Камери спеціалізованих телевізійних систем працюють зазвичай на відкритому повітрі, а тому вимагають захисту від кліматичних впливів. З цієї причини найчастіше їх розміщають усередині герметичних боксів. У більшості телевізійних камер (ТК) інтервал робочих температур становить від -20...+55°С, тому бокси доводиться забезпечувати підігрівачами, які включаються при зниженні температури навколишнього повітря нижче 0°С. На жаль, сертифіковані бокси з досить надійними пристроями нагріву і управління дороги. Дешеві ж дуже ненадійні. В результаті завдання створення недорогих і надійних підігрівачів залишається дуже актуальною. Опис одного з таких приладів пропонується нижче.
Пристрій розрахований на роботу всередині герметичних боксів обсягом 2...10 дм3 , не мають спеціальної теплоізоляції, в умовах клімату середніх широт Росії. Воно являє собою підігрівач, який включається при зниженні температури в боксі і забезпечує підтримання її на певному рівні з похибкою (з урахуванням неоднорідного розподілу межах контрольованого обсягу) не більше 1...3°С.
Працює підігрівач за принципом порогового регулювання температури. Його електрична схема представлена на рис. 1. Первинний нестабілізованим джерело напругою u піт=20 В слугує для живлення тільки нагрівача і стабілізатора на мікросхемі DA1. Пристрій керування ТК харчується стабілізованою напругою u піт.стаб=12 В, формується на виході DA1.
Слід зазначити, що температурна нестабільність вихідної напруги в трехвыводных інтегральних стабілізаторів більше, ніж у інших стабілізаторів типів. Ця нестабільність проявляється і при саморазогреве мікросхеми КР142ЕН8Д протікає через неї струмом.
ТК різних типів споживають струм 0,1...0,2 А, тому стабілізатор DA1 довелося забезпечити навісним тепловідводом площею близько 30 см2. Наявність температурної нестабільності напруги u піт.стаб необхідно враховувати при виборі порогової схеми пристрою керування нагрівачем.
Перетворювач температура - напруга виконаний у вигляді дільника напруги на резисторах R1, R2 і терморезисторе R4. Дільник навантажений на вхідний опір логічного елемента DD1.1, становить близько 1012 Ом, тому робочий струм терморезистора R4, рівний приблизно 0,5 мА, не залежить від навантаження дільника.
Функції порогового пристрою виконує елемент DD1.1 мікросхеми DD1, здійснює порівняння падіння напруги на терморезисторе R4 з рівнем вхідної напруги Uпор2, при якому спрацьовує сам DD1.1. Для двох типів логічних елементів величини Uпор можуть бути визначені за статичним передавальними характеристиками, представленими на рис. 2,а. Напруги Uпор знаходяться на ділянках характеристик, які укладені між рівнями мінімального напруги логічної одиниці U1мин і максимальної напруги логічного нуля U0макс. Відповідні цим ділянкам інтервали вхідних порогові напруги логічних елементів відносно малі, тому можна наближено вважати, що Uпор відповідає середині цього інтервалу, тобто Uпор=0,5 Uжив.стаб. Таке наближення дозволяє визначити Uпор з похибкою порядку десятків мілівольт.
Внаслідок температурної нестабільності напруги u піт.стаб. в інтервалі робочих температур ТК важливо, щоб відношення величини Uпор порогового елемента до падіння напруги на R4, рівному R4Uпит.стаб./(R1+R2+R4), зберігалося незмінним. Логічні елементи серій КМОН добре відповідають цій вимозі, що демонструє рис. 2,б. Наведені на ньому залежності показують, що співвідношення Uпор/Uжив.стаб.=0,5 зберігається у всьому інтервалі напруг харчування, допустимих для логічних елементів мікросхем серії К176.
Оскільки на входи DD1.1 діє повільно змінюється слідом за змінами температури падіння напруги на терморезисторе R4, елемент DD1.1 довгостроково перебуває в активному режимі, посилюючи як корисний сигнал, так і перешкоди. Для придушення перешкод на вході і виході DD1.1 включені ФНЧ - R1R2R4C1 і R3C2 відповідно. Елементи DD1.2, DD1.3 і DD1.4 додатково підсилюють і формують корисний сигнал, що поступає на них з виходу фільтра R3C2.
Вихідний сигнал елемента DD1.2 управляє джерелом опорного напруги, який являє собою параметричний стабілізатор, виконаний на стабілітроні VD1 і світлодіоді HL1.Відмітна особливість такого джерела - відсутність баластного резистора і харчування його безпосередньо з виходу елемента DD1.2. Це можливо внаслідок відносно великих величин вихідних опорів КМОП-транзисторів в елементах мікросхеми серії К176. Живиться параметричний стабілізатор через транзистор з каналом типа p. Вихідні вольт-амперні характеристики цього транзистора для логічних елементів зі складу мікросхеми К176ЛА7 наведено на рис. 3. Робочий ділянку цих характеристик обмежений гіперболою допустимої потужності розсіювання мікросхеми К176ЛА7 (Рмакс). На характеристики: |U| - падіння напруги на рканальном транзисторі, а Ін - струм, протікає через нього. Оскільки падіння напруги на стабілітроні VD1 і світлодіоді HL1 становить приблизно 7, для Uжив.стаб=12 В положення робочої точки транзистора відповідає |U|=5 В і Ін=10 мА. При цьому вихідна опір логічного елемента складе приблизно 1 кОм, а р-канальний транзистор буде для діодів VD1 і HL1 обмежувачем струму. Саме опорне напруга формується на движку змінного резистора R5.
