Termometr elektroniczny

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Płytki wielofunkcyjne
Aplikacje układów
LM3914/5/6
część 4
W drugim numerze Elektroniki dla
Wszystkich przedstawiliśmy płytkę
drukowaną PW−02, na której można
zmontować jeden z wielu
interesujących układów. Wspólną
cechą wszystkich urządzeń
montowanych na tej płytce jest
obecność kostki sterującej z rodziny
LM3914, 3915 lub 3916 oraz linijki
świetlnej zbudowanej z dziesięciu
diod LED.
Termometr elektroniczny
·
możliwość dobrania zakresu mierzonych temperatur od −20°C do +125°C
·
dziesięciopunktowy wyświetlacz LED
·
prosta kalibracja
Układy budowane na płytkach wielo−
funkcyjnych mają walor poznawczy, po−
kazują bowiem rozmaite sposoby wyko−
rzystania tego samego układu scalo−
nego, a oprócz tego niewątpliwie są przy−
datne w praktyce. Dotychczas opisaliśmy
monitor stanu akumulatora samochodo−
wego i wskaźnik wysterowania audio oraz
miernik natężenia dźwięku. Dziś prezen−
tujemy termometr elektroniczny.
Ponieważ płytka PW−02 przeznaczona
jest do zmontowania wielu różnych ukła−
dów, więc przewidziano na niej miejsce
dla licznych elementów, z których tylko
niektóre są montowane w danym przy−
padku. Fotografie, rysunki i schematy
w artykule przedstawiają tylko te podze−
społy, które mają być zamontowane.
Z tego powodu numeracja użytych
elementów nie jest ciągła, ale za to
montaż jest wręcz dziecinnie prosty.
Przed zapoznaniem się z treścią artykułu
warto powrócić do materiału w EdW 2/96,
gdzie podano opis płytki i zwięzłe omówie−
nie podstawowych właściwości kostek
LM3914...3916. Podane tam wiadomoś−
ci mogą się okazać niezbędne do zrozu−
mienia działania przedstawionego dziś
układu.
Termometr elektroniczny
W wielu termometrach wykorzystuje
się zależność napięcia przewodzenia dio−
dy krzemowej od temperatury. Przy sta−
łym prądzie diody, napięcie przewodze−
nia zmniejsza się ze wzrostem tempera−
tury prawie liniowo, ze współczynnikiem
około 2...2,2mV na stopień Celsjusza.
W praktycznych układach zamiast diod,
w roli czujników pomiarowych używa się
odpowiednio połączonych tranzystorów
− wtedy liniowość wskazań jest lepsza.
Czujniki takie pracują przy prądzie prze−
wodzenia rzędu 0,1...1mA.
Elementy krzemowe − tranzystor lub
dioda − mogą śmiało pracować w zakre−
sie temperatur −20...+125
o
C
.
Zaletą takich czujników półprzewodni−
kowych jest znikomy koszt, stosunkowo
duża czułość i zadowalająca liniowość
przetwarzania temperatury na napięcie.
Istotną wadą jest natomiast fakt, że po−
szczególne egzemplarze diod czy tran−
zystorów mają znaczny rozrzut napięcia
przewodzenia, co oznacza konieczność
indywidualnego skalowania każdego
czujnika, a także konieczność ponownej
Rys. 1. Schemat ideowy termometru.
16
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/96
Płytki wielofunkcyjne
rysunku 1 jest ter−
mometrem elektronicznym z wyświetla−
czem składającym się z linijki 10 diod
LED. W przedstawionej wersji dzięki za−
stosowaniu wzmacniacza operacyjnego
zakres mierzonych temperatur można
dobrać stosownie do potrzeb. Na przy−
kład układ może wskazywać temperatu−
rę płynu w chłodnicy samochodu, tem−
peraturę wody w instalacji centralnego
ogrzewania, temperaturę wody w akwa−
rium, czy wreszcie pracować jako ostrze−
gacz przed gołoledzią lub przymrozkami.
Nadaje się też, choć nie zapewnia za−
dowalającej rozdzielczości, jako termo−
metr domowy.
Opis układu
Czujnik temperatury, czyli dołączona
równolegle do kondensatora dioda Dx
(lub tranzystor Tx), pracuje przy prądzie
wyznaczonym przez rezystancję R14.
Prąd ten wynosi około 1mA. Kondensa−
tor C4 tłumi ewentualne zakłócenia po−
wstające w przewodach połączenio−
wych czujnika. Napięcie na diodzie,
zmieniające się pod wpływem zmian
temperatury, jest podawane na wzmac−
niacz z układem U2. Wzmocnienie
wzmacniacza jest wyznaczone stosun−
kiem rezystancji R7 do R13. Wzmocnio−
ne napięcie podawane jest na wejście
wskaźnika, czyli nóżkę 5 kostki U1.
W roli wskaźnika zastosowano “linio−
wą” kostkę LM3914, pracującą w trybie
punktowym (nóżka 9 niepodłączona).
Szczegółowe dane o kostce i możliwych
trybach pracy zawarte są w EdW 2/96 na
stronie 11.
Zakres wskazań, czyli wskazywaną
temperaturę maksymalną i minimalną
określają napięcia na końcach wewnętrz−
nego napięcia odniesienia, czyli na nóż−
kach 6 i 4. W kostce wskaźnika − U1 −
nóżka 4 jest połączona z nóżką 8, a także
z wejściem nieodwracającym wzmacnia−
cza (n. 3 U2). Jest to ważny obwód − na−
pięcie na tych nóżkach wyznacza dolną
granicę mierzonych temperatur. Jeśli na
diodzie pomiarowej Dx, napięcie będzie
równe napięciu na nóżce 3 kostki U2, to
napięcie na wyjściu wzmacniacza U2
także będzie równe temu napięciu. Z za−
sady działania kostki U1 wiadomo, że
jeśli napięcie na wejściu (n. 5) jest równe
napięciu na dolnym końcu dzielnika na−
pięcia, czyli na nóżce 4, wtedy zaczyna
świecić się dioda D1. Tymczasem napię−
cie na nóżkach 4 i 8 kostki U1 jest wy−
znaczone wartością potencjometru PR1.
Można więc powiedzieć, że potencjo−
metrem PR1 ustala się dolną granicę
mierzonych temperatur.
Przy wzroście temperatury napięcie
przewodzenia diody pomiarowej Dx
zmniejsza się. Ponieważ kostka U2 pra−
cuje jako wzmacniacz odwracający, na−
pięcie na jego wyjściu będzie w takiej
sytuacji rosnąć. Spowoduje to zaświeca−
nie kolejnych diod D2...D10.
Górna granica zakresu mierzonych
temperatur jest zależna zarówno od
wzmocnienia wzmacniacza (większe
wzmocnienie − mniejszy zakres pomia−
ru), jak i ustawienia potencjometru PR2.
W sumie wzmocnienie wzmacniacza
zgrubnie wyznacza potrzebny zakres po−
miaru, a dokładną kalibrację zapewnia
potencjometr PR2. Dzięki temu w obwo−
dzie sprzężenia zwrotnego wzmacniacza
nie trzeba precyzyjnie dobierać rezysto−
rów − można zastosować typowe nomi−
nały z szeregu produkcyjnego.
W praktyce, żeby uzyskać potrzebny
w danym zastosowaniu zakres mierzo−
nych temperatur, konieczna może się
okazać zmiana wartości rezystora R7.
Ponieważ wzmacniacz operacyjny
musi pracować przy napięciach zbliżo−
nych do ujemnego napięcia zasilającego,
nie można tu zastosować popularnej
kostki 741. Stopnie wejściowe tego
wzmacniacza zbudowane są z tranzysto−
rów NPN i do ich poprawnej pracy napię−
cie na obu wejściach musi być przynajm−
niej o dwa wolty wyższe od ujemnego
napięcia zasilającego. Spośród łatwo do−
Rys. 2.
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/96
17
kalibracji po zmianie czujnika. Mimo tej
wady proste czujniki diodowe są często
stosowane w praktyce − przecież i tak
każdy termometr musi być skalowany.
Układ pokazany na rysunku 1
rysunku 1
Płytki wielofunkcyjne
stępnych pojedynczych wzmacniaczy
operacyjnych, wybrano kostkę ICL7611,
wykonaną w technologii CMOS, która
radzi sobie przy napięciach wejściowych
wyższych od ujemnego napięcia zasilają−
cego mniej niż o 1V.
Montaż i kalibracja
Układ termometru można zmontować
na płytce PW−02 w sposób pokazany na
rys. 2
ciepłej wody, poczekać aż lód się rozpuś−
ci i dotąd dolewać ciepłej wody, aż tem−
peratura płynu osiągnie +10
o
C. W takiej
temperaturze należy wyregulować PR2.
Przy wykorzystaniu układu w roli mo−
nitora temperatury silnika samochodo−
wego należy przyjąć dolną granicę wska−
zań około +40
o
C i w tej temperaturze
ustawić PR1 na granicy świecenia diody
D1. Następnie po umieszczeniu czujnika
we wrzącej wodzie należy potencjomet−
rem PR2 ustawić wskazanie, aby świeci−
ły jednocześnie diody D7 i D8 (a nie D9
i D10). Trzeba bowiem pamiętać, że
w silniku, znajdujący się pod ciśnieniem
płyn chłodzący (nawet zwykła woda), bę−
dzie wrzał w temperaturze znacznie wy−
ższej niż +100
o
C.
Możliwości zmian
W układzie zamiast diody pomiarowej
Dx, można zastosować scalony czujnik
temperatury LM335 (ale nie LM35), któ−
rego napięcie jest proporcjonalne do
temperatury absolutnej wyrażonej w kel−
winach. Bliższe dane czujnika LM335 po−
dane są w ramce. Przykładowo, ponie−
waż +27
o
C to 300 kelwinów, w tej tem−
peraturze czujnik LM335 da napięcie
równe 10mV x 300K = 3V.
Przy zastosowaniu czujnika LM335
trzeba będzie zwiększyć napięcie na koń−
cówkach REFA i RLO kostki U1 przez
zwiększenie rezystancji PR1 do 4,7k
W
.
Wszystko wskazuje, że w takich warun−
kach będzie już można zastosować stan−
dardowy wzmacniacz 741.
Podobnie w roli czujnika można zasto−
sować znany już z EdW 5/96 (str 11, 13)
element KPY10 lub KPY84. Będzie to
wymagało zwiększenia rezystancji R14
i prawdopodobnie R13.
Zastosowanie kostki LM335 lub czuj−
nika KPY, mających w przeciwieństwie
do diod, dodatni współczynnik tempera−
turowy, spowoduje odwrócenie skali −
WYKAZ ELEMENTÓW
Rezystory
Rezystory
R7,R8: 100k
W
R14,R1: 1,2k
W
R13: 2k
W
PR1: 1k
W
helitrim
PR2: 100k
W
helitrim
Kondensatory
Kondensatory
C9, C1: 47µF/16V
C2: 470nF
C3: 100nF ceramiczny
C4: 100nF
Półprzewodniki
rys. 2. Przed przystąpieniem do montażu
trzeba przeciąć jedną ścieżkę w punkcie
oznaczonym literą U. Na płytce należy
zamontować tylko pokazane elementy.
W miejscy diody D11 trzeba wlutować
zworę. Przewód pomiarowy (najlepiej
ekranowany) należy przylutować od dołu
płytki do nóżek kondensatora C4. Prze−
wody zasilające należy wlutować w ot−
wory przewidziane dla diody D14.
Układ można umieścić w plastikowej
obudowie od cartridge’u.
Zamiast diody pomiarowej Dx, można
zastosować dowolny tranzystor. Szcze−
gólnie godna uwagi jest możliwość za−
stosowania tranzystora PNP dużej mocy.
Taki tranzystor ma kolektor połączony
z obudową, więc można go przykręcić
bezpośrednio do metalowych części po−
łączonych z masą. Zapewniony będzie
wtedy znakomity kontakt termiczny czuj−
nika z mierzonym obiektem. Ma to spore
znaczenie, na przykład przy instalacji
w samochodzie. Właśnie dlatego (choć
wymagało to zastosowania mniej spoty−
kanej i trochę droższej kostki ICL7611)
zastosowano połączenie jednej końców−
ki czujnika z masą. Przy zastosowaniu ta−
kiego tranzystora połączonego bezpo−
średnio z masą, należy zastosować grub−
szy przewód masy (wystarczy ekran kab−
la), nie należy za to stosować drugiego
przewodu łączącego układ z masą, a je−
dynie doprowadzić plus zasilania.
Kalibrację gotowego układu należy
przeprowadzić przy dwóch temperatu−
rach. Najpierw, gdy czujnik ma tempera−
turę równą minimalnej temperaturze za−
kresu, należy ustawić potencjometr PR1
na progu zapalania diody D1. Potem po
umieszczeniu czujnika w temperaturze
równej górnej temperaturze zakresu, na−
leży ustawić potencjometr PR2 aby
świeciły jednocześnie dwie diody: D9
i D10. Gdyby nie udało się tego ustawić
za pomocą potencjometru PR2, należy
zwiększyć lub zmniejszyć wartość R7
(10k
W
...1M
W
). Procedurę kalibracji wy−
starczy przeprowadzić raz.
Jeśli przykładowo układ miałby służyć
jako ostrzegacz przed gołoledzią (czyli
pracować w zakresie temperatur
0...+10
o
C) należy najpierw umieścić
czujnik w temperaturze 0
o
C, czyli w mie−
szaninie lodu z wodą i potencjometr PR1
ustawić tak, aby zaczynała się świecić
dioda D1. Potem trzeba dolać trochę
Półprzewodniki
Dx: 1N4148 lub tranzystor BC558
D1...D10: LED 3mm czerwona lub
zielona
U1: LM3914
U2: ICL7611
dioda D1 będzie wskazywać najwyższą
temperaturę zakresu, a D10, najniższą.
Oczywiście wtedy potencjometr PR1
będzie służył do ustawienia górnego,
a PR2 − dolnego zakresu mierzonych
temperatur.
Takie rozwiązanie może być bardzo
praktyczne, na przykład w ostrzegaczu
przed gołoledzią: przy temperaturach
wyższych niż powiedzmy +10
o
C nie bę−
dzie świecić żadna dioda. W zakresie
+10...0
o
C świecić się będą kolejno diody
D1...D10. We wszystkich temperaturach
poniżej 0
o
C świecić się będzie dioda
D10. Można to wykorzystać do sygnali−
zacji dźwiękowej − wystarczy w szereg
z diodą D10 lub po prostu zamiast niej
włączyć brzęczyk piezo (z generatorem).
Zestaw elementów opisanego termo−
metru wraz z płytką PW−02 jest sprzeda−
wany jako kit AVT−410.
Piotr Górecki
LM335 − przetwornik temperatury bezwzględnej
Napięcie na czujniku: wprost proporcjonalne do temperatury bezwzględnej.
Napięcie w temperaturze 298K (+25
o
C): typ. 2,98V ±60mV
Współczynnik temperaturowy: +10mV/K (+10mV/
o
C)
Dokładność bez kalibracji: typ. ±4
o
C
Zalecany zakres prądów pracy: 0,4...5mA
Dynamiczna oporność wyjściowa: typ 0,6
W
Układ może być w prosty sposób precyzyjnie kalibrowany za pomocą dodatko−
wego potencjometru.
18
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/96
WYKAZ ELEMENTÓW
Rezystory
Kondensatory
rys. 2
Półprzewodniki
[ Pobierz całość w formacie PDF ]