温度控制器电路设计

温度控制器电路设计、装配与调试
1. 温度控制器的单元电路
运放的二个应用：⑴ 线性应用-测量放大器。

⑵ 非线性应用-滞回比较器 ⑴ 测量放大器原理
图3-4 测量放大器
① 当Ui+=0时, A1同相输入，A2反相输入
)1(1'
1g
i R R U U +
=- )(
2'
2g
i R R U U --= （3-1）
② 当Ui-=0时, A2同相输入，A1反相输入
)(
1"
1g
i R R U U +-= )
1(2"
2
g
i R R U U
+
=+ （3-2）
③ 总的输出：
)
(
)1(111g
i g
i R R U
R R U
U +
--+
= )(
)1(222g
i g
i R R U R R U U -+-+
=
)1)((
)(
3
56
4623
510R R R R R U R R U U +
++-=
若21R R =、43R R =、6
5R R =；则： )
)(
(3
512
R R U U
U -=；
代入U1、U2，化简得：
))(
21)((3
510
R R R R U
U
U
g i i +
-=-+
)
)(
21()
(3
510
R R R R U
U U
A g
i i V +
=-=
-
+ （3-3）
选15
3=R
R ，则：)
21()
(10
g
i i V R R U
U
U
A +=-=
-+
（3-4）
由式（3-4）可知：-+〉i i U U 时00〉U ，故+I U 输入端为测量放大器同相输入端。

-+〈i i U U 时00〈U ，故+
I U
输入端为测量放大器反相输入端。

⑵ 滞回比较器原理
由于运放工作在非线性区，输出只有高低电平两个电压om U +和om U -， ① 当om U
o
u +=时，如图所示同相输入端电压U +的上门限值为:
f
R R om U R f R
R R U
f R f
R
R om U
R R
U f R R
U
R U
o u f
R
R
R
TH U
++
+=
++=
+-+=
22222)(2
2
1
（3-5）
随i u 增大达到1TH U 后，o u 由om U +跳变为om U -。

图3-5 滞回比较器
② 当om U
o
u -=时，如图所示同相输入端电压U +的下门限值为：
f
R R om U
R f
R R R U
f R f
R R om U
R R
U f R R U R U o u f
R
R R
TH U +-
+=
+-=
+-+=22222)(222
（3-6）
随i u 减小达到2TH U 后，o u 由om U -跳变为om U +。

我们把上门限电压1TH U 与下门限电压2TH U 之差称为回差电压TH U ∆:
f
R
R
R om
U TH U
TH U
TH U +=-=∆22
221
（3-7）
回差电压的存在，大大提高了电路的抗干扰能力。

只要干扰信号的峰值小于半个回差电压，比较器就不会因为干扰而误动作。

⑶ 测量电桥
如图3-6所示（a ）为温度测量电桥，（b ）为光照度测量电桥。

1p R 、w R 为电桥平衡调整电位器。

图3-6 测量电桥
① 光照度测量电桥
由光照度测量电桥和直流测量电桥组成；直流测量电桥由R 11、R 12、R 13、R 14组成电桥的四个桥臂，用于电路测试和调整；光测量电桥由Δr+Rd 、R 12、R 13、R 14组成电桥的四个桥臂，用于实际运行。

光测量电桥和直流测量电桥通过开关K 切换，转换电路测试和调整或光控运行两种状态。

Rw 为调零电位器，调整Rw 可使电桥输出电压U i 为零。

光敏电阻Rd 随光强增加而阻值下降，其暗电阻为2M Ω；在通常光照下，其亮电阻为100k Ω左右。

电桥输出不平衡电压U i ，U i 作测量放大器输入信号。

Vcc
R R R Rd r R Rd r R R U i )
1413)(12(13)(1412+++∆⨯+∆-⨯=
（3-8）
光敏电阻的光电流p I 与端电压U 、入射光照度L 的关系：
γ
α
L
U
S I
g p
=
当入射光照度低于1000lx 时(在25W 白灯下，距离50cm 处，其入射光照度约100lx)，p I 与L 具有良好的线性关系
UL
S
I
g
p
=（3-9）
②温度测量电桥
温度测量电桥的A点所在的桥臂的电阻是固定的，故
A
U是固定的。

B点所
在的桥臂的电阻
t R 随温度变化，故
B
U是变动的。

电阻t R为负温度系数热敏电阻，
t R =1.5K指NTC热敏电阻的标称电阻值R25。

为了方便取
2
R与t R成比例，这里取K
R
R
t 5.1
2
=
=，同时，1
3
1
1
2
1
2E
E
R
R
R
A
U=
+
=，得Ω
=750
1
R。

在前面已知条件下，推导
1
3
’
3P
R
R
R+
=：
约束条件：①U
U
U
U
U
B
A
i
∆
〈+
-
=
〈
∆
-，②
1
3
1
E
A
U=。

由测量电桥平衡0
=
-
=
B
A
i
U
U
U时，得Ω
=
=
+
=750
1
1
3
’
3
R
R
R
R
P。

又由
1
'
3
1
1
3
1
E
R
t
R
t
R
E
B
A
i
U
U
U
+
-
=
-
=，得R
p
R
R
R∆
±
Ω
=
+
=750
1
3
'
3。

故取K
R
P
1
1
=。

2. 温度控制器电路原理
⑴温度控制器电路
温度控制器电路如图3-7所示。

图3-7 温度控制器电路
⑵电路原理分析
由测量电桥、测量放大器、滞回比较器及驱动电路等
组成。

测量电桥的A 点所在的桥臂的电阻是固定的，故A U 是固定的。

B 点所在的桥臂的电阻t R 随温度变化，故B U 是变动的。

由于温度的不同，因而在测量电桥的A 、B 点时会产生不同的电压差，这个差值经过测量放大器放大后进入到滞回比较器的反相输入端，与比较电压U R 比较后，由滞回比较器输出信号进行加热或停止加热。

继电器J 可进一步推动交流接触器。

滞回电压比较器的比较电压U R 代表设定的温度，如图3-7示，
o
R
TH U R R R U
R R R U ⨯++
⨯+=
13
121213
1213。

由滞回电压比较器特性可知，当E U 变化越过
TH
U 时，滞回电压比较器输出会翻转。

改变比较电压U R 能改变控温的范围，控温
的精度由滞回比较器的滞环宽度确定。

比较电压U R 与温度t R 的关系：
om
R
TH U
R R R U
R R R U ⨯++
⨯+=
13
121213
1213
)
(
)(1'
3
12
1113
121213
1213E R R R E R R R A U U
A AU
U R R R U
R R R U
t t B A
AB om R
E
+-
+=-==⨯++
⨯+=
令12
11'
1E R R R A
E +=，13
13
12R R R m +=
；
整理得：
1'
3
'3
13
12'
113
121'3
'
111
E R R R mA
U R R mE U R R E R R R mA
mE U
t
om om t t R
+
--
=-
+
-=
(3-10)
由式(3-10)可知，比较电压U R 与温度t R 存在对应关系。

温度t ↑，t R ↓，使B U ↓，而B A U U -↑。

经测量放大器的放大，E U ↑，当温度由0t 上升到达2t （与U R 对应），即温度t 到达设定值2t ，滞回比较器输出信号F U 使驱动电路复合管截止，继电器J 失电，停止加温。

温度t ↓，t R ↑，使B U ↑，而B A U U -↓。

经测量放大器的放大，E U ↓，当温度下降达2t （与U R 对应），即温度t 下降低于设定值2t ，滞回比较器输出信号F
U
使驱动电路复合管导通，继电器J 得电，进行加温。

3. 温度控制器的组装与调试 ⑴ 组装与调试目的 ① 学会使用测量放大器；
② 学会用基本电路组成实用电路的方法；
③ 学会系统的测量与调试。

⑵ 组装、调试设备与器材
LM324一片，稳压管2DW7一只，三极管9013、8050各1只，负温度系数热敏电阻1只，电阻、电容、电位器若干，±12V 、+1V 直流稳压电源1台，万用表1块，数字式温度计1只，双踪示波器1台。

⑶ 组装与调试步骤
① 按图3-7连接线路，2W 的电阻R 16靠近Rt ，检查无误后，接通电源。

② 调试重点观察E U 、F U 取何值，能使电路正常工作。

③ 标定温度范围。

设控制温度范围为t 1～t 2，标定时将热敏电阻置于恒温槽中，使恒温槽温度为t 1，过几分钟后调整Rp 1, 使U C =U D ，标定此时Rp 1的位置为t 1。

同理可标定温度为t 2的位置。

根据控温精度要求，可在t 1～t 2之间作若干点，在Rp 1上标注相应的温度刻度即可。

④ 电压放大倍数测量。

令B 点接地，0=B
U ，
由式（3-2）可知A
g
C U
R R U 1-=，
得
g
A
C R R U
U 1-
=，由式（3-4）得A
C g
V
U
U R R A 2
1211-=+
=。

另用电位器分压得到-30mV 电
压，接入A 点，测量C 点电位，由mV
U U
U A C A
C V 302
12
1+=-=，计算出放大器的电压
放大倍数。

⑤ 滞回特性测量。

调节A 点电位，使之从-0.5V 到+0.5V 范围内缓慢变化，用示波器观察E 点的电位变化，记录使E 点电位发生正负跳变的值，并绘制滞回特性曲线。

⑥ 连接电路构成闭环控温系统，测试温度分别为t 1′、t 2′、t 3′时升温和降温的时间。

⑷ 参考测量数据
表3-2。