Многоканальная МП система регулирования температуры (стр. 4 из 8)

1.6 Обзор и сравнение характеристик силовых приборов

Перечислим управляемые силовые полупроводниковые приборы (дискретные или использующиеся в модулях и силовых интегральных схемах), которые наиболее широко применяются в настоящее время:

· IGBT;

· МДП – транзистор;

· Биполярный транзистор;

· SIT;

· Тиристор;

· Симистор;

· Запираемый тиристор.

Выпускаемые промышленностью отдельные конкретные типы всех перечисленных выше транзисторов и тиристоров имеют высокие значения максимально допустимых напряжений (сотни вольт) и максимально допустимых токов (сотни ампер).

Существуют конкретные типы тиристоров, запираемых тиристоров и IGBT, для которых максимально допустимое напряжение существенно больше 1000 В, а максимально допустимый ток существенно больше 1000 А.

Рекордные значения максимально допустимого напряжения и максимально допустимого тока по каждому силовому полупроводниковому прибору постоянно растут.

Выбор полупроводникового прибора в качестве основы устройства силовой электроники является ответственным этапом. От этого выбора сильно зависят технико-экономические показатели разрабатываемого устройства.

При выборе прибора часто приходится учитывать большое число факторов. Из технических факторов обычно наиболее важными являются значения: коммутируемых токов; коммутируемых напряжений; выходной мощности разрабатываемого устройства; частоты коммутации (переключения).

Перечислим характерные особенности полупроводниковых приборов. Эти особенности необходимо учитывать при выборе прибора.

МДП – транзистор имеет наилучшие динамические свойства. Он обладает неоспоримыми преимуществами при повышенной (более 100 кГц) частоте коммутации (т.к. другие приборы практически неспособны работать на такой частоте). Другими характерными преимуществами МДП – транзистора является высокая теплостойкость и простота формирования сигналов управления.

IGBT обладает хорошими динамическими свойствами (частота коммутации до 100 кГц). Высоковольтный IGBT имеет меньшее напряжение в открытом состоянии в сравнении с соответствующим МДП – транзистором. IGBT обладает высокой теплостойкостью. Для него несложно сформировать управляющие сигналы.

Биполярный транзистор характеризуется малым напряжением в открытом состоянии. Однако его динамические свойства невысоки (частота коммутации до 10 кГц).

SIT в некоторых случаях имеет меньшее напряжение в открытом состоянии в сравнении даже с биполярным транзистором.

Тиристор способен коммутировать очень большие токи и напряжение, однако он может использоваться при достаточно низкой частоте коммутации (десятки, сотни и, иногда, тысячи герц).

В настоящее время наиболее перспективными силовыми приборами часто называют МДП – транзисторы, тиристоры и IGBT.

Для определения области предпочтительного применения прибора используют координатную плоскость (рис. 2.), откладывая по оси абсцисс частоту f коммутации, а по оси ординат – выходную мощность P устройства силовой электроники.

Рис.2. Области предпочтительного применения прибора

Из выбора и расчета схемы управления нагревателем, а также по соотношениям количественных и качественных характеристик с экономическими, выбираем в качестве силового ключа - полупроводниковый тиристор.

2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

2.1 Выбор и расчет схемы компенсации температуры свободных концов термопары

Рассмотрим схемы работы измерительного канала:

1. Первый способ (рис.3.)

Рис.3 Схема измерительного канала с компенсацией в МП

Термопара измеряет температуру

объекта (технологического процесса) и преобразует ее в термоЭДС. Датчик температуры (терморезистор) измеряет температуру свободных концов термопары, изменяя свое электрическое сопротивление. Коммутатор по сигналу микропроцессора сначала подключает на вход АЦП сигнал термопары - термоЭДС, АЦП преобразует ее в цифровой код и направляет в микропроцессор. Затем микропроцессор подает сигнал коммутатору о подключении датчика температуры (терморезистора). Изменение сопротивления терморезистора преобразуется в напряжение с помощью преобразователя П, затем АЦП преобразует это напряжение в цифровой код, который подается в микропроцессор. Вычитая из первого цифрового кода второй, микропроцессор делает коррекцию и выдает реальную температуру объекта.

Достоинства:

· Мало электронных узлов в схеме;

· Малая погрешность канала.

Недостатки:

· Загруженность микропроцессора;

· Использование не менее 9-канального коммутатора для восьми каналов измерения.

Рассчитаем преобразователь сопротивление - напряжение.

Преобразование сопротивления в напряжение будем производить с использованием операционного усилителя (рис.4.).

Рис.4. Преобразователь «Сопротивление-напряжение».

Элементы схемы R1, R2 и VD1 представляют собой стабилизированный источник напряжения на стабилитроне VD1. Rт – терморезистор. Напряжение питания схемы 15 В.

Выбираем стабилитрон КС147А.

Характеристики стабилитрона КС147А:

Рабочий ток

=20 мА;

Напряжение стабилизации

=4,7 В.

Сопротивление

находим по формуле:

Ом;

Мощность рассеивания резистора

:

Вт

Достаточно выбрать резистор мощностью 0,5 Вт.

;

,

Следовательно,

Ом.

Выбираем

с запасом равным 10 кОм.

Мощность, которую может рассеять резистор

:

Вт ≈ 0

Достаточно выбрать резистор мощностью 0,125 Вт.

Напряжение на входе операционного усилителя

В.

Преобразователь сопротивление – напряжение построен на инвертирующем усилителе напряжения. Для него справедлива формула:

,

где

- сопротивление терморезистора, Ом; - выходное напряжение ОУ, В.

Сопротивление терморезистора при температуре 60 ºС находим по формуле:

Ом;

Максимальное выходное напряжение ОУ (входное на АЦП)

равно 3 В.

Ом ≈ 100 Ом.

Мощность рассеивания резистора

:

Вт

Достаточно выбрать резистор мощностью 0,125 Вт.

Шаг квантования АЦП: