Aplikacje wzmacniaczy operacyjnych cz3.pdf
(
571 KB
)
Pobierz
1265532 UNPDF
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
9
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.
10
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
11
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−
12
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
13
Plik z chomika:
smialytedd
Inne pliki z tego folderu:
Aplikacje wzmacniaczy operacyjnych cz1.pdf
(3229 KB)
Aplikacje wzmacniaczy operacyjnych cz2.pdf
(575 KB)
Aplikacje wzmacniaczy operacyjnych cz3.pdf
(571 KB)
Aplikacje wzmacniaczy operacyjnych cz4.pdf
(434 KB)
Aplikacje wzmacniaczy operacyjnych, cz5.pdf
(401 KB)
Inne foldery tego chomika:
• AutoTRAX 9.7
00 - Księgozbiór Elektronika
Dobry przedwzmacniacz
EAGLE Layout Editor
Electronic Circuits
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin