i resistori R1, R2 e il termistore R4. Il divisore è caricato sulla resistenza di ingresso dell'elemento logico DD1.1, che è di circa 1012 Ohm, quindi la corrente operativa del termistore R4, pari a circa 0,5 mA, non dipende dal carico del divisore. Le funzioni del dispositivo di soglia sono eseguite dall'elemento DD1.1 del microcircuito DD1, che confronta la caduta di tensione sul termistore R4 con il livello di tensione di ingresso Uthr2, al quale viene attivato lo stesso DD1.1. Per due tipi di elementi logici, i valori di Uthr possono essere determinati dalle caratteristiche di trasferimento statico presentate in Fig. 2, a. Le tensioni Uthr si trovano nelle zone delle caratteristiche che si trovano tra i livelli della tensione minima dell'unità logica U1min e la tensione massima dello zero logico U0max. Gli intervalli delle tensioni di soglia di ingresso degli elementi logici corrispondenti a queste sezioni sono relativamente piccoli, quindi possiamo supporre approssimativamente che Uthr corrisponda alla metà di questo intervallo, cioè Uthr=0,5Usupply.stabil. Questa approssimazione consente di determinare Uthr con un errore dell'ordine di decine di millivolt.
A causa dell'instabilità della temperatura della tensione Upit.stabil. nell'intervallo di temperature di funzionamento del TC, è importante che il rapporto tra il valore dell'elemento Uthreshold e la caduta di tensione su R4, pari a R4Usupplyst./(R1+R2+R4), rimanga invariato. Gli elementi logici della serie CMOS soddisfano bene questo requisito, come mostrato in Fig. 2, b. Le dipendenze mostrate su di esso mostrano che il rapporto Upor/Usupply.st.=0,5 viene mantenuto nell'intero intervallo di tensioni di alimentazione accettabili per gli elementi logici dei microcircuiti della serie K176. Poiché gli ingressi di DD1.1 sono influenzati dalla caduta di tensione sul termistore R4, che cambia lentamente al variare della temperatura, l'elemento DD1.1 rimane in modalità attiva per lungo tempo, amplificando sia il segnale utile che il rumore. Per sopprimere le interferenze, sono inclusi filtri passa-basso rispettivamente all'ingresso e all'uscita di DD1.1 - R1R2R4C1 e R3C2. Gli elementi DD1.2, DD1.3 e DD1.4 inoltre amplificano e formano il segnale utile che arriva loro dall'uscita del filtro R3C2. Il segnale di uscita dell'elemento DD1.2 controlla la sorgente di tensione di riferimento, che è uno stabilizzatore parametrico realizzato su un diodo zener VD1 e un LED HL1. Una caratteristica distintiva di tale sorgente è l'assenza di un resistore di zavorra ed è alimentata direttamente dal uscita dell'elemento DD1.2. Ciò è possibile grazie alle resistenze di uscita relativamente grandi dei transistor CMOS negli elementi dei microcircuiti della serie K176. Lo stabilizzatore parametrico è alimentato tramite un transistor con canale di tipo p. Le caratteristiche di corrente-tensione di uscita di questo transistor per elementi logici del microcircuito K176LA7 sono mostrate in Fig. 3. L'area di lavoro di queste caratteristiche è limitata dall'iperbole della dissipazione di potenza consentita del microcircuito K176LA7 (Pmax). Sulle caratteristiche: |U| è la caduta di tensione attraverso il transistor del canale e In è la corrente che lo attraversa. Poiché la caduta di tensione tra il diodo zener VD1 e il LED HL1 è di circa 7 V, per Upit.stab = 12 V la posizione del punto di funzionamento del transistor corrisponde a |U| = 5 V e In = 10 mA. In questo caso, la resistenza di uscita dell'elemento logico sarà di circa 1 kOhm e il transistor a canale P sarà un limitatore di corrente per i diodi VD1 e HL1. La tensione di riferimento stessa si forma sul motore del resistore variabile R5.
Il riscaldatore è una sorgente di corrente assemblata sui transistor VT1, VT2, resistore R7 e resistori di zavorra R8, R9 collegati secondo il circuito Sziklai. Quando si regola la tensione di riferimento, la corrente del collettore del transistor VT2 può variare da zero a 1 A e la potenza dissipata da esso può raggiungere 18 W. Per garantire un funzionamento affidabile del riscaldatore in tali condizioni, è importante stabilizzare la corrente del collettore del transistor VT2 ad una temperatura di circa +80°C. Ciò è stato ottenuto utilizzando le seguenti soluzioni circuitali e di progettazione. Per ridurre l'instabilità della corrente del collettore dovuta a cambiamenti nella caduta di tensione sulla giunzione base-emettitore quando il transistor viene riscaldato, è dotato di un dissipatore di calore, la cui superficie è scelta in modo tale che quando si opera in questo scatola con una corrente di collettore di 1 A, il transistor VT2 non si surriscalda sopra +80 ° C. Parliamo ora del funzionamento del riscaldatore. Lascia che nello stato iniziale la temperatura nella scatola sia superiore alla temperatura dell'aria ambiente e alla temperatura di soglia specificata dal resistore di regolazione R2. In questo caso, la resistenza del termistore R4 è piccola e la caduta di tensione ai suoi capi è inferiore a Uthrust. In questo caso, all'uscita dell'elemento DD1.2 è presente un livello logico basso e attraverso il riscaldatore non scorre corrente. Nel tempo, la temperatura nella scatola inizierà a diminuire a causa del suo raffreddamento. La resistenza del termistore R4 e la caduta di tensione ai suoi capi inizieranno ad aumentare e, quando la tensione raggiunge il livello Uthr, all'uscita di DD1.1 si formerà un fronte di tensione piatto di basso livello. Durante la formazione di questo fronte, gli stati delle uscite degli elementi logici DD1.2, DD1.3, DD1.4 cambieranno, a seguito della quale il dispositivo di controllo del riscaldatore commuterà. All'uscita dell'elemento DD1.2, verrà impostata una tensione corrispondente alla tensione di stabilizzazione VD1 e alla caduta di tensione sul LED HL1, e la corrente specificata fluirà attraverso il transistor VT2. Il dissipatore di calore VT2 riscalderà l'aria nella scatola. La temperatura del termistore R4 inizierà ad aumentare e la tensione ai suoi capi inizierà a diminuire. Quando viene nuovamente raggiunta l'uguaglianza approssimativa della caduta di tensione sul termistore R4 e della tensione Uthr, il dispositivo di controllo tornerà al suo stato originale e la corrente attraverso il transistor VT2 si interromperà nuovamente. Queste commutazioni vengono ripetute ad intervalli, la cui durata è determinata dalle caratteristiche di trasferimento del calore della scatola. In questo caso la temperatura dell'aria nella scatola cambierà vicino al valore specificato dalla posizione dello slider della resistenza R2. Le principali unità funzionali del dispositivo descritto si trovano su un circuito stampato (Fig. 4). Il transistor VT2 si trova all'esterno della scheda. Per garantire il riscaldamento dell'intero volume della scatola, il transistor VT2 e il termistore R4 devono essere il più separati possibile. Il riscaldatore prevede l'uso dei seguenti elementi: transistor VT1, VT2 in custodie di plastica, microcircuiti K176LE5 o K176LA7 (DD1) e KR142EN8D in una custodia di plastica (DA1), resistori R1, R3, R6 - R9 - MLT, S2-33, MT o loro analoghi, R2, R5 - SP5-2, R4 - MMT con un valore nominale di 8...12 kOhm, condensatori C1-C3 - KM di qualsiasi gruppo.
Il posizionamento del riscaldatore all'interno della scatola TC è mostrato in Fig. 5. Il transistor VT2 è installato su un dissipatore di calore in lega di alluminio con dimensioni 120x70x3 mm. È fissato al distanziale in mica con un manicotto in fluoroplastica che isola la vite di montaggio e quindi non ha alcun contatto elettrico con il dissipatore di calore. A sua volta, il dissipatore di calore non dispone di elementi di fissaggio metallici che lo collegano direttamente al corpo della scatola. Sul bordo del dissipatore rivolto verso la finestra della scatola sono presenti due file di fori che migliorano la circolazione dell'aria. Affinché gli elementi generatori di calore DA1, R8, R9 influenzino il meno possibile il termistore R4, questo viene sollevato sopra la scheda ad un'altezza di 10...15 mm.
La regolazione della modalità di funzionamento consiste nel mantenere la scatola aperta ad una temperatura pari alla soglia di commutazione desiderata, in assenza di corrente nel riscaldatore per 20...30 minuti. Evitare che l'umidità entri nella scatola. Dopo aver impostato la temperatura desiderata al suo interno, è necessario utilizzare il resistore di regolazione R2 per far illuminare il LED HL1, interrompendo la regolazione quando la tensione sul termistore R4 è uguale alla tensione Upor. Autore: G.Pilko, Kiev, Ucraina
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