Aplikacje wzmacniaczy operacyjnych cz3.pdf

Płytki wielofunkcyjne

Aplikacje wzmacniaczy

operacyjnych

część 3

W pierwszym numerze EdW

zaproponowaliśmy praktyczne

zapoznanie się ze wzmacniaczem

operacyjnym − jedną z

najważniejszych “lokomotyw”

elektroniki. Służy do tego płytka

wielofunkcyjna PW−01, na której

można zmontować kilkadziesiąt

pożytecznych układów. Do tej pory

zaprezentowaliśmy następujące

urządzenia: przełącznik sterowany

dowolnym pilotem i uniwersalny

tester podzespołów (EdW1/96) oraz

programowany przedwzmacniacz

mikrofonowy i dwa migacze dużej

mocy (EdW3/96). Dziś przedstawiamy

praktyczny regulator temperatury.

Regulator temperatury

Układ zapewnia stabilizację temperatury w zakresie 0...+100°C (z dodatkowym

czujnikiem − do +300°C).

· Prosta konstrukcja

· Estetyczny wygląd obudowy i płyty czołowej

· Możliwość samodzielnego doboru zakresu temperatur pracy

· Możliwość zmiany czułości regulatora (zakresu wahań temperatury)

· Bardzo niski koszt wykonania

Jak obiecaliśmy, podczas wspólnej

zabawy będziemy możliwie bezboleśnie

łączyć praktykę i niezbędną teorię. Dla−

tego obok instrukcji montażu podajemy

dodatkowe informacje niezbędne dla

osób, które chcą samodzielnie opraco−

wywać urządzenia elektroniczne. Uwzg−

lędniliśmy też potrzeby osób “odpornych

na wiedzę” − niezbędną teorię, subtelno−

ści i szczegóły dotyczące analizy układu

umieszczamy w ramkach, których lek−

tura nie jest konieczna dla wykonania

i ”odpalenia” układu.

Jak zwykle, nie wszystkie elementy

zaznaczone na płytce drukowanej będą

montowane. Dla ułatwienia montażu za−

mieszczamy schematy i rysunki zawiera−

jące tylko użyte elementy i dlatego ich

numeracja nie jest ciągła. Pełny rysunek

płytki drukowanej i schemat zawierający

wszystkie możliwe elementy można zna−

leźć w EdW 1/96 na str. 9.

Regulator temperatury

Schemat ideowy regulatora tempera−

tury pokazany jest na rysunku 1 .

Elementem mierzącym temperaturę

jest czujnik krzemowy KTY10, oznaczo−

ny na schemacie RT. Pracuje on

w układzie stałoprądowego mostka

składającego się z elementów R4, RT

oraz R2, P1 i R7. Kondensator C19 za−

bezpiecza czujnik przed zakłóceniami

impulsowymi, jakie mogą zaindukować

się w przewodach i uszkodzić czujnik.

Napięcie z przekątnej mostka jest

podawane na wzmacniacz operacyjny

U1A. Pracuje on jako wzmacniacz od−

wracający, o wzmocnieniu ustalonym

stosunkiem rezystancji R8 do wypadko−

wej rezystancji gałęzi mostka zawierają−

cej R2, R7, P1. Wzmocnienie tego stop−

nia zależy więc nieco od ustawienia po−

tencjometru P1, co jednak nie ma więk−

szego znaczenia dla działania układu.

Dla zmniejszenia wpływu indukowanych

w przewodach zakłoceń, zastosowano

kondensator C6, zmniejszający wzmoc−

nienie sygnałów o wyższych częstotli−

wościach.

Sygnał z wyjścia wzmacniacza U1A

jest podawany na dodatkowy filtr R10,

C9, eliminujący zakłócenia impulsowe,

i dalej na komparator z układem U1B.

W komparatorze tym zastosowano ob−

wód dodatniego sprzężenia zwrotnego

(R11 wraz z R12, R13), który realizuje

niezbędną histerezę. Sygnał z wyjścia

komparatora jest podawany przez dziel−

nik R21, R23 na bazę tranzystora T1 ste−

rującego przekaźnikiem. Dzielnik R21,

R23 jest potrzebny, bowiem na wyjściu

układu U1B napięcie w stanie niskim

może wynosić nawet ponad 1V, co spo−

wodowałoby ciągłe przewodzenie tran−

zystora.

Dioda D4 likwiduje przepięcia powsta−

jące na indukcyjności przekaźnika

w momencie zatykania tranzystora.

Zielona dioda świecąca D1 sygnalizu−

je obecność napięcia zasilającego,

a czerwona dioda D2 świeci, gdy tran−

zystor przewodzi (grzanie jest załączo−

ne). W takich zastosowaniach jak regu−

lator temperatury, niecelowe jest stoso−

wanie wyłącznika zasilania. W modelu

nie zastosowano też żadnego bezpiecz−

nika. Nie jest on potrzebny, bowiem fab−

ryczny zasilacz powinien być odpowied−

nio zabezpieczony, a w obwodzie sty−

ków przekaźnika bezpieczników z za−

sady się nie stosuje.

Działanie układu

Gdy temperatura rośnie, zwiększa się

rezystancja czujnika temperatury RT

i napięcie na wejściu nieodwracającym

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/96

Płytki wielofunkcyjne

Rys. 1. Schemat ideowy regulatora temperatury

układu U1A rośnie. Ponieważ układ U1A

pracuje jako wzmacniacz nieodwracają−

cy (o wzmocnieniu mniej więcej 20), na−

pięcie na jego wyjściu oraz napięcie na

kondensatorze C9 także się zwiększa.

Gdy napięcie kondensatorze C9, czyli

na wejściu odwracającym U1B (nóżka

6), wzrośnie powyżej napięcia na jego

wejściu nieodwracającym (nóżka 5),

wtedy napięcie na wyjściu (nóżka 7) spa−

da do wartości około 1V i tranzystor T1

przestanie przewodzić − przekaźnik

puszcza i grzanie zostaje wyłączone.

Obniżanie temperatury spowoduje

spadek rezystancji czujnika i w konsek−

wencji napięcie na wejściu odwracającym

U1B zacznie się zmniejszać, co doprowadzi

do ponownego włączenia przekaźnika.

Zauważmy, że wskutek obecności re−

zystora R11, napięcie na wejściu nieod−

wracającym U1B zależy od stanu na je−

go wyjściu. Jeśli więc po odłączeniu grza−

nia temperatura zacznie się zmniejszać,

to przekaźnik zostanie ponownie włą−

czony dopiero po dojściu do temperatury

niższej niż temperatura wyłączenia. Tę

różnicę między punktem załączenia

a punktem wyłączenia nazywamy histe−

rezą. O wielkości tej histerezy decyduje

wartość rezystora R11.

Na rysunku 2 pokazano przebiegi

napięć w poszczególnych punktach

układu.

Należy tu zauważyć, iż w przedsta−

wionym układzie stabilizowana tempera−

tura waha się w pewnych granicach,

zależnych przede wszystkim właśnie od

wielkości histerezy. W większości prak−

tycznych układów histereza rzędu kilku

stopni jest dopuszczalna. Zauważmy, że

większa histereza jest korzystna ze

względu na trwałość styków przekaźnika

− większa histereza oznacza dłuższe

przerwy między kolejnymi włączeniami

przekaźnika.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/96

Płytki wielofunkcyjne

Rys. 2. Przebiegi napięć w ważniejszych punktach układu.

Z drugiej jednak strony, często zale−

ży nam na jak najmniejszej wartości his−

terezy: na przykład w regulatorze do

piecyka łazienkowego nie można zasto−

sować histerezy 5°C, bo mijałoby się to

z celem jego stosowania.

Histerezy nie wolno jednak zupełnie

zlikwidować, jest ona niezbędna do po−

prawnej pracy układu. Dzięki niej na wy−

jściu układu U1B występują tylko dwa

poziomy sygnału: bliski plusa zasilania

i bliski masy. Nie ma stanów pośred−

nich, więc przekaźnik jest pewnie załą−

czany i wyłączany. Bez histerezy,

a przy dużym wzmocnieniu wzmacnia−

cza U1A, przekaźnik włączałby się bar−

dzo często, nawet co sekundę, co bar−

dzo szybko doprowadziłoby do wypale−

nia jego styków.

Z uwagi na sposób działania taki

układ nazywamy regulatorem dwustano−

wym z histerezą. Jest to najprostszy typ

regulatora.

W egzemplarzu modelowym histere−

za wynosi około 1°C, co wydaje się dość

dobrym kompromisem. Jeśli dopusz−

czalna jest większa histereza, warto dla

zwiększenia trwałości styków zmniej−

szyć wartość rezystora R11, nawet do

33...100k W .

Początkującym elektronikom podajmy

jeszcze inny sposób zapewnienia popra−

wnej, dwustanowej pracy komparatora.

Układ pokazano na rysunku 3 . Tym ra−

zem, zamiast rezystora R11, zastosowa−

no kondensator C. Tym razem w mo−

mencie zmiany stanu na wyjściu (nóżka

7), kondensator umieszczony w gałęzi

dodatniego sprzężenia zwrotnego za−

czyna się ładować lub rozładowywać.

