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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Aquecedor para caixas de câmeras de televisão. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Reguladores de potência, termômetros, estabilizadores de calor As câmeras de sistemas de televisão especializados geralmente operam em ambientes externos e, portanto, requerem proteção contra influências climáticas. Por esse motivo, na maioria das vezes são colocados dentro de caixas lacradas. A maioria das câmeras de televisão (TCs) tem uma faixa de temperatura operacional de -20...+55°C, portanto as caixas devem ser equipadas com aquecedores que ligam quando a temperatura ambiente cai abaixo de 0°C. Infelizmente, caixas certificadas com dispositivos de aquecimento e controle bastante confiáveis são caras. Os baratos não são confiáveis. Como resultado, a tarefa de criar aquecedores baratos e confiáveis continua muito relevante. Uma descrição de um desses dispositivos é fornecida abaixo. O dispositivo foi projetado para operar dentro de caixas lacradas com volume de 2 a 10 dm3, que não possuem isolamento térmico especial, no clima de latitude média da Rússia. É um aquecedor que liga quando a temperatura na caixa diminui e garante que esta se mantenha num determinado nível com um erro (tendo em conta a sua distribuição não uniforme dentro do volume controlado) não superior a 1...3 °C. O aquecedor opera com base no princípio do controle de temperatura limite. Seu circuito elétrico é mostrado na Fig. 1. A fonte primária de tensão não estabilizada Upit = 20 V serve para alimentar apenas o aquecedor e o estabilizador no chip DA1. O dispositivo de controle do TC é alimentado por uma tensão estabilizada Upit.stabil = 12 V, gerada na saída DA1.
Deve-se notar que a instabilidade térmica da tensão de saída dos estabilizadores integrados de três terminais é maior do que a de outros tipos de estabilizadores. Essa instabilidade também se manifesta durante o autoaquecimento do microcircuito KR142EN8D pela corrente que flui através dele. TCs de diferentes tipos consomem uma corrente de 0,1...0,2 A, portanto o estabilizador DA1 teve que ser equipado com um dissipador de calor montado com área de cerca de 30 cm2. A presença de instabilidade de temperatura da tensão Upit.stab deve ser levada em consideração ao escolher o circuito limite do dispositivo de controle do aquecedor. O conversor temperatura-tensão é projetado como um divisor de tensão usando resistores R1, R2 e termistor R4. O divisor é carregado na resistência de entrada do elemento lógico DD1.1, que é de cerca de 1012 Ohms, portanto a corrente de operação do termistor R4, igual a aproximadamente 0,5 mA, não depende da carga do divisor. As funções do dispositivo de limite são executadas pelo elemento DD1.1 do microcircuito DD1, que compara a queda de tensão no termistor R4 com o nível de tensão de entrada Uthr2, no qual o próprio DD1.1 é acionado. Para dois tipos de elementos lógicos, os valores de Uthr podem ser determinados a partir das características de transferência estática apresentadas na Fig. 2, a. As tensões Uthr estão localizadas nas áreas das características que estão localizadas entre os níveis de tensão mínima da unidade lógica U1min e a tensão máxima do zero lógico U0max. Os intervalos das tensões limite de entrada dos elementos lógicos correspondentes a estas seções são relativamente pequenos, portanto podemos assumir aproximadamente que Uthr corresponde ao meio deste intervalo, ou seja, Uthr=0,5Usupply.stabil. Esta aproximação permite determinar Uthr com um erro da ordem de dezenas de milivolts.
Devido à instabilidade de temperatura da tensão Upit.stabil. na faixa de temperatura operacional do TC, é importante que a relação entre o valor do elemento Uthreshold e a queda de tensão em R4, igual a R4Usupplyst./(R1+R2+R4), permaneça inalterada. Os elementos lógicos da série CMOS atendem bem a esse requisito, como mostrado na Fig. 2, b. As dependências mostradas nele mostram que a relação Uou/Usupply.st.=0,5 é mantida em toda a faixa de tensões de alimentação aceitáveis para elementos lógicos dos microcircuitos da série K176. Como as entradas do DD1.1 são afetadas pela queda de tensão no termistor R4, que muda lentamente após as mudanças na temperatura, o elemento DD1.1 permanece no modo ativo por um longo tempo, amplificando tanto o sinal útil quanto o ruído. Para suprimir interferências, filtros passa-baixa são incluídos na entrada e saída de DD1.1 - R1R2R4C1 e R3C2, respectivamente. Os elementos DD1.2, DD1.3 e DD1.4 amplificam e formam adicionalmente o sinal útil que chega até eles da saída do filtro R3C2. O sinal de saída do elemento DD1.2 controla a fonte de tensão de referência, que é um estabilizador paramétrico feito em um diodo zener VD1 e um LED HL1. Uma característica distintiva de tal fonte é a ausência de um resistor de lastro e é alimentada diretamente pelo saída do elemento DD1.2. Isso é possível devido às resistências de saída relativamente grandes dos transistores CMOS nos elementos dos microcircuitos da série K176. O estabilizador paramétrico é alimentado por um transistor com canal tipo p. As características corrente-tensão de saída deste transistor para elementos lógicos do microcircuito K176LA7 são mostradas na Fig. 3. A área de trabalho dessas características é limitada pela hipérbole da dissipação de potência permitida do microcircuito K176LA7 (Pmax). Nas características: |U| é a queda de tensão no transistor do canal e In é a corrente que flui através dele. Como a queda de tensão no diodo zener VD1 e no LED HL1 é de aproximadamente 7 V, para Upit.stab = 12 V a posição do ponto de operação do transistor corresponde a |U| = 5 V e In = 10 mA. Neste caso, a resistência de saída do elemento lógico será de aproximadamente 1 kOhm, e o transistor do canal p será um limitador de corrente para os diodos VD1 e HL1. A própria tensão de referência é formada no motor do resistor variável R5.
O aquecedor é uma fonte de corrente montada nos transistores VT1, VT2, resistor R7 e resistores de lastro R8, R9 conectados de acordo com o circuito Sziklai. Ao ajustar a tensão de referência, a corrente de coletor do transistor VT2 pode variar de zero a 1 A, e a potência por ele dissipada pode chegar a 18 W. Para garantir a operação confiável do aquecedor sob tais condições, é importante estabilizar a corrente do coletor do transistor VT2 a uma temperatura de aproximadamente +80°C. Isso foi conseguido usando as seguintes soluções de circuito e design. Para reduzir a instabilidade da corrente do coletor devido a mudanças na queda de tensão na junção base-emissor quando o transistor é aquecido, ele é equipado com um dissipador de calor, cuja área superficial é escolhida de forma que ao operar neste caixa com uma corrente de coletor de 1 A, o transistor VT2 não superaquece acima de +80 ° C. Agora vamos falar sobre o funcionamento do aquecedor. Deixe no estado inicial a temperatura na caixa ser superior à temperatura do ar ambiente e à temperatura limite especificada pelo resistor de ajuste R2. Neste caso, a resistência do termistor R4 é pequena e a queda de tensão nele é menor que Uthrust. Neste caso, há um nível lógico baixo na saída do elemento DD1.2 e nenhuma corrente flui pelo aquecedor. Com o tempo, a temperatura na caixa começará a diminuir devido ao seu resfriamento. A resistência do termistor R4 e a queda de tensão nele começarão a aumentar e, quando a tensão atingir o nível Uthr, uma frente plana de tensão de baixo nível se formará na saída de DD1.1. Durante a formação desta frente, os estados das saídas dos elementos lógicos DD1.2, DD1.3, DD1.4 serão alterados, com o que o dispositivo de controle do aquecedor será comutado. Na saída do elemento DD1.2, será definida uma tensão correspondente à tensão de estabilização VD1 e à queda de tensão no LED HL1, e uma determinada corrente fluirá através do transistor VT2. O dissipador de calor VT2 aquecerá o ar na caixa. A temperatura do termistor R4 começará a subir e a tensão nele começará a diminuir. Quando a igualdade aproximada da queda de tensão no termistor R4 e a tensão Uthr for alcançada novamente, o dispositivo de controle mudará para seu estado original e a corrente através do transistor VT2 irá parar novamente. Estas comutações são repetidas em intervalos, cuja duração é determinada pelas características de transferência de calor da caixa. Neste caso, a temperatura do ar na caixa mudará próximo ao valor especificado pela posição do controle deslizante do resistor R2. As principais unidades funcionais do dispositivo descrito estão localizadas em uma placa de circuito impresso (Fig. 4). O transistor VT2 está localizado fora da placa. Para garantir o aquecimento de todo o volume da caixa, o transistor VT2 e o termistor R4 devem ser separados tanto quanto possível. O aquecedor envolve a utilização dos seguintes elementos: transistores VT1, VT2 em caixa plástica, microcircuitos K176LE5 ou K176LA7 (DD1) e KR142EN8D em caixa plástica (DA1), resistores R1, R3, R6 - R9 - MLT, S2-33, MT ou seus análogos, R2, R5 - SP5-2, R4 - MMT com valor nominal de 8...12 kOhm, capacitores C1-C3 - KM de qualquer grupo.
A colocação do aquecedor dentro da caixa TC é mostrada na Fig. 5. O transistor VT2 é instalado em um dissipador de calor de liga de alumínio com dimensões de 120x70x3 mm. Ele é preso ao espaçador de mica com uma luva fluoroplástica que isola o parafuso de montagem e, portanto, não tem contato elétrico com o dissipador de calor. Por sua vez, o dissipador de calor não possui fixadores metálicos que o conectem diretamente ao corpo da caixa. Na borda do dissipador voltada para a janela da caixa, existem duas fileiras de orifícios que melhoram a circulação do ar. Para garantir que os elementos geradores de calor DA1, R8, R9 afetem o mínimo possível o termistor R4, ele é elevado acima da placa a uma altura de 10...15 mm.
O ajuste do modo de funcionamento consiste em manter a caixa aberta a uma temperatura igual ao limite de comutação desejado, na ausência de corrente no aquecedor durante 20...30 minutos. Evite entrar umidade dentro da caixa. Definida a temperatura desejada nele, é necessário utilizar o resistor de ajuste R2 para fazer o LED HL1 brilhar, interrompendo a regulação quando a tensão no termistor R4 for igual à tensão Upor. Autor: G.Pilko, Kiev, Ucrânia
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