ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ДЛЯ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ САЛОНОВ МОТОРВАГОННОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Предлагаемое устройство относится к системам отопления в железнодорожных вагонах. Конкретно предлагаемое устройство в частных исполнениях предназначено для использования в качестве замены известных датчиков-реле температурных печных и калориферных, которые размещаются в установленных местах в потолочном вентиляционном канале и на боковой стене салона вагона под диваном в электропоездах ЭР2Т, ЭТ2, ЭТ2М, ЭД2Т, ЭД-4М. Предлагаемое устройство относится к устройствам, совместимым по своим электрическим параметрам (например, номинальное напряжение питания +55 В, дискретная характеристика сигнала с гистерезисом) и по габаритам с существующими системами отопления салонов моторвагонного подвижного состава (далее - МВПС) указанных электропоездов в такой же или в большей степени, в какой совместимы датчики на основе ртутных термоконтакторов.
Известны датчики температурные, выполненные в виде электронных схем и содержащие полупроводниковые приборы, например, терморезисторы, в качестве термочувствительных элементов. Недостатками этих датчиков являются либо излишняя сложность конструкции, либо использование большого количества транзисторов (GB 1362605; G05D 11/16; 1974.08.07; ЕР 0936454; G01K 3/00; G01K 7/00; 1999.08.18) или иных дорогостоящих деталей, в том числе аналогово-цифровых преобразователей и цифровых процессоров (US 6396032; Н05В1/02; 2002.05.28), либо ограниченная область применения в составе оборудования с переменным питающим напряжением (А.с. СССР №394764; G05D 23/19; 1973.01.01). Упомянутое устройство, раскрытое в документе ЕР 0936454, обладает сигнальной характеристикой с гистерезисом и позволяет независимо регулировать точки температуры скачка сигнала на восходящей и нисходящей ветвях характеристики с помощью одного термочувствительного элемента. Недостатком этого устройства является использование в качестве термочувствительного элемента дорогостоящего высокочувствительного диодного температурного сенсора и использование двух транзисторов. Известна схема датчика температурного на основе термистора и переменного резистора, включающая блок сравнения на основе операционного усилителя с положительной обратной связью и делителей напряжения (GB 1425072; G05D 23/24; 1976.02.18), обеспечивающая защиту управляемой цепи в случае обрыва в плече делителя, содержащем термистор. Эта схема требует использования двух транзисторов либо двух операционных усилителей. Недостаток этой схемы, как и других вышеуказанных решений, состоит в том, что при использовании в системах отопления МВПС она может выйти из строя в результате перегрузок в случае бросков напряжения или коротких замыканий в питающей или управляемой цепи. Ни один из вышеупомянутых датчиков температурных не может быть использован в системах печного и калориферного отопления МВПС электропоездов, выпущенных промышленностью РФ и СССР, без существенной доработки штатных схем электропоездов.
Известен датчик-реле температурный, термочувствительный узел которого выполнен на основе двух одноконтактных либо на основе одного двухконтактного капиллярного стеклянного ртутного термоконтактора палочного типа ТК-52А (см. ТУ 25-11-1053-75, ГОСТ 19855-74). Этот датчик, применяемый в системе калориферного отопления электропоезда ЭР2 (см. Электропоезд ЭР2. Транспорт. Москва. 1971. с.: 118-120, 181, 182) и других электропоездов серий ЭР, ЭД, ЭТ, является ближайшим, с учетом назначения, аналогом предлагаемой полезной модели. Датчик снабжен тремя выводами, два из которых предназначены для подключения питающего постоянного напряжения 55 В, а третий предназначен для подключения к управляемой цепи. Датчик обладает ступенчатой сигнальной характеристикой с гистерезисом. Недостатками этого датчика являются: слабая устойчивость к перегрузкам, вызываемым бросками напряжения или короткими замыканиями в питающей или управляемой цепи; низкая механическая прочность датчика; низкая устойчивость к вибрации; присутствие ртути - токсичного компонента, создающего угрозу пассажирам и требующего особых условий утилизации датчика; присутствие драгоценного металла - платины, удорожающей производство датчика; отсутствие встроенного средства регулировки сигнальной характеристики датчика - изменения температур срабатывания датчика; отсутствие встроенной защиты от выхода из строя при коротком замыкании в управляемой цепи; высокая вероятность неправильного подключения при установке датчика; отсутствие встроенной защиты от повреждения вследствие неправильного подключения; отсутствие встроенной защиты от кратковременных бросков питающего напряжения; отсутствие встроенной защиты от длительного превышения напряжения; отсутствие встроенного средства индикации состояния датчика.
Предлагаемая полезная модель направлена на решение задачи создания датчика температурного для систем отопления салонов моторвагонного подвижного состава (а именно для управления работой калорифера вентиляционного канала или для управления работой печей) на основе миниатюрных полупроводниковых элементов, пригодного для замены указанного ближайшего аналога в электропоездах серий ЭР, ЭД, ЭТ, не требующего доработки штатных электрических схем электропоездов, обладающего ступенчатой сигнальной характеристикой с гистерезисом, и при этом обладающего повышенной устойчивостью к перегрузкам, вызываемым бросками напряжения или короткими замыканиями в питающей или управляемой цепи или неправильным подключением, а также устойчивостью к длительному превышению напряжения, повышенной механической прочностью, повышенной вибростойкостью, экологически безопасного, обладающего широкими возможностями настройки температуры срабатывания, возможностью индикации состояния (то есть индикации отсутствия или наличия сигнала на выходе), обладающего средством быстрого и правильного подключения к питающей и управляемой цепям.
Поставленная задача решается тем, что электрическая схема датчика температурного с характеристикой типа «гистерезис», выполненного в виде электрической схемы, содержащей первый и второй выводы, образующие его вход питания, третий вывод, образующий его управляющий выход, и термочувствительный узел, дополнительно содержит блок стабилизированного питания, блок сравнения, блок управляющего ключа, резистивный блок защиты от короткого замыкания на входе питания, резистивный блок защиты от короткого замыкания на управляющем выходе, диод защиты от бросков напряжения на управляющем выходе, блок индикации режима работы, термочувствительный узел выполнен в виде полупроводникового терморезистора и включен в блок сравнения, блок стабилизированного питания выполнен в виде цепи из стабилитрона и конденсатора, подключенного к стабилитрону параллельно, блок сравнения снабжен переменным резистором и выполнен в виде цепи из операционного усилителя с положительной обратной связью, из первого резистивного делителя напряжения, который содержит полупроводниковый терморезистор и переменный резистор и своим выходом подключен к инвертирующему входу операционного усилителя с положительной обратной связью, и из второго резистивного делителя напряжения, который своим выходом подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя с положительной обратной связью, блок управляющего ключа выполнен в виде цепи из транзистора и третьего резистивного делителя напряжения, который своим выходом подключен к базе транзистора, блок индикации режима работы выполнен в виде цепи из светодиода и защитного диода, подключенного к светодиоду антипараллельно, и ограничительного сопротивления, подключенного к ним последовательно, при этом стабилитрон одним своим электродом подключен к первому выводу датчика температурного через резистивный блок защиты от короткого замыкания на входе питания, а своим другим электродом подключен непосредственно ко второму выводу датчика температурного, первый резистивный делитель напряжения своим входом подключен непосредственно к стабилитрону параллельно, второй резистивный делитель напряжения своим входом подключен непосредственно к стабилитрону параллельно, первый вывод входа третьего резистивного делителя напряжения подключен к выходу операционного усилителя с положительной обратной связью, второй вывод входа третьего резистивного делителя напряжения подключен ко второму выводу датчика температурного, эмиттер транзистора подключен ко второму выводу датчика температурного, коллектор транзистора подключен через резистивный блок защиты от короткого замыкания на управляющем выходе к третьему выводу датчика температурного, диод защиты от бросков напряжения на управляющем выходе соединяет первый вывод датчика температурного с коллектором транзистора, блок индикации режима работы соединяет первый вывод датчика температурного с коллектором транзистора, переменный резистор снабжен средством ручной регулировки, полупроводниковый терморезистор термически изолирован от тепловыделения электрической схемы датчика температурного. Здесь и далее предполагается, что операционный усилитель выполнен в виде интегральной микросхемы.
Предлагаемый датчик температурный для систем отопления салонов моторвагонного подвижного состава отличается от ближайшего аналога тем, что его электрическая схема дополнительно содержит блок стабилизированного питания, блок сравнения, блок управляющего ключа, резистивный блок защиты от короткого замыкания на входе питания, резистивный блок защиты от короткого замыкания на управляющем выходе, диод защиты от бросков напряжения на управляющем выходе, блок индикации режима работы, термочувствительный узел выполнен в виде полупроводникового терморезистора и включен в блок сравнения, блок стабилизированного питания выполнен в виде цепи из стабилитрона и конденсатора, подключенного к стабилитрону параллельно, блок сравнения снабжен переменным резистором и выполнен в виде цепи из операционного усилителя с положительной обратной связью, из первого резистивного делителя напряжения, который содержит полупроводниковый терморезистор и переменный резистор и своим выходом подключен к инвертирующему входу операционного усилителя с положительной обратной связью, и из второго резистивного делителя напряжения, который своим выходом подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя с положительной обратной связью, блок управляющего ключа выполнен в виде цепи из транзистора и третьего резистивного делителя напряжения, который своим выходом подключен к базе транзистора, блок индикации режима работы выполнен в виде цепи из светодиода и защитного диода, подключенного к светодиоду антипараллельно, и ограничительного сопротивления, подключенного к ним последовательно, при этом стабилитрон одним своим электродом подключен к первому выводу датчика температурного через резистивный блок защиты от короткого замыкания на входе питания, а своим другим электродом подключен непосредственно ко второму выводу датчика температурного, первый резистивный делитель напряжения своим входом подключен непосредственно к стабилитрону параллельно, второй резистивный делитель напряжения своим входом подключен непосредственно к стабилитрону параллельно, первый вывод входа третьего резистивного делителя напряжения подключен к выходу операционного усилителя с положительной обратной связью, второй вывод входа третьего резистивного делителя напряжения подключен ко второму выводу датчика температурного, эмиттер транзистора подключен ко второму выводу датчика температурного, коллектор транзистора подключен через резистивный блок защиты от короткого замыкания на управляющем выходе к третьему выводу датчика температурного, диод защиты от бросков напряжения на управляющем выходе соединяет первый вывод датчика температурного с коллектором транзистора, блок индикации режима работы соединяет первый вывод датчика температурного с коллектором транзистора, переменный резистор снабжен средством ручной регулировки, полупроводниковый терморезистор термически изолирован от тепловыделения электрической схемы датчика температурного.
В первом уточненном случае осуществления предложенного датчика температурного поставленная задача дополнительно решается в отношении управления работой печей тем, что в качестве транзистора датчик температурный содержит транзистор типа n-р-n, при этом стабилитрон подключен ко второму выводу датчика температурного своим анодом, диод защиты от бросков напряжения на управляющем выходе и защитный диод индикатора режима работы подключены к первому выводу датчика температурного своими катодами.
В первом уточненном случае осуществления предложенный датчик температурный отличается от общего случая осуществления тем, что в качестве транзистора содержит транзистор типа n-р-n, при этом стабилитрон подключен ко второму выводу датчика температурного своим анодом, диод защиты от бросков напряжения на управляющем выходе и защитный диод индикатора режима работы подключены к первому выводу датчика температурного своими катодами.
Во втором уточненном случае осуществления предложенного датчика температурного поставленная задача решается в отношении управления работой калорифера тем, что в качестве транзистора датчик температурный содержит транзистор типа р-n-р, при этом стабилитрон подключен ко второму выводу датчика температурного своим катодом, диод защиты от бросков напряжения на управляющем выходе и защитный диод индикатора режима работы подключены к первому выводу датчика температурного своими анодами.
Во втором уточненном случае осуществления предложенный датчик температурный отличается от общего случая осуществления тем, что в качестве транзистора содержит транзистор типа р-n-р, при этом стабилитрон подключен ко второму выводу датчика температурного своим катодом, диод защиты от бросков напряжения на управляющем выходе и защитный диод индикатора режима работы подключены к первому выводу датчика температурного своими анодами.
В частном случае первого уточненного случая осуществления предложенного датчика температурного поставленная задача дополнительно решается тем, что датчик температурный смонтирован на печатной плате с габаритами не более 70 мм × 45 мм, помещен в перфорированный защитный кожух с габаритами не более 140 мм × 65 мм × 40 мм и снабжен клеммником с маркировкой контактов, при этом первый, второй и третий выводы датчика температурного разведены на контакты клеммника, полупроводниковый терморезистор выведен за габарит печатной платы и термически изолирован от нее перегородкой, а средство ручной регулировки переменного резистора выполнено в виде регулировочного винта.
В частном случае первого уточненного случая осуществления предложенный датчик дополнительно отличается от первого уточненного случая осуществления тем, что смонтирован на печатной плате с габаритами не более 70 мм × 45 мм, помещен в перфорированный защитный кожух с габаритами не более 140 мм × 65 мм × 40 мм и снабжен клеммником с маркировкой контактов, при этом первый, второй и третий выводы датчика температурного разведены на контакты клеммника, полупроводниковый терморезистор выведен за габарит печатной платы и термически изолирован от нее перегородкой, а средство ручной регулировки переменного резистора выполнено в виде регулировочного винта.
В частном случае второго уточненного случая осуществления предложенного датчика поставленная задача дополнительно решается тем, что датчик смонтирован на печатной плате с габаритами не более 75 мм × 55 мм и снабжен клеммником с маркировкой контактов, при этом первый, второй и третий выводы датчика температурного разведены на контакты клеммника, полупроводниковый терморезистор выведен за габарит печатной платы и термически изолирован от нее перегородкой, а средство ручной регулировки переменного резистора выполнено в виде регулировочного винта.
В частном случае второго уточненного случая осуществления предложенный датчик дополнительно отличается от второго уточненного случая осуществления тем, что смонтирован на печатной плате с габаритами не более 75 мм × 55 мм и снабжен клеммником с маркировкой контактов, при этом первый, второй и третий выводы датчика температурного разведены на контакты клеммника, полупроводниковый терморезистор выведен за габарит печатной платы и термически изолирован от нее перегородкой, а средство ручной регулировки переменного резистора выполнено в виде регулировочного винта.
В развитие частного случая второго уточненного случая осуществления предложенный датчик дополнительно отличается от частного случая второго уточненного случая осуществления тем, что помещен в перфорированный защитный кожух.
Наличие признака, отраженного в названии предлагаемого устройства «датчик температурный», необходимо для осуществления его назначения - управления отоплением салонов моторвагонного подвижного состава путем выработки сигнала, зависящего от температуры. Характеристика типа «гистерезис» необходима для выдачи дискретного сигнала без «дребезга» с целью продления срока службы нагревательных устройств систем отопления салонов моторвагонного подвижного состава. Выполнение датчика в виде электрической схемы необходимо для того, чтобы сигнал датчика температурного вырабатывался в электрическом виде, поскольку оборудование систем отопления салонов моторвагонного подвижного состава, для управления которыми предназначен датчик, рассчитано на электрический вид управляющего сигнала. Содержание в электрической схеме первого и второго выводов, образующих вход питания датчика, необходимо для подачи питающего напряжения, которое преобразуется в электрический сигнал датчика температурного. Содержание в электрической схеме третьего вывода, образующего управляющий выход датчика, необходимо для подключения управляемой цепи и передачи в нее электрического сигнала датчика. Термочувствительный узел необходим для того, чтобы при подаче на вход питания датчика питающего напряжения вырабатываемый сигнал датчика находился в заранее заданном соответствии с температурой той области пространства (салона или потолочного канала), в которой расположен датчик.
Блок стабилизированного питания в совокупности с резистивным блоком защиты от короткого замыкания на входе питания выполняет функцию стабилизации питания, выдавая требуемое стабильное напряжение, защищает схему датчика от выхода из строя в случае неправильного подключения (обратной полярности подаваемого напряжения). Необходимая мощность резистивного блока защиты от короткого замыкания на входе питания рассчитывается в зависимости от ожидаемого коэффициента превышения питающего напряжения (в случае неисправности во внешнем источнике питания), который задается потребителем датчика. Короткое замыкание на входе - это, например, замыкание во внешней цепи, в результате которого на вход датчика подается напряжение выше номинального. Резистивный блок защиты от короткого замыкания на входе питания является сопротивлением и может быть выполнен из одного или нескольких резисторов.
Блок сравнения выполняет функцию сравнения сигнала от термочувствительного узла с опорным сигналом и выработки сигнала блока сравнения по результату сравнения. Блок сравнения является компаратором и обладает двумя четко фиксированными состояниями «включено»/«выключено» со строго заданным гистерезисом по температуре между состояниями. При превышении температуры выше верхнего предела схема блока сравнения переходит в состояние «включено», при понижении ниже нижнего предела - в состояние «выключено».
Блок управляющего ключа предназначен для усиления слабого сигнала блока сравнения до значений, требуемых для включения исполнительного реле штатной схемы электропоезда. Поскольку предлагаемый датчик предназначен для работы в существующих схемах электропоездов, при эксплуатации датчика напряжение его внешнего источника питания будет составлять половину напряжения штатной цепи, которое делится пополам между двумя цепями питания двух датчиков и соответствующих им двух исполнительных реле. В зависимости от требований потребителя датчика подбираются такие усиленные электрические и тепловые характеристики блока управляющего ключа, которые позволяют защитить схему: а) от короткого замыкания в штатной схеме внешнего источника питания; б) от превышения напряжения в штатном источнике внешнего питания в 2 раза при одновременном коротком замыкании в исполнительном реле в другом плече схемы - т.е. при появлении на выходе датчика напряжения в 4 раза большего, чем предусмотрено в штатном режиме; в) от короткого замыкания на выходе датчика; г) от пробоя импульсными бросками напряжения во внешних управляемых цепях (величина бросков напряжения определяется потребителем датчика, и в зависимости от нее выбираются параметры блока управляющего ключа).
Резистивный блок защиты от короткого замыкания на управляющем выходе защищает блок управляющего ключа от короткого замыкания в управляемой цепи, его мощность рассчитывается на короткое замыкание во внешней управляемой цепи, а так же на превышение напряжения в управляемой цепи с коэффициентом превышения, который задается потребителем датчика. Так же резистивный блок защиты от короткого замыкания на управляющем выходе защищает блок управляющего ключа в случае такого неправильного подключения датчика, при котором третий вывод датчика подключается к цепи питания. Резистивный блок защиты от короткого замыкания на управляющем выходе является сопротивлением и может быть выполнен из одного или нескольких резисторов.
Диод защиты от бросков напряжения на управляющем выходе защищает блок сравнения и блок управляющего ключа от бросков напряжения во внешней управляемой цепи.
Блок индикации режима работы информирует потребителя о состоянии датчика (при условии подачи питания на вход питания датчика) и, следовательно, о режиме работы управляемой цепи.
Выполнение термочувствительного узла в виде полупроводникового терморезистора обеспечивает повышенную вибростойкость и механическую прочность датчика по сравнению с ближайшим аналогом, выполненным на основе ртутного прибора, а также обеспечивает повышенную экологическую и санитарную безопасность, упрощает утилизацию отработанных датчиков. Полупроводниковый терморезистор является измерительным элементом датчика, преобразует неэлектрический физический параметр (температуру) в электрический (сопротивление). Выполнение термочувствительного узла в виде полупроводникового терморезистора позволяет использовать датчик в широком диапазоне температур. Включение полупроводникового терморезистора в блок сравнения позволяет применить в датчике известную электронную схему сравнения напряжений с помощью компаратора. Выполнение блока стабилизированного питания в виде цепи из стабилитрона и конденсатора, подключенного к стабилитрону параллельно, позволяет выдавать требуемое стабильное напряжение, отфильтрованное от помех от внешних цепей питания (исключение ложного срабатывания датчика от помех). Снабжение блока сравнения переменным резистором и выполнение блока сравнения в виде цепи из операционного усилителя с положительной обратной связью, из первого резистивного делителя напряжения, который содержит полупроводниковый терморезистор и переменный резистор и своим выходом подключен к инвертирующему входу операционного усилителя с положительной обратной связью, и из второго резистивного делителя напряжения, который своим выходом подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя с положительной обратной связью, позволяет регулированием сопротивления переменного резистора подстраивать сопротивление участка (плечо первого делителя) цепи блока сравнения, в который (первый делитель) включен полупроводниковый терморезистор, сравнивать сигнал с выхода первого делителя с опорным сигналом с выхода второго делителя с помощью операционного усилителя с положительной обратной связью и получать выходной сигнал «включено»/«выключено» со строго заданным гистерезисом по температуре между состояниями. Значение сопротивления переменного резистора определяет так называемую «уставку» температуры срабатывания датчика. Выбор величины сопротивления, реализующего обратную