利用比例式功率控制实现恒温器控制系统的设计

作者：Richard , Rice

在工业控制和过程控制领域，经常必须准确控制过程温度。可利用“开关”（Bang-Bang）法来控制多数加热元件，即在预定设置点给它们通电或断电。被加热物质的温度始终在设置点附近波动。可利用比例式功率控制来实现高得多的温度精度。借助这种方法，控制器监视温度时，按照比例改变加热器功率，来使温度尽可能接近设置点。PID（比例积分导数）控制环通常可实现这种功能。以线性比例方式改变通往加热元件的交流电，这既不容易，也不简单。

本设计借鉴了Delta-Sigma调制器概念。控制器按照Delta-Sigma调制器确定的方式把AC线路的周期发送给负载。例如，当输入控制电压是满刻度的15%时，100个AC周期中，只有15个到达负载。同样，在85%时，100个周期中，有85个到达（图1）。控制电压输入级IC1A是反相放大器，增益为-1。该级使控制电压范围大于0V。在本例中，控制电压输入范围是0至2V满刻度。控制电压的输入阻抗为100 kΩ。

下一级IC1B是积分器。积分器输出可上升或下降，这取决于输入电流的极性。它的升降速度取决于输入电流的大小。积分器是Delta-Sigma调制器的核心。一般而言，它会强制R4中的控制电压电流和R6中的反馈电流之间保持平衡。换言之，IC3A（是CMOS D型双稳态多谐振荡器）的输出的占空比必须匹配满刻度的控制电压百分比。

比较器IC2A检测积分器的输出是否为正（因此需要更多反馈电流）或负（因此需要较少反馈，以便保持平衡）。比较器的输出在0V和5V之间切换。双稳态多谐振荡器在60Hz时钟的下一个上升沿锁住比较器的结果。

只要双稳态多谐振荡器向积分器提供反馈电流，PNP晶体管Q1和光隔离SCR（光控整流器）IC4就会驱动负载切换SCR1，使之进入导电状态。当负载SCR接通时，指示器LED1点亮。变压器T1的次级检测AC电源线路的零交叉，这些交叉提供60Hz时钟。比较器IC2B的输出在AC线路处于正半周期时切换至高电平，在负半周期时切换至低电平。电阻R15提供很小的正偏置，导致60Hz时钟的边缘略早出现，在此情况下比晚出现更好。如果太晚关断SCR，则它的自锁性可能会导致它在本该关断的另外半个周期处于接通状态。

比较器IC2A和IC2B均使用少量滞后来促进快速纯净的切换。其余元件生成稳定的5V和–5V电源。变压器T1和光隔离器IC4提供针对AC电源线路的隔离。

本设计对于恒温器控制等应用很好用，但对于光线亮度调低或电机速度控制却不好用，这是因为输出功率具有跳动性。可轻松调整该设计，使其工作于240V交流电（50Hz）。