Нагрівач являє собою джерело струму, зібраний на включених за схемою Шиклаї транзисторах VT1, VT2, резисторі R7 і баластних резистора R8, R9. При регулюванню опорного напруги величина струму колектора транзистора VT2 може змінюватися від нуля до 1 А, а розсіюється їм потужність досягати 18 Вт. Щоб забезпечити надійну роботу нагрівача в таких умовах, важлива стабілізація струму колектора транзистора VT2 до температури, приблизно, +80°С. Це досягнуто з допомогою наступних схемних і конструктивних рішень.
Для зменшення нестабільності колекторного струму із-за змін падіння напруги на переході база - емітер при нагріванні транзистора він забезпечений тепловідводом, площа поверхні якого обрана такою, щоб при роботі в цьому боксі при струмі колектора 1 А транзистор VT2 не перегрівався вище +80°С.
Тепер поговоримо про роботу підігрівника. Нехай у вихідному стані температура в боксі вище температури навколишнього повітря і порогової температури, заданої регулювальним резистором R2. При цьому опір терморезистора R4 мало, а падіння напруги на ньому менше, ніж Uпор. В цьому випадку на виході елемента DD1.2 присутній низький логічний рівень і струм через нагрівач не тече. З часом температура в боксі внаслідок його охолодження стане зменшуватися. Опір терморезистора R4 і падіння напруги на ньому почнуть рости і, коли напруга досягне рівня Uпор, на виході DD1.1 формуватиметься пологий фронт напруги низького рівня. В процесі формування цього фронту зміняться стану виходів логічних елементів DD1.2, DD1.3, DD1.4, внаслідок чого відбудеться перемикання пристрою керування нагрівачем. На виході елемента DD1.2 встановиться напруга, відповідне напрузі стабілізації VD1 і падіння напруги на світлодіоді HL1, і через транзистор VT2 потече заданий струм.
Тепловідвід VT2 прогріє повітря в боксі. Температура терморезистора R4 почне рости, а напруга на ньому - спадати. При повторному досягненні зразкового рівності падіння напруги на терморезисторе R4 і напруги Uпор пристрій керування переходить в початковий стан, а струм через транзистор VT2 знову припиниться. Ці перемикання повторюються через проміжки часу, тривалості яких визначаються особливостями теплообміну боксу. При цьому температура повітря в боксі буде змінюватися поблизу заданого значення положенням движка резистора R2.
Головні функціональні вузли описаного пристрою розміщені на друкованій платі (рис. 4). Поза плати знаходиться транзистор VT2. Щоб забезпечити прогрівання всього обсягу боксу, транзистор VT2 і терморезистор R4 слід рознести на можливо більшу відстань. Підігрівач передбачає використання наступних елементів: транзисторів VT1, VT2 в пластмасових корпусах, мікросхем або К176ЛЕ5 К176ЛА7 (DD1) і КР142ЕН8Д в пластмасовому корпусі (DA1), резисторів R1, R3, R6 - R9 - МЛТ, С2-33, МТ або їх аналогів, R2, R5 - СП5-2, R4 - ММТ з номіналом 8...12 кОм, конденсаторів С1-C3 - КМ будь-якої групи.
Розміщення підігрівача всередині боксу ТК показано на рис. 5. Транзистор VT2 встановлений на тепловідвід з алюмінієвого сплаву розмірами 120x70x3 мм. Він закріплений на слюдяної прокладки з допомогою фторопластовою втулки, ізолюючої кріпильний гвинт, і тому не має електричного контакту з тепловідводом. В свою чергу, тепловідвід не має металевих кріпильних елементів, безпосередньо присоединяющих його до боксу. На краю тепловідведення, зверненому до вікна боксу, мається два ряди отворів, які покращують циркуляцію повітря. Щоб виділяють тепло елементи DA1, R8, R9 якомога менше впливали на терморезистор R4, він піднятий над платою на висоту 10...15 мм.
Регулювання робочого режиму полягає у витримці відкритого боксу при температурі, рівною бажаного порогу включення, при відсутності струму в нагрівачі протягом 20...30 хв. Слід уникати потрапляння всередину боксу вологи. Встановивши в ньому бажану температуру, регулювальним резистором R2 потрібно домогтися світіння світлодіода HL1, зупинивши регулювання при досягненні рівності напруги на терморезисторе R4 напрузі Uпор.
Автор: Р. Пилько, м. Київ, Україна