ТЕРМОСТАТ
THERMOSTAT

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к термостатам, и может быть использовано в термостатированных генераторах с кварцевыми резонаторами.
Для термостатируемых кварцевых генераторов наряду с кварцевым резонатором и конструкцией термостатируемой камеры большое значение имеет применяемая схема термостата, т.к. термостатируемые кварцевые генераторы должны обеспечивать высокую стабильность частоты, в том числе и в критических условиях эксплуатации, а именно в широком диапазоне рабочих температур: от -60°C до +80°C. К термостату в данном случае предъявляют жесткие требования к точности подстройки температуры и времени выхода на рабочий режим.
Известен термостат, схема которого является в настоящее время классической и описана, например, в патенте US №3838248. Схема состоит из термочувствительного моста, операционного усилителя, биполярного транзистора и нагревателя, в роли которого выступает резистор.
Известен термостат, описанный в патенте RU №2024045, который содержит термочувствительный мост, усилитель, нагреватель, потенциометр, операционный усилитель и повторитель напряжения. Данное техническое решение позволяет повысить точность термостатирования, устранив зоны нечувствительности в диапазоне рабочих температур.
Известен термостат, описанный в патенте US №6147565, который состоит из термочувствительного моста, операционного усилителя с отрицательной обратной связью, транзистора и нагревателя.
Однако вышеуказанные технические решения не обеспечивают высокую скорость установления рабочей температуры термостата.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является термостат в соответствии с патентом US №8026460. Согласно патентному описанию термостат содержит нагреватель, в качестве которого использован биполярный транзистор, стабилизатор напряжения, термистор в составе термочувствительного моста, операционный усилитель, транзистор и термодатчик. Напряжение питания, стабилизированное стабилизатором напряжения, поступает на вход операционного усилителя через термистор и резистор. С выхода операционного усилителя требуемое напряжение поступает на базу транзистора и термодатчик. Нагреватель осуществляет нагрев в соответствии с током коллектора транзистора. Термодатчик выдает сигнал внутренней температуры в соответствии с выходным напряжением операционного усилителя. Если температура термостатируемой камеры ниже рабочей, сопротивление термистора увеличивается, увеличивая таким образом разницу напряжений на входах операционного усилителя. Соответственно выходной ток операционного усилителя растет, повышая ток коллектора транзистора, что приводит к росту тока через нагреватель, увеличивая выделение теплоты. Т.е. в случае, если температура низкая, количество теплоты, выделяемое нагревателем, растет, быстро нагревая термостатируемую камеру. Когда температура термостатируемой камеры становится выше рабочей, сопротивление термистора уменьшается, напряжение на его выходе растет, уменьшая разницу напряжений на входах операционного усилителя. Выходное напряжение операционного усилителя уменьшается, уменьшая ток коллектора и снижая количество тепла, выделяемое нагревателем. Таким образом осуществляется контроль температуры термостатируемой камеры. Данная схема обеспечивает термостатирование кварцевого генератора с высокой точностью.
Однако, несмотря на все достоинства описанной схемы, в ней не предусмотрена минимизация времени установления температуры в термостате.
Задачей заявляемого изобретения является минимизация времени установления рабочей температуры в термостате.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в термостате, состоящем из термочувствительного моста, в состав которого входит первый термистор, операционного усилителя, стабилизатора напряжения, первого транзистора и второго транзистора, при этом термочувствительный мост соединен со входами операционного усилителя, выход которого соединен с затвором первого транзистора, исток последнего соединен со стабилизатором напряжения, а сток - с общей точкой; операционный усилитель включен с положительной обратной связью, в качестве первого и второго транзисторов использованы полевые транзисторы и введен второй термистор, который включен между стоком и истоком второго полевого транзистора, сток второго полевого транзистора соединен с выходом операционного усилителя и затвором первого полевого транзистора, а затвор второго полевого транзистора соединен с истоком первого полевого транзистора.
Кроме того, заявляется термостат, в котором наряду с вышеназванными признаками в его состав входит резистор с регулируемым значением сопротивления, включенный между затвором первого полевого транзистора и общей точкой.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в минимизации времени установления рабочей температуры в термостате. Данный технический результат достигается за счет совместного использования операционного усилителя, подключенного по принципу компаратора, дополнительного термистора и полевых транзисторов. Схема термостата, построенная предлагаемым образом, обеспечивает режим минимизации времени установления рабочей температуры в термостате. Данный режим подразумевает следующие этапы: повышение температуры первого выключения нагревателя, инерционный прогрев конструкции генератора, ее остывание до рабочей температуры и последующая автоматическая стабилизация температуры [Ингберман М. и др. Термостатирование в технике связи. М.: Связь, 1979, с. 60-63]. Дополнительно заявляемая схема термостата обеспечивает высокую точность автоподстройки температуры в зависимости от изменяющейся температуры окружающей среды термостата.
Заявляемое изобретение поясняется с помощью Фиг.1-2, на которых изображено:
на Фиг.1 - схема термостата;
на Фиг.2 - график зависимости температуры термостата от времени.
На Фиг.1 позициями 1-17 обозначены:
1 - термочувствительный мост;
2 - первый резистор;
3 - второй резистор;
4 - третий резистор;
5 - первый термистор;
6 - операционный усилитель;
7 - стабилизатор напряжения;
8 - первый полевой транзистор;
9 - второй полевой транзистор;
10 - второй термистор;
11 - четвертый резистор;
12 - пятый резистор;
13 - шестой резистор;
14 - седьмой резистор;
15 - первый конденсатор;
16 - второй конденсатор; 17 - диод.
Термостат состоит из термочувствительного моста 1, содержащего первый 2, второй 3 и третий 4 резисторы и первый термистор 5, операционного усилителя 6, стабилизатора напряжения 7, первого 8 и второго 9 полевых транзисторов, второго термистора 10, четвертого 11, пятого 12, шестого 13, седьмого 14 резисторов, первого 15 и второго 16 конденсаторов и диода 17. Первый 2 и второй 3 резисторы образуют одно плечо термочувствительного моста 1 и соединены с инвертирующим входом операционного усилителя 6. Третий резистор 4 и первый термистор 5 образуют другое плечо термочувствительного моста 1 и соединены с неинвертирующим входом операционного усилителя 6. К неинвертирующему входу операционного усилителя 6 подключен первый конденсатор 15. Выход и вход операционного усилителя 6 охвачены положительной обратной связью с помощью четвертого резистора 11. Выход операционного усилителя 6 соединен через диод 17 и пятый резистор 12 с затвором первого полевого транзистора 8 и стоком второго полевого транзистора 9. Шестой резистор 13 включен между общей точкой и затвором первого полевого транзистора 8. Исток первого полевого транзистора 8 и затвор второго полевого транзистора 9 соединены и подключены через седьмой резистор 14 к выходу стабилизатора напряжения 7. Второй термистор 10 включен между затвором первого полевого транзистора 8 и выходом стабилизатора напряжения 7, параллельно с которым соединен второй конденсатор 16.
Термостат работает следующим образом. После включения питания на вход стабилизатора напряжения 7 поступает входное напряжение. В качестве нагревателя использован первый полевой транзистор 8. Седьмой резистор 14 и второй транзистор 9 служат для ограничения тока, проходящего через первый полевой транзистор 8. Нагрев происходит от начальной температуры до температуры, превышающей рабочую на 10-15°C. Этот этап соответствует участку кривой от точки I до точки II в соответствии с графиком зависимости температуры генератора от времени (Фиг.2). Слежение за температурой на данном этапе осуществляет первый термистор 5. При достижении температуры, соответствующей точке II на графике, операционный усилитель 6, который включен по принципу компаратора, срабатывает, и нагрев с помощью первого полевого транзистора 8 прекращается. Пятый резистор 12 ограничивает ток через операционный усилитель 6, а диод 17 не дает возможности операционному усилителю 6 влиять на стабилизацию температуры после срабатывания компаратора, выполненного на базе операционного усилителя 6. Первый конденсатор 15 не дает возможности срабатывать компаратору при включении питания. Второй конденсатор 16 предохраняет схему от самовозбуждения. На участке графика от точки II до точки III происходит инерционный равномерный прогрев всех узлов генератора, для стабилизации температуры которого используют термостат, с последующим равномерным остыванием всей конструкции генератора до рабочей температуры, соответствующей точке III на графике. Стабилизация температуры генератора в рабочем режиме осуществляется за счет второго термистора 10, являющегося NTC термистором. Четвертый резистор 11, включенный в петлю положительной обратной связи операционного усилителя 6, не позволяет перейти компаратору в начальный уровень после падения температуры до точки III. Шестой резистор 13 является подстроечным и служит для регулировки рабочей температуры термостата.
Таким образом, заявляемая схема позволяет снизить время выхода на рабочий режим до трех раз по сравнению с классической схемой термостата.