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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Heizung für Fernsehkameraboxen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Leistungsregler, Thermometer, Wärmestabilisatoren Kameras spezialisierter Fernsehsysteme werden meist im Freien betrieben und müssen daher vor klimatischen Einflüssen geschützt werden. Aus diesem Grund werden sie meist in versiegelten Kartons aufbewahrt. Die meisten Fernsehkameras (TCs) haben einen Betriebstemperaturbereich von -20...+55°C, daher müssen die Boxen mit Heizungen ausgestattet sein, die sich einschalten, wenn die Umgebungstemperatur unter 0°C sinkt. Leider sind zertifizierte Boxen mit recht zuverlässigen Heiz- und Steuergeräten teuer. Billige sind sehr unzuverlässig. Daher bleibt die Aufgabe, kostengünstige und zuverlässige Heizgeräte zu schaffen, sehr dringend. Nachfolgend finden Sie eine Beschreibung eines dieser Geräte. Das Gerät ist für den Betrieb in geschlossenen Boxen mit einem Volumen von 2...10 dm3 ohne besondere Wärmedämmung im Klima der mittleren Breiten Russlands konzipiert. Es handelt sich um eine Heizung, die sich einschaltet, wenn die Temperatur in der Box sinkt, und dafür sorgt, dass sie auf einem bestimmten Niveau mit einem Fehler (unter Berücksichtigung der ungleichmäßigen Verteilung innerhalb des kontrollierten Volumens) von nicht mehr als 1...3 gehalten wird °C. Die Heizung arbeitet nach dem Prinzip der Grenztemperaturregelung. Sein Stromkreis ist in Abb. dargestellt. 1. Die primäre unstabilisierte Spannungsquelle Upit = 20 V dient nur der Stromversorgung der Heizung und des Stabilisators auf dem DA1-Chip. Das TC-Steuergerät wird mit einer stabilisierten Spannung Upit.stabil = 12 V versorgt, die am Ausgang DA1 erzeugt wird.
Es ist zu beachten, dass die Temperaturinstabilität der Ausgangsspannung von integrierten Stabilisatoren mit drei Anschlüssen größer ist als die anderer Arten von Stabilisatoren. Diese Instabilität äußert sich auch bei der Selbsterwärmung des Mikroschaltkreises KR142EN8D durch den durch ihn fließenden Strom. TCs verschiedener Typen verbrauchen einen Strom von 0,1...0,2 A, daher musste der DA1-Stabilisator mit einem montierten Kühlkörper mit einer Fläche von etwa 30 cm2 ausgestattet werden. Das Vorhandensein einer Temperaturinstabilität der Spannung Upit.stab muss bei der Auswahl der Schwellenwertschaltung des Heizungssteuergeräts berücksichtigt werden. Der Temperatur-Spannungswandler ist als Spannungsteiler mit Widerständen R1, R2 und Thermistor R4 ausgeführt. Der Teiler wird auf den Eingangswiderstand des Logikelements DD1.1 geladen, der etwa 1012 Ohm beträgt, sodass der Betriebsstrom des Thermistors R4, der etwa 0,5 mA beträgt, nicht von der Last des Teilers abhängt. Die Funktionen des Schwellenwertgeräts werden vom Element DD1.1 der Mikroschaltung DD1 ausgeführt, das den Spannungsabfall am Thermistor R4 mit dem Eingangsspannungspegel Uthr2 vergleicht, bei dem DD1.1 selbst ausgelöst wird. Für zwei Arten von logischen Elementen können die Werte von Uthr aus den in Abb. dargestellten statischen Übertragungseigenschaften bestimmt werden. 2, a. Die Spannungen Uthr liegen in den Bereichen der Kennlinien, die zwischen den Pegeln der minimalen Spannung der logischen Einheit U1min und der maximalen Spannung der logischen Null U0max liegen. Die Intervalle der Eingangsschwellenspannungen der Logikelemente, die diesen Abschnitten entsprechen, sind relativ klein, sodass wir ungefähr davon ausgehen können, dass Uthr der Mitte dieses Intervalls entspricht, d. h. Uthr=0,5Usupply.stabil. Diese Näherung ermöglicht es, Uthr mit einem Fehler in der Größenordnung von mehreren zehn Millivolt zu bestimmen.
Aufgrund der Temperaturinstabilität der Spannung Upit.stabil. Im Betriebstemperaturbereich des TC ist es wichtig, dass das Verhältnis des Werts von Uthreshold-Element zum Spannungsabfall an R4, gleich R4Usupplyst./(R1+R2+R4), unverändert bleibt. Logikelemente der CMOS-Serie erfüllen diese Anforderung gut, wie in Abb. 2, geb. Die darin dargestellten Abhängigkeiten zeigen, dass das Verhältnis Upor/Usupply.st.=0,5 über den gesamten Bereich der für Logikelemente der Mikroschaltungen der Serie K176 akzeptablen Versorgungsspannungen eingehalten wird. Da die Eingänge von DD1.1 durch den Spannungsabfall am Thermistor R4 beeinflusst werden, der sich bei Temperaturänderungen langsam ändert, bleibt das Element DD1.1 lange Zeit im aktiven Modus und verstärkt sowohl das Nutzsignal als auch das Rauschen. Um Störungen zu unterdrücken, sind am Eingang und Ausgang von DD1.1 - R1R2R4C1 bzw. R3C2 Tiefpassfilter enthalten. Die Elemente DD1.2, DD1.3 und DD1.4 verstärken und formen zusätzlich das Nutzsignal, das ihnen vom Ausgang des Filters R3C2 zukommt. Das Ausgangssignal des Elements DD1.2 steuert die Referenzspannungsquelle, bei der es sich um einen parametrischen Stabilisator handelt, der auf einer Zenerdiode VD1 und einer LED HL1 basiert. Eine Besonderheit einer solchen Quelle ist das Fehlen eines Ballastwiderstands und die direkte Stromversorgung über die Ausgabe des Elements DD1.2. Dies ist aufgrund der relativ großen Ausgangswiderstände der CMOS-Transistoren in den Elementen der Mikroschaltungen der K176-Serie möglich. Der parametrische Stabilisator wird über einen Transistor mit einem p-Kanal mit Strom versorgt. Die Ausgangsstrom-Spannungs-Kennlinien dieses Transistors für Logikelemente aus der Mikroschaltung K176LA7 sind in Abb. dargestellt. 3. Der Arbeitsbereich dieser Kennlinien wird durch die Hyperbel der zulässigen Verlustleistung der Mikroschaltung K176LA7 (Pmax) begrenzt. Zu den Merkmalen: |U| ist der Spannungsabfall am Kanaltransistor und In ist der durch ihn fließende Strom. Da der Spannungsabfall über der Zenerdiode VD1 und der LED HL1 ca. 7 V beträgt, entspricht für Upit.stab = 12 V die Lage des Transistorarbeitspunktes |U| = 5 V und In = 10 mA. In diesem Fall beträgt der Ausgangswiderstand des Logikelements etwa 1 kOhm und der p-Kanal-Transistor fungiert als Strombegrenzer für die Dioden VD1 und HL1. Die Referenzspannung selbst wird am Motor des variablen Widerstands R5 gebildet.
Die Heizung ist eine Stromquelle, die aus den Transistoren VT1, VT2, dem Widerstand R7 und den Ballastwiderständen R8, R9 besteht, die gemäß der Sziklai-Schaltung verbunden sind. Beim Anpassen der Referenzspannung kann der Kollektorstrom des Transistors VT2 von Null bis 1 A variieren und die von ihm verbrauchte Leistung kann 18 W erreichen. Um unter solchen Bedingungen einen zuverlässigen Betrieb des Heizgeräts zu gewährleisten, ist es wichtig, den Kollektorstrom des Transistors VT2 auf eine Temperatur von etwa +80 °C zu stabilisieren. Dies wurde mit den folgenden Schaltungs- und Designlösungen erreicht. Um die Instabilität des Kollektorstroms aufgrund von Änderungen des Spannungsabfalls am Basis-Emitter-Übergang beim Erhitzen des Transistors zu verringern, ist dieser mit einem Kühlkörper ausgestattet, dessen Oberfläche so gewählt ist, dass beim Betrieb in diesem Box bei einem Kollektorstrom von 1 A überhitzt der Transistor VT2 nicht über +80 °C. Lassen Sie uns nun über den Betrieb der Heizung sprechen. Im Ausgangszustand soll die Temperatur in der Box höher sein als die Umgebungslufttemperatur und die durch den Einstellwiderstand R2 