Prąd ładowania (rozładowania) płynie

przez rezystory R12 i R13, więc chwilo−

wo zmienia się napięcie na wejściu nie−

odwracającym wzmacniacza U1B (nóż−

ka 5). Napięcie na wyjściu komparatora

nie może się więc zmienić aż do momen−

tu, gdy kondensator się naładuje. Dopie−

ro wtedy możliwa jest zmiana stanu na

wyjściu komparatora. Ten czas martwy

jest zależny od pojemności C i rezys−

tancji R12 i R13. W praktyce zamiast

pojedynczego kondensatora stosuje się

szeregowy dwójnik RC. Należy tak do−

Krzemowy czujnik temperatury − KTY10

Jest to nowoczesny element elektroniczny, w którym rezystancja wzrasta ze

wzrostem temperatury. Kryształ krzemu jest umieszczony w typowej plastiko−

wej obudowie TO−92.

W temperaturze +25°C rezystancja wynosi typowo około 2000 W . Ze względu

na rozrzut parametrów wynikający z zastosowanej technologii, czujniki dzieli

się na grupy o ściśle określonej rezystancji początkowej. Np. elementy z gru−

py KTY10−5 mają w temperaturze +25°C rezystancję 1950...1990 W , a KTY10−

7: 2010...2050 W .

Czujnik KTY10 jest w sumie elementem rezystancyjnym i nie ma znaczenia

biegunowość dołączonego napięcia. Zakres prądów pracy sięga 7mA, ale za−

zwyczaj stosuje się wartość około 1mA.

Zakres temperatur pracy obejmuje −50...+150°C, przy czym zależność rezys−

tancji od temperatury nie jest liniowa.

Rezystancja czujnika w temperaturze

T wynosi:

R T = R 25 ·(1 + a · D T + b · D T 2 )

gdzie:

R 25 − rezystancja w temperaturze +25°C

D T = T − 25°C

a = 7,88*10 −3 [K −1 ]

b = 1,937*10 −5 [K −2 ]

Można jednak, dodając kilka odpowiednio

dobranych rezystorów, uzyskać liniową za−

leżność napięcia od temperatury.

Rysunek pokazuje typową zależność re−

zystancji od temperatury. W praktyce nale−

ży się liczyć z kilkuprocentowymi odchyłka−

mi od podanej krzywej przy skrajnych tem−

peraturach.

Bardzo ważną zaletą czujnika jest stabilność parametrów w czasie, co jest

wynikiem zastosowania zaawansowanej technologii produkcji.

W ofercie firmy Siemens występuje szereg innych czujników temperatury

z serii KTY, różnią się one praktycznie tylko obudową. Elementy o pierwszej

cyfrze oznaczenia równej 1 mają rezystancję R 25 równą 2k W (np. KTY11,

KTY13, KTY16), natomiast czujniki z pierwszą cyfrą 2 mają rezystancję R 25

równą 1k W (KTY20, −21, −23).

Firma Philips produkuje szereg podobnych czujników oznaczonych KTY81−1,

KTY83−1, KTY85−1 o rezystancji R 25 równej 1k W oraz czujniki KTY81−2,

KTY86−2, KTY87−2 o rezystancji R 25 równej 2k W .

Rys. 3. Inny układ dodatniego

sprzężenia zwrotnego.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/96

Płytki wielofunkcyjne

Rys. 4. Rozmieszczenie elementów na płytce

drukowanej.

wać w dowolny sposób,

gdziekolwiek na płytce.

Na rysunku 4 zazna−

czono elementy tak, jak

zostały zmontowane

w modelu. Diody świe−

cące należy dołączyć do

punktów uznaczonych

na rysunku 4: D1, D2

i COM. Wykorzystano

tu otwory i ścieżki “w

okolicach” układu scalo−

nego U2.

Po wlutowaniu ele−

mentów, za pomocą

przewodów należy dołą−

czyć czujnik RT i poten−

cjometr P1. Długość

przewodów należy tak

zaplanować, aby bez

kłopotu można było póź−

niej umieścić cały układ

w typowej obudowie

KM−60.

Obwody przekaźnika,

które prawdopodobnie

będą połączone z sie−

cią 220V należy wykonać przewodami

przewodami o odpowiednim przekroju.

W modelu pokazanym na fotografii nie

zamontowano gniazda czy łączówki wy−

jściowej. Należy to zaplanować i wyko−

nać we własnym zakresie, zależnie od

tego, co będzie sterowane: grzałka, pie−

cyk elektryczny czy dodatkowy stycznik.

Przy wszelkich pracach związanych

z siecią energetyczną 220V konieczne

jest zachowanie odnośnych przepisów

i wymagań bezpieczeństwa. Osoby nie−

pełnoletnie mogą wykonywać takie pra−

ce tylko pod nadzorem wykwalifikowa−

nych osób dorosłych.

Układ zmontowany ze sprawnych ele−

mentów nie wymaga uruchomiania i od

razu pracuje poprawnie.

Mały przekaźnik RM96 (lub odpo−

wiednik) o prądzie

pracy 8A umożli−

wia bezpośrednie

sterowanie obcią−

żeniem o mocy do

1,8kW. Przekaźnik

RM81 umożliwia

pracę z obciąże−

niem o mocy

ponad 3kW.

Jednak ze

względu na trwa−

łość styków ko−

rzystniej jest nie

obciążać przekaź−

nika dużymi prą−

dami, więc przy

obciążeniach większych niż 1kW lepiej

jest zastosować dodatkowy stycznik.

W modelu zastosowano przekaźnik

z cewką na napięcie 9V. Nabywcy ze−

WYKAZ ELEMENTÓW

zestawu AVT−406

Rezystory

R1, R23: 1k W

R2: 2,4k W

R21, R4: 4,7k W

R7: 750 W

R8: 22k W

R10: 100k W

R11: 1M W

R13, R12: 10k W

R26, R27: 820 W

RT: KTY10

P1: 1k W A

Kondensatory

C1, C3: 47µF/16V

C2: 100n ceramiczny

C6, C9: 470nF

C19: 100nF

Półprzewodniki

D1: dioda LED zielona 3mm

D2: dioda LED czerwona 3mm

D4: 1N4148

T1: BC548 lub podobny

U1: LM358

Różne

REL: RM96 lub RM81 12V

podstawka pod układ scalony

pokrętło potencjometru

naklejka płyty czołowej (2 kpl.)

przewody łączeniowe

obudowa KM−60 kpl.

Uwaga! Zasilacz nie wchodzi

w skład zestawu i należy go

zamówić oddzielnie (oferta na

str. 60).

brać wartości RC, aby podczas “czasu

martwego” temperatura zwiększyła się

lub zmniejszyła co najwyżej o kilka

dziesiątych stopnia. Takie rozwiązanie

stosowane bywa jednak wyłącznie

w systemach o bardzo małej bezwład−

ności, gdy stygnięcie i grzanie następu−

je w ciągu pojedynczych sekund.

W praktyce najczęściej mamy do

czynienia z obiektami, gdzie zauważal−

ne zmiany temperatury zachodzą w cią−

gu dziesiątek sekund, czy nawet minut,

więc dość często stosuje się jednocześ−

nie rezystor dodatniego sprzężenia

zwrotnego (u nas R11) oraz szeregowy

dwójnik RC.

Montaż i uruchomienie

Pomocą w montażu będzie rysunek

4 przedstawiający płytkę drukowaną

PW−01 i wszystkie niezbędne elementy.

W pierwszej kolejności trzeba wyko−

nać pięć zwór: zamiast elementów R9,

R14, C8, D5 oraz między punktami W −

W. Następnie można wlutować w do−

wolnej kolejności pozostałe elementy.

Należy zwrócić szczególną uwagę na

biegunowość kondensatorów elektroli−

tycznych − elektroda ujemna (krótsza)

jest oznaczona na obudowie kondensa−

tora. Układ scalony należy włożyć do

podstawki zgodnie z opisem na płytce:

wycięciem w stronę rezystorów R8, R9.

Kondensator C19 należy montować

w miejsce rezystora R5 − do jego nó−

żek, od strony druku należy potem przy−

lutować przewód dołączający czujnik

RT.

Rezystory R26 i R27, ograniczające

prąd diod świecących można zamonto−

Przy wszelkich pracach

związanych z siecią

energetyczną 220V

konieczne jest zachowanie

odnośnych przepisów

i wymagań bezpieczeństwa.

Osoby niepełnoletnie mogą

wykonywać takie prace

tylko pod nadzorem

wykwalifikowanych osób

dorosłych.

stawu AVT−406 otrzymają przekaźnik

12−woltowy.

Do zasilania regulatora może więc

służyć dowolny za−

silacz stabilizowa−

ny o napięciu wy−

jściowym 12V

i prądzie mini−

mum 150mA. Zasi−

lacz taki nie wcho−

dzi w skład zesta−

wu AVT−406.

Płytę czołową

można łatwo uzys−

kać, wykonując

kserokopię rysun−

ku 5 na papierze

samoprzylepnym.

Nabywcy kitu

AVT−406 otrzyma−

ją też samoprzylepne rysunki płyty czo−

łowej. W komplecie przewidziano po

dwa takie rysunki − jeden na zapas, gdy−

by podczas montażu płyta czołowa uleg−

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/96

Płytki wielofunkcyjne

Rys. 5. Płyta czołowa − skala 1:1.

ła uszkodzeniu. Autor zaleca następują−

cą kolejność: najpierw równo nakleić ry−

sunek na płytę czołową, polakierować

bezbarwnym lakierem akrylowym lub nit−

ro (w spraju), potem wywiercić potrzeb−

ne trzy otwory, zamocować potencjo−

metr i wkleić diody świecące.

Na płycie czołowej celowo nie zazna−

czono temperatur, a jedynie liczby od

1 do 11. Z wartościami elementów po−

danymi na schemacie zakres regulacji

temperatury wynosi około 0...+100°C.

Przez zmianę wartości R2 i R7 można

jednak w prosty sposób dowolnie zmie−

nić zakres temperatur pracy.

Możliwości zmian

Jak wspomniano wcześniej, korzyst−

nie jest zwiększyć histerezę przez

zmniejszenie wartości R11 nawet do

33...100k W .

Podobny efekt uzyska się zmniejsza−

jąc wzmocnienie układu U1A przez

zmniejszenie wartości rezystora R8.

Dla zmniejszenia histerezy należy

zwiększyć wzmocnienie pierwszego stop−

nia przez zwiększenie rezystancji R8.

Wielu czytelników bardziej zaintere−

suje jednak możliwość wykorzystania re−

gulatora w zupełnie innym niż propono−

wany zakresie temperatur.

Można to osiągnąć przez zmianę re−

zystorów R2 i R7. Można to zrobić me−

todą prób i błędów, można też obliczyć

niezbędne napięcia i rezystancje ko−

rzystając z zamieszczonej w ramce

charakterystyki czujnika KTY10.

Najpierw, przyjmując jakiekolwiek

“okrągłe” napięcie zasilające mostek (na

kondensatorze C3), na przykład 10V,

należy na podstawie charakterystyki

czujnika obliczyć zmiany napięcia na

czujniku RT w potrzebnym zakresie

temperatur. Znając napięcie maksymal−

ne i minimalne należy obliczyć jakie po−

winny być rezystancje R2 i R7, aby

w skrajnych położeniach potencjometru

P1, w punkcie W otrzymać takie same

napięcia.

Jeszcze cenniejszą cechą układu jest

możliwość stabilizacji temperatur w za−

kresie do +300°C. W tym celu należy po

prostu wymienić czujnik KTY10 na czuj−

nik KTY84 i zmienić rezystory R2 i R7

dla uzyskania potrzebnego zakresu tem−

peratur. Element KTY84 produkcji Philip−

sa jest jedynym dostępnym półprzewod−

nikowym czujnikiem pomiarowym mogą−

cym pracować w temperaturach do

+300°C. Jak widać, tani czujnik KTY84

może być atrakcyjną alternatywą dla

drogiej czujki platynowej PT100.

Początkujących elektroników chcemy

jednak przestrzec przed zbytnią euforią.

Otóż czujnik pracujący w temperaturze

+300°C nie może być tak po prostu luto−

wany − musi być zgrzany z przewodami

doprowadzającymi, bowiem lut cynowy

(popularna cyna) mięknie w temperatu−

rze o około 100 stopni niższej.

Piotr Górecki

Czujnik KTY84 firmy Philips

W odróżnieniu od przedstawio−

nych wcześniej czujników, KTY84 ma

rezystancję około 1000 W , ale w tem−

peraturze +100°C.

Typową zależność rezystancji od

temperatury przy prądzie 2mA poka−

zuje rysunek. Prąd pracy przy tempe−

raturze +300°C nie może być większy

niż 2mA.

W przeciwieństwie do czujnika

KTY10, element KTY84 (a właściwie

każdy z typów KTY83...87) powinien

być odpowiednio spolaryzowany.

W przeciwnym razie charakterystyki

mogą przebiegać inaczej niż podano

w katalogu i wystąpi zależność re−

zystancji od oświetlenia, szczególnie promieniowania podczerwonego. Rysunek

pokazuje obudowę czujnika KTY84 i właściwą biegunowość. Ze względu na

rozrzut rezystancji początkowej, elementy są dzielone na grupy − kolor paska

oznaczenia wskazuje na rezystancję R 100 przy prądzie 2mA: żółty −

970...1030 W ; czarny − 950...1000 W ; niebieski − 1000...1050 W .

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/96

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: