Камеры специализированных телевизионных систем работают обычно на открытом воздухе, а потому требуют защиты от климатических воздействий. По этой причине чаще всего их размещают внутри герметичных боксов. У большинства телевизионных камер (ТК) интервал рабочих температур составляет -20...+55°С, поэтому боксы приходится снабжать подогревателями, которые включаются при снижении температуры окружающего воздуха ниже 0°С. К сожалению, сертифицированные боксы с достаточно надежными устройствами нагрева и управления дороги. Дешевые же весьма ненадежны. В результате задача создания недорогих и надежных подогревателей остается очень актуальной. Описание одного из таких приборов предлагается ниже.
Устройство рассчитано на работу внутри герметичных боксов объемом 2...10 дм3 , не имеющих специальной теплоизоляции, в условиях климата средних широт России. Оно представляет собой подогреватель, который включается при снижении температуры в боксе и обеспечивает поддержание ее на определенном уровне с погрешностью (с учетом неоднородного ее распределения внутри контролируемого объема) не более 1...3°С.
Работает подогреватель по принципу порогового регулирования температуры. Его электрическая схема представлена на рис. 1. Первичный нестабилизированный источник напряжением Uпит=20 В служит для питания только нагревателя и стабилизатора на микросхеме DA1. Устройство управления ТК питается стабилизированным напряжением Uпит.стаб=12 В, формирующимся на выходе DA1.
Следует отметить, что температурная нестабильность выходного напряжения у трехвыводных интегральных стабилизаторов больше, чем у стабилизаторов других типов. Эта нестабильность проявляется и при саморазогреве микросхемы КР142ЕН8Д протекающим через нее током.
ТК разных типов потребляют ток 0,1...0,2 А, поэтому стабилизатор DA1 пришлось снабдить навесным теплоотводом площадью около 30 см2. Наличие температурной нестабильности напряжения Uпит.стаб необходимо учитывать при выборе пороговой схемы устройства управления нагревателем.
Преобразователь температура - напряжение выполнен в виде делителя напряжения на резисторах R1, R2 и терморезисторе R4. Делитель нагружен на входное сопротивление логического элемента DD1.1, составляющее около 1012 Ом, поэтому рабочий ток терморезистора R4, равный примерно 0,5 мА, не зависит от нагрузки делителя.
Функции порогового устройства выполняет элемент DD1.1 микросхемы DD1, осуществляющий сравнение падения напряжения на терморезисторе R4 с уровнем входного напряжения Uпор2, при котором срабатывает сам DD1.1. Для двух типов логических элементов величины Uпор могут быть определены по статическим передаточным характеристикам, представленным на рис. 2,а. Напряжения Uпор находятся на участках характеристик, которые заключены между уровнями минимального напряжения логической единицы U1мин и максимального напряжения логического нуля U0макс. Соответствующие этим участкам интервалы входных пороговых напряжений логических элементов относительно малы, поэтому можно приближенно полагать, что Uпор соответствует середине этого интервала, т. е. Uпор=0,5Uпит.стаб. Такое приближение позволяет определить Uпор с погрешностью порядка десятков милливольт.
Вследствие температурной нестабильности напряжения Uпит.стаб. в интервале рабочих температур ТК важно, чтобы отношение величины Uпор порогового элемента к падению напряжения на R4, равному R4Uпит.стаб./(R1+R2+R4), сохранялось неизменным. Логические элементы серий КМОП хорошо отвечают этому требованию, что демонстрирует рис. 2,б. Приведенные на нем зависимости показывают, что соотношение Uпор/Uпит.стаб.=0,5 сохраняется во всем интервале напряжений питания, допустимых для логических элементов микросхем серии К176.
Поскольку на входы DD1.1 действует медленно изменяющееся вслед за изменениями температуры падение напряжения на терморезисторе R4, элемент DD1.1 длительно пребывает в активном режиме, усиливая как полезный сигнал, так и помехи. Для подавления помех на входе и выходе DD1.1 включены ФНЧ - R1R2R4C1 и R3C2 соответственно. Элементы DD1.2, DD1.3 и DD1.4 дополнительно усиливают и формируют полезный сигнал, поступающий на них с выхода фильтра R3C2.
Выходной сигнал элемента DD1.2 управляет источником опорного напряжения, который представляет собой параметрический стабилизатор, выполненный на стабилитроне VD1 и светодиоде HL1.Отличительная особенность такого источника - отсутствие балластного резистора и питание его непосредственно с выхода элемента DD1.2. Это возможно вследствие относительно больших величин выходных сопротивлений КМОП-транзисторов в элементах микросхем серии К176. Питается параметрический стабилизатор через транзистор с каналом типа p. Выходные вольт-амперные характеристики этого транзистора для логических элементов из состава микросхемы К176ЛА7 приведены на рис. 3. Рабочий участок этих характеристик ограничен гиперболой допустимой мощности рассеяния микросхемы К176ЛА7 (Рмакс). На характеристиках: |U| - падение напряжения на рканальном транзисторе, а Iн - ток, протекающий через него. Поскольку падение напряжения на стабилитроне VD1 и светодиоде HL1 составляет примерно 7 В, для Uпит.стаб=12 В положение рабочей точки транзистора соответствует |U|=5 В и Iн=10 мА. При этом выходное сопротивление логического элемента составит примерно 1 кОм, а р-канальный транзистор будет для диодов VD1 и HL1 ограничителем тока. Само опорное напряжение формируется на движке переменного резистора R5.
Нагреватель представляет собой источник тока, собранный на включенных по схеме Шиклаи транзисторах VT1, VT2, резисторе R7 и балластных резисторах R8, R9. При регулировке опорного напряжения величина тока коллектора транзистора VT2 может изменяться от нуля до 1 А, а рассеиваемая им мощность достигать 18 Вт. Чтобы обеспечить надежную работу нагревателя в таких условиях, важна стабилизация тока коллектора транзистора VT2 до температуры, приблизительно, +80°С. Это достигнуто с помощью следующих схемных и конструктивных решений.
Для уменьшения нестабильности коллекторного тока из-за изменений падения напряжения на переходе база- эмиттер при нагреве транзистора он снабжен теплоотводом, площадь поверхности которого выбрана такой, чтобы при работе в данном боксе при токе коллектора 1 А транзистор VT2 не перегревался выше +80°С.
Теперь поговорим о работе подогревателя. Пусть в исходном состоянии температура в боксе выше температуры окружающего воздуха и пороговой температуры, заданной регулировочным резистором R2. При этом сопротивление терморезистора R4 мало, а падение напряжения на нем меньше, чем Uпор. В этом случае на выходе элемента DD1.2 присутствует низкий логический уровень и ток через нагреватель не течет. Со временем температура в боксе вследствие его охлаждения станет уменьшаться. Сопротивление терморезистора R4 и падение напряжения на нем начнут расти и, когда напряжение достигнет уровня Uпор, на выходе DD1.1 будет формироваться пологий фронт напряжения низкого уровня. В процессе формирования этого фронта изменятся состояния выходов логических элементов DD1.2, DD1.3, DD1.4, вследствие чего произойдет переключение устройства управления нагревателем. На выходе элемента DD1.2 установится напряжение, соответствующее напряжению стабилизации VD1 и падению напряжения на светодиоде HL1, и через транзистор VT2 потечет заданный ток.
Теплоотвод VT2 прогреет воздух в боксе. Температура терморезистора R4 начнет расти, а напряжение на нем - убывать. При повторном достижении примерного равенства падения напряжения на терморезисторе R4 и напряжения Uпор устройство управления переключится в исходное состояние, а ток через транзистор VT2 опять прекратится. Эти переключения повторяются через промежутки времени, длительности которых определяются особенностями теплообмена бокса. При этом температура воздуха в боксе будет изменяться вблизи значения заданного положением движка резистора R2.
Главные функциональные узлы описанного устройства размещены на печатной плате (рис. 4). Вне платы находится транзистор VT2. Чтобы обеспечить прогрев всего объема бокса, транзистор VT2 и терморезистор R4 следует разнести на возможно большее расстояние. Подогреватель предполагает использование следующих элементов: транзисторов VT1, VT2 в пластмассовых корпусах, микросхем К176ЛЕ5 или К176ЛА7 (DD1) и КР142ЕН8Д в пластмассовом корпусе (DA1), резисторов R1, R3, R6 - R9 - МЛТ, С2-33, МТ или их аналогов, R2, R5 - СП5-2, R4 - ММТ с номиналом 8...12 кОм, конденсаторов С1-C3 - КМ любой группы.
Размещение подогревателя внутри бокса ТК показано на рис. 5. Транзистор VT2 установлен на теплоотводе из алюминиевого сплава размерами 120x70x3 мм. Он закреплен на слюдяной прокладке с помощью фторопластовой втулки, изолирующей крепежный винт, и поэтому не имеет электрического контакта с теплоотводом. В свою очередь, теплоотвод не имеет металлических крепежных элементов, непосредственно присоединяющих его к корпусу бокса. На краю теплоотвода, обращенном к окну бокса, имеется два ряда отверстий, которые улучшают циркуляцию воздуха. Чтобы выделяющие тепло элементы DA1, R8, R9 как можно меньше влияли на терморезистор R4, он приподнят над платой на высоту 10...15 мм.
Регулировка рабочего режима состоит в выдержке открытого бокса при температуре, равной желаемому порогу включения, при отсутствии тока в нагревателе в течение 20...30 мин. Следует избегать попадания внутрь бокса влаги. Установив в нем желаемую температуру, регулировочным резистором R2 нужно добиться свечения светодиода HL1, остановив регулирование при достижении равенства напряжения на терморезисторе R4 напряжению Uпор.
Автор: Г.Пилько, г.Киев, Украина