связь, определяет величину гистерезиса. Соответствие между значениями «уставок» температуры и значениями сопротивления переменного резистора определяют путем калибрования датчика температурного. Второй делитель напряжения предпочтительно выполнять симметричным, это облегчает производство датчиков комплектами из двух датчиков, один для управления включением калорифера, другой для управления включением печей. Выполнение блока управляющего ключа в виде цепи из транзистора и третьего резистивного делителя напряжения, который своим выходом подключен к базе транзистора, позволяет путем выбора сопротивлений в плечах третьего делителя напряжения согласовать уровень выходного сигнала блока сравнения с номинальным напряжением базы транзистора. В зависимости от требований потребителя датчика подбираются такие усиленные электрические и тепловые характеристики транзистора, которые позволяют защитить схему: а) от короткого замыкания в штатной схеме внешнего источника питания; б) от превышения напряжения в штатном источнике внешнего питания в 2 раза при одновременном коротком замыкании в исполнительном реле в другом плече схемы - т.е. при появлении на выходе датчика напряжения в 4 раза большего, чем предусмотрено в штатном режиме; в) от короткого замыкания на выходе датчика; г) от пробоя импульсными бросками напряжения во внешних управляемых цепях (величина бросков напряжения определяется потребителем датчика, и в зависимости от нее выбираются параметры транзистора). Вид проводимости транзистора выбирается в зависимости от полярности питающего напряжения на входе. Выполнение блока индикации режима работы в виде цепи из светодиода и защитного диода, подключенного к светодиоду антипараллельно, и ограничительного сопротивления, подключенного к ним последовательно, позволяет при эксплуатации датчика информировать потребителя о состоянии датчика («включено»/«выключено») путем свечения светодиода. Защитный диод предназначен для защиты светодиода от бросков напряжения обратной полярности в управляемой внешней цепи. Ограничительное сопротивление выбирается в зависимости от характеристик диода и светодиода, защищает их от выхода из строя из-за превышения допустимого напряжения. Подключение стабилитрона одним его электродом к первому выводу датчика температурного через резистивный блок защиты от короткого замыкания на входе питания, а другим его электродом непосредственно ко второму выводу датчика температурного, подключение первого резистивного делителя напряжения его входом непосредственно к стабилитрону параллельно, подключение второго резистивного делителя напряжения его входом непосредственно к стабилитрону параллельно, подключение первого вывода входа третьего резистивного делителя напряжения к выходу операционного усилителя с положительной обратной связью, подключение второго вывода входа третьего резистивного делителя напряжения ко второму выводу датчика температурного, подключение эмиттера транзистора ко второму выводу датчика температурного, подключение коллектора транзистора через резистивный блок защиты от короткого замыкания на управляющем выходе к третьему выводу датчика температурного, соединение диодом защиты от бросков напряжения на управляющем выходе первого вывод датчика температурного с коллектором транзистора, соединение блоком индикации режима работы первого вывода датчика температурного с коллектором транзистора в совокупности обеспечивают связь элементов электрической схемы датчика температурного между собой в соответствии с принципами построения работоспособных радиоэлектронных цепей измерения и управления, обеспечивают работоспособность датчика температурного. Полярность включения в цепь стабилитрона, диодов и светодиода выбирается в зависимости от полярности питающего напряжения на входе. Снабжение переменного резистора средством ручной регулировки позволяет потребителю по выбору менять «уставку» температуры срабатывания датчика. Термическое изолирование полупроводникового терморезистора от тепловыделения электрической схемы датчика температурного позволяет избежать помех, вызываемых отличием собственной температуры датчика от температуры окружающего пространства из-за нагрева полупроводникового терморезистора теплом, выделяемым схемой датчика температурного. Термическое изолирование полупроводникового терморезистора от тепловыделения электрической схемы датчика температурного необходимо для правильной работы системы отопления салона МВПС. Термическое изолирование может быть выполнено любым подходящим для конструкции датчика способом, известным в промышленности, при условии, что полупроводниковый терморезистор будет иметь непосредственный контакт с окружающим пространством снаружи датчика.
Тип проводимости n-р-n транзистора позволяет применять предлагаемый датчик температурный для контроля реле управления печным отоплением салона путем подачи плюса питания на первый вывод датчика температурного, с учетом особенностей управляемой электрической схемы. При этом для обеспечения возможности датчика выполнять свою функцию при подаче плюса питания на первый вывод стабилитрон должен быть подключен ко второму выводу датчика температурного своим анодом, диод защиты от бросков напряжения на управляющем выходе и защитный диод индикатора режима работы должны быть подключены к первому выводу датчика температурного своими катодами.
Тип проводимости р-n-р транзистора позволяет применять предлагаемый датчик температурный для контроля реле управления калориферным отоплением салона путем подачи плюса питания на второй вывод датчика температурного, с учетом особенностей управляемой электрической схемы. При этом для обеспечения возможности датчика выполнять свою функцию при подаче плюса питания на второй вывод стабилитрон должен быть подключен ко второму выводу датчика температурного своим катодом, диод защиты от бросков напряжения на управляющем выходе и защитный диод индикатора режима работы должны быть подключены к первому выводу датчика температурного своими анодами.
Монтаж датчика температурного, при применении для контроля реле управления печами, на печатной плате с габаритами не более 70 мм × 45 мм и помещение его в перфорированный защитный кожух с габаритами не более 140 мм × 65 мм × 40 мм позволяет при эксплуатации установить предлагаемый датчик температурный в то же место установки, в которое устанавливают штатный датчик на основе ртутных термоконтакторов ТК-52А, и при этом поместить полупроводниковый терморезистор под кожухом на удалении от печатной платы, также позволяет защитить датчик температурный от случайного или умышленного повреждения. Монтаж датчика температурного, при применении для контроля реле управления калориферами, на печатной плате с габаритами не более 75 мм × 55 мм позволяет при эксплуатации установить предлагаемый датчик температурный в то же место установки в потолочном канале, в которое устанавливают штатный датчик на основе ртутных термоконтакторов ТК-52А, что позволяет избежать дополнительного обустройства места установки датчика. Клеммник с маркировкой контактов, на которые разведены первый, второй и третий выводы датчика температурного, облегчает правильное подключение датчика температурного к цепи питания и к управляемой цепи, снижает вероятность случайного повреждения датчика неправильным подключением. Выведение полупроводникового терморезистора за габарит печатной платы позволяет значительно снизить нагрев полупроводникового терморезистора путем теплопередачи по проводникам электрической цепи. Термическое изолирование полупроводникового терморезистора от печатной платы перегородкой позволяет значительно снизить нагрев полупроводникового терморезистора конвективным потоком теплого воздуха от элементов датчика, размещенных на печатной плате. Выполнение средства ручной регулировки переменного резистора в виде регулировочного винта обеспечивает удобство подстройки «уставки» температуры срабатывания датчика с помощью стандартного (например, отвертка) или специального регулировочного инструмента (ключа). Помещение в перфорированный защитный кожух датчика температурного, при применении для контроля реле управления калориферами, позволяет защитить датчик от доступа посторонних лиц в случае, если люк потолочного канала в месте установки датчика допускает съем крышки без специального инструмента (съемника).
Новизна предложенного решения выражается, в частности, в применении в конструкции датчика температурного того же назначения, что и известный датчик температурный, электронной электрической схемы с использованием полупроводниковых элементов и микросхем, в т.ч. терморезистора, транзистора, диодов, операционного усилителя.
Предложенное техническое решение поясняется примерами и следующими схемами:
фиг.1 - структурная блок-схема электрической схемы датчика;
фиг.2 - смешанная схема датчика в общем случае;
фиг.3 - смешанная схема датчика печного (первое уточнение общего случая);
фиг.4 - смешанная схема датчика калориферного (второе уточнение общего случая);
фиг.5 - принципиальная электрическая схема а) датчика печного (первый пример предлагаемого датчика) и б) датчика калориферного (второй пример предлагаемого датчика);
фиг.6 - схема, поясняющая совместное включение датчика печного с фиг.5, а) и датчика калориферного с фиг.5, б) в штатную схему электропоезда;
фиг.7 - эскиз вида датчика печного со стороны монтажа деталей;
фиг.8 - эскиз вида датчика печного со стороны печатных соединений;
фиг.9 - эскиз вида датчика калориферного со стороны монтажа деталей;
фиг.10 - эскиз вида датчика калориферного со стороны печатных соединений.
На фиг.1 на структурной блок-схеме представлены выводы 1, 2, образующие вход питания датчика температурного, вывод 2, образующий управляющий выход датчика температурного, резистивный блок защиты от короткого замыкания на входе питания 4, блок стабилизированного питания 5, блок сравнения 6, блок управляющего ключа 7, резистивный блок защиты от короткого замыкания на управляющем выходе 8, диод защиты от бросков напряжения на управляющем выходе 9, блок индикации режима работы 10. На блок-схеме фиг.1 блоки условно снабжены выводами, оканчивающимися кружочками. Эти условные выводы представлены в целях наглядного представления связей между блоками. В реальной электрической схеме все функциональные блоки могут быть смонтированы вместе как одна схема, например, на печатной плате.
На фиг.2, 3 и 4 представлена смешанная схема датчика температурного, с отображением внутреннего строения блоков. На фиг.5 и 6 представлены принципиальные электрические схемы конкретных реализации (примеров) уточненных случаев выполнения датчика температурного. На фигурах 3-6 тип проводимости транзистора отображен направлением стрелки эмиттера. Номер позиции каждого элемента датчика температурного, показанного на разных фигурах, одинаковый для всех фигур, за исключением фиг.6. Указаны сопротивления 11 резистивного блока защиты от короткого замыкания на входе питания 4, стабилитрон 12 и конденсатор 13, подключенный к стабилитрону 12 параллельно, операционный усилитель с положительной обратной связью 14 (обратная связь реализована с помощью резистора 15), инвертирующий вход 16, неинвертирующий вход 17 и выход 18 усилителя 14, первый резистивный делитель напряжения 19 с выходом 20, второй резистивный делитель напряжения 21 с выходом 22, переменный резистор 23, полупроводниковый терморезистор 24 (термочувствительный узел). Полупроводниковый терморезистор 24 физически вынесен на расстояние - 10 см от тепловыделяющих элементов датчика. Переменный резистор 23 снабжен средством ручной регулировки, например, винтом с головкой под отвертку с плоским наконечником. Резистор 25 входит в плечо делителя 19, резисторы 26, 27 образуют плечи делителя 21 (конкретное строение делителей 19 и 21 может отличаться от показанного на фигурах). Третий резистивный делитель напряжения 28, образованный резисторами (плечами) 29, 30, имеет выход 31, а его вход образован первым выводом 32 и вторым выводом 33. Транзистор 34 имеет базу Б, коллектор К, эмиттер Э. Светодиод 35, защитный диод 36 и ограничительное сопротивление 37 образуют цепь блока индикации режима работы 10. Сопротивления 38 входят в резистивный блок защиты от короткого замыкания на управляющем выходе 8. Конденсатор 39 является составной частью операционного усилителя 14. На фиг.2 полярности включения стабилитрона 12, диодов 9, 36, светодиода 35, а также тип проводимости транзистора 34 не уточнены. На фиг.3 представлена схема первого уточненного датчика температурного: в качестве транзистора 34 он содержит транзистор типа р-n-р, стабилитрон 12 подключен ко второму выводу 2 датчика своим анодом 40, диод защиты от бросков напряжения на управляющем выходе 9 подключен к первому выводу 1 датчика своим катодом 41, защитный диод 36 индикатора режима работы 10 подключен к первому выводу 1 датчика своим катодом 42, светодиод 35 подключен к первому выводу 1 датчика своим анодом 43. На фиг.4 представлена схема второго уточненного датчика температурного: в качестве транзистора 34 он содержит транзистор типа р-n-р, стабилитрон 12 подключен ко второму выводу 2 датчика своим катодом 44, диод защиты от бросков напряжения на управляющем выходе 9 подключен к первому выводу 1 датчика своим анодом 45, защитный диод 36 индикатора режима работы 10 подключен к первому выводу 1 датчика своим анодом 46, светодиод 35 подключен к первому выводу 1 датчика своим катодом 47. На фиг.5, а) показана принципиальная схема примера осуществления датчика, выполненного в соответствии с фиг.3 и предназначенного для управления печным отоплением салона МВПС. На фиг.5, б) показана принципиальная схема примера осуществления датчика, выполненного в соответствии с фиг.4 и предназначенного для управления калориферным отоплением салона МВПС. Резистивный блок 4 выполнен в виде двух параллельно соединенных резисторов 11. Резистивный блок 8 выполнен в виде двух параллельно соединенных резисторов 38. Схемы а) и б), представленные на фиг.5, содержат идентичные друг другу наборы деталей, за исключением транзисторов 34, которые комплементарны друг другу: в схеме а) содержится транзистор 34 обратной проводимости (типа n-р-n), в схеме б) содержится транзистор 34 прямой проводимости (типа р-n-р). Схема а) рассчитана на подачу плюса питания 55 В на вывод 1 датчика, схема б) рассчитана на подачу плюса питания 55 В на вывод 2 датчика. Параметры деталей схем а) и б) следующие:
1) резистор 11-3 кОм, 2 Вт (МЛТ-2);
2) конденсатор 13-47 мкФ, 100 В;
3) стабилитрон 12 - КС527А, 26,0 (мин.)/28,0 (макс.) В, 1 (мин.)/30 (макс.) А, 1000 мВт (макс.); эти параметры (п.п.1-3) защищают схему датчика от выхода из строя в случае неправильного подключения (обратной полярности подаваемого напряжения); мощность сопротивлений 11 рассчитана на защиту от превышения питающего напряжения в два раза (в случае неисправности во внешнем источнике питания);
4) переменный резистор 23-68,3 кОм подстроенный многооборотный (3296 W);
5) полупроводниковый терморезистор 24-47 кОм, 0,125 Вт (помещен на расстоянии 7 см. от печатной платы на проводах);
6) резистор 25-10 кОм, 0,125 Вт;
7) резистор 26-15 кОм, 0,125 Вт;
резистор 27-15 кОм, 0,125 Вт (резисторы 26, 27 выбраны одинаковые для минимизации отличий печного датчика от калориферного и удобства изготовления датчиков в виде парного комплекта);
8) резистор 15-300 кОм, 0,125 Вт;
9) конденсатор 39-120 пкФ;
у
10) микросхема операционного усилителя 14 - К553УД2, 7,5 мВ (напр. см. макс.), 1,5 мА (ток вх. макс.), 20/65 В/мВ (К мин./тип.); схема блока сравнения 6 (п.п.4-10): сравнивает значение параметра, полученного от термочувствительного элемента 24 с требуемым настроенным значением; является компаратором и обладает двумя четко фиксированными состояниями: «включено»/«выключено» со строго заданным гистерезисом 2 градуса Цельсия между состояниями; при превышении температуры выше верхнего предела, схема переходит в состояние «включено», при понижении ниже нижнего предела - в состояние «выключено», позволяет настроить температуру пределов срабатывания путем регулировки подстроечного переменного сопротивления 23;
11) резистор 29-12 кОм, 0,125 Вт;
12) резистор 30-3 кОм, 0,125 Вт;
13) транзистор 34:
MJHE15032 для схемы на фиг.5, а), n-р-n, 250 В, 8 А, 50 Вт;
MJE15033 для схемы на фиг.5, б), р-n-р, 250 В, 8 А, 50 Вт; схема блока управляющего ключа 7 (п.п.11-13): усиливает слабый сигнал микросхемы схемы измерителя температуры (блока сравнения 6) до значений, требуемых для включения исполнительного реле штатной схемы электропоезда; специальной подборкой выбран тип транзистора 34, обладающего усиленными электрическими и тепловыми характеристиками; подобранные параметры позволяют защитить схему а) от короткого замыкания в штатной схеме источника питания, б) от превышения напряжения 55 В в штатном источнике питания в два раза при одновременном коротком замыкании в исполнительном реле в другом плече схемы исполнительных реле - т.е. при появлении на выходе датчика температурного напряжения, в четыре раза большего, чем предусмотрено в штатном режиме, в) от короткого замыкания на выходе датчика температурного; обеспечивают пятикратную защиту от пробоя импульсными бросками напряжения во внешних исполнительных цепях;
14) диод 36 - КД521 А, 75 В (напр. обр.), 0,05 А (ток пр. макс.), 1 мкА (ток обр. макс.);
15) светодиод 35 - светодиод малопотребляющий (1-2 мА) L-934SGC, или аналогичный, любого цвета;
16) резистор 37-56 кОм, 0,125 Вт; схема блока индикации режима работы 10 (п.п.14-16) датчика температурного; информирует путем свечения светодиода 35 о состоянии датчика («включено»/«выключено»); диод 36 предназначен для защиты светодиода 35 от бросков напряжения обратной полярности в регулируемой внешней цепи;
17) диод 9 - диод импортный HER308 или отечественный аналог на ток не менее 3 А и напряжение не менее 800 В; защищает схему блока сравнения 6 и схему блока управляющего ключа 7 от бросков напряжения во внешней управляемой цепи;
18) резистор 38-1,5 кОм, 2 Вт; резисторы 38 блока 8 защищают схему блока управляющего ключа 7 от короткого замыкания в управляемой цепи; мощность блока резисторов 38 рассчитана на короткое замыкание во внешней управляемой цепи, а так же на превышение напряжения в управляемой цепи в два раза; так же защищают схему блока управляющего ключа 7 в случае неправильного подключения датчика температурного, при котором на выходе 3 датчика температурного оказывается напряжение питания.