vorgegebene Schwellentemperatur. In diesem Fall ist der Widerstand des Thermistors R4 klein und der Spannungsabfall an ihm ist geringer als Uthrust. In diesem Fall liegt am Ausgang des Elements DD1.2 ein niedriger Logikpegel an und es fließt kein Strom durch die Heizung. Mit der Zeit beginnt die Temperatur in der Box aufgrund der Abkühlung zu sinken. Der Widerstand des Thermistors R4 und der Spannungsabfall an ihm beginnen zu steigen, und wenn die Spannung den Pegel Uthr erreicht, bildet sich am Ausgang von DD1.1 eine flache Spannungsfront mit niedrigem Pegel. Während der Bildung dieser Front ändern sich die Zustände der Ausgänge der Logikelemente DD1.2, DD1.3, DD1.4, wodurch das Heizungssteuergerät schaltet. Am Ausgang des Elements DD1.2 wird eine Spannung eingestellt, die der Stabilisierungsspannung VD1 und dem Spannungsabfall an der LED HL1 entspricht, und ein bestimmter Strom fließt durch den Transistor VT2. Der Kühlkörper VT2 erwärmt die Luft in der Box. Die Temperatur des Thermistors R4 beginnt zu steigen und die Spannung an ihm beginnt zu sinken. Wenn die ungefähre Gleichheit des Spannungsabfalls am Thermistor R4 und der Spannung Uthr wieder erreicht ist, schaltet das Steuergerät in seinen ursprünglichen Zustand und der Strom durch den Transistor VT2 stoppt wieder. Diese Schaltvorgänge werden in Abständen wiederholt, deren Dauer durch die Wärmeübertragungseigenschaften des Kastens bestimmt wird. In diesem Fall ändert sich die Lufttemperatur im Kasten um den Wert, der durch die Position des Schiebereglers des Widerstands R2 vorgegeben wird. Die Hauptfunktionseinheiten des beschriebenen Geräts befinden sich auf einer Leiterplatte (Abb. 4). Der Transistor VT2 befindet sich außerhalb der Platine. Um eine Erwärmung des gesamten Kastenvolumens zu gewährleisten, sollten Transistor VT2 und Thermistor R4 möglichst getrennt sein. Die Heizung beinhaltet die Verwendung der folgenden Elemente: Transistoren VT1, VT2 in Kunststoffgehäusen, Mikroschaltungen K176LE5 oder K176LA7 (DD1) und KR142EN8D in einem Kunststoffgehäuse (DA1), Widerstände R1, R3, R6 - R9 - MLT, S2-33, MT oder ihre Analoga, R2, R5 - SP5-2, R4 - MMT mit einem Nennwert von 8...12 kOhm, Kondensatoren C1-C3 - KM jeder Gruppe.
Die Platzierung der Heizung innerhalb der TC-Box ist in Abb. dargestellt. 5. Der Transistor VT2 ist auf einem Kühlkörper aus Aluminiumlegierung mit den Abmessungen 120 x 70 x 3 mm installiert. Es wird mit einer Fluorkunststoffhülse am Glimmer-Abstandshalter befestigt, die die Befestigungsschraube isoliert und daher keinen elektrischen Kontakt mit dem Kühlkörper hat. Der Kühlkörper verfügt wiederum nicht über Metallbefestigungen, die ihn direkt mit dem Gehäusekörper verbinden. An der dem Kastenfenster zugewandten Kante des Kühlkörpers befinden sich zwei Lochreihen, die die Luftzirkulation verbessern. Damit die wärmeerzeugenden Elemente DA1, R8, R9 den Thermistor R4 möglichst wenig beeinflussen, wird dieser auf eine Höhe von 10...15 mm über die Platine angehoben.
Die Einstellung des Betriebsmodus besteht darin, die geöffnete Box 20 bis 30 Minuten lang auf einer Temperatur zu halten, die der gewünschten Schaltschwelle entspricht, ohne dass der Strom im Heizgerät fließt. Vermeiden Sie, dass Feuchtigkeit in den Karton gelangt. Nachdem Sie darin die gewünschte Temperatur eingestellt haben, müssen Sie den Einstellwiderstand R2 verwenden, um die HL1-LED zum Leuchten zu bringen und die Regelung zu stoppen, wenn die Spannung am Thermistor R4 gleich der Spannung Upor ist. Autor: G.Pilko, Kiew, Ukraine
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