Таким образом, схемы датчиков температурных фиг.5 а) и б) рассчитаны:
1) на подключение исключительно в схему управления отопления электропоездом и на работу в качестве части этой схемы;
2) технические характеристики элементов схемы рассчитаны исключительно под конкретные условия - конкретный температурный режим салона электропоезда в соответствии с требования санитарных норм по температуре для электропоездов и ширину гистерезиса сигнально-температурной характеристики 2°С;
3) на возможность перенастройки температуры срабатывания датчиков в случае изменения требований санитарных норм в пределах 8°С-30°С для датчика печей (схема фиг.5, а) и 12°С-33°С для датчика калориферов (схема фиг.5, б);
4) на защиту от коротких замыканий во внешних подключаемых цепях по проводам питания и управления;
5) на защиту от превышения напряжения во внешних подключаемых цепях более чем в 4 раза;
6) на защиту от импульсных бросков напряжения во внешних подключаемых цепях;
7) на защиту стабильности настройки температуры включения-отключения от ухода напряжения питания в большую или меньшую сторону;
8) на защиту от ошибочного подключения датчика, при котором подается питание обратной полярности либо плюс питания подается на управляющий вывод;
9) на исключение человеческой ошибки при оценке состояния датчика путем визуализации его состояния (свечение либо отсутствие свечения светодиода);
10) на устойчивость (в отличие от ртутных термоконтакторов) к вибрациям и ударам;
11) на экологическую безопасность (в отличие от ртутных термоконтакторов);
12) на исключение специальных методов утилизации (в отличие от ртутных термоконтакторов).
На фиг.6 поясняется совместное применение датчика печного с фиг.5, а) и датчика калориферного с фиг.5, б) в общей схеме управления системой отопления салоном МВПС. Позиции схемы датчика печного снабжены индексом «а», калориферного - индексом «б». Третий вывод (на фиг.6 обозначен 3а) датчика печного подключен к реле ПТР2 управления печным отоплением. Третий вывод (на фиг.6 обозначен 3б) датчика калориферного подключен к реле ПТР1 управления калориферным отоплением. Вывод 1а входа питания датчика печного подключен к потенциалу +110 В; вывод 2а входа питания датчика печного и вывод 2б входа питания датчика калориферного подключены к потенциалу +55 В; вывод 1б входа питания датчика калориферного подключен к потенциалу 0 В.
На фиг.7 представлен эскиз вида датчика печного с фиг.5, а) со стороны монтажа деталей, а на фиг.8 - со стороны печатных соединений (Пример 1). Полупроводниковый термистор 24 не показан, он вынесен за пределы платы и отделен от нее перегородкой, которая препятствует конвективному и лучистому переносу тепла от платы. R2.1 и R2.2 - точки монтажа проводов полупроводникового термистора 24. Клеммник 48 выполнен по ГОСТ МЭК 730-1-95 и снабжен маркировкой контактов 49, которая в данном случае выполнена на поверхности платы со стороны печатных соединений. Переменный резистор 23 снабжен регулировочным винтом 50. Плата датчика печного, термистор и перегородка помещены в кожух с габаритами 140 мм × 65 мм × 40 мм, выполненный из перфорированной стали толщиной 2 мм с отверстиями диаметром 3-5 мм. Термистор 24 не касается кожуха, платы, перегородки. На фиг.9 представлен эскиз вида датчика калориферного с фиг.5, б) со стороны монтажа деталей, а на фиг.10 - со стороны печатных соединений (Пример 2). Полупроводниковый термистор 24 не показан, он вынесен за пределы платы и отделен от нее перегородкой. Обозначены точки R2.1 и R2.2 монтажа проводов полупроводникового термистора, клеммник 48, маркировка контактов 49, регулировочный винт 50. Плата датчика, термистор и перегородка могут быть помещены в защитный перфорированный кожух.
Опытная эксплуатация датчиков температурных, изготовленных в соответствии с предложенным техническим решением, показала повышенную устойчивость датчика к перегрузкам, вызываемым бросками напряжения или короткими замыканиями в питающей или управляемой цепи или неправильным подключением, а также устойчивость к длительному превышению напряжения, повышенную механической прочность, повышенную вибростойкость по сравнению с известным датчиком на основе ртутных термоконтакторов. Предложенный датчик температурный может изготавливаться промышленностью из известных комплектующих по обычным технологиям радиотехники и может использоваться на современном железнодорожном транспорте в системах отопления салонов электропоездов серий ЭР, ЭД, ЭТ.