35
Szkoła Konstruktorów
E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h
Rozwiązanie zadania 54
W EdW 8/2000 na stronie 39 zamieszczony
był schemat układu do pomiaru temperatury;
można go zobaczyć na rysunku A. Należało
wykryć usterki w schemacie. Zadanie okaza−
ło się trudne, zwłaszcza dla słabo zaawanso−
wanych, nie znających zasady działania i bu−
dowy wewnętrznej kostki LM3914. Znaczna
cześć uczestników nie zidentyfikowała pro−
blemu. Niektórzy proponowali zastąpienie
czujnika LM335 łańcuchem szeregowo połą−
czonych diod krzemowych. Jest to możliwe,
ale nie tu leży problem. Inni proponowali
“pseudoszeregowe” włączenie diod świecą−
cych, co przy zasilaniu napięciem 12V nie
jest sensowne. Sporo osób stwierdziło, że
wzmacniacz operacyjny jest niepotrzebny, co
nie jest prawdą. Wzmacniacz jest potrzebny,
a jego wzmocnienie może i powinno być je−
szcze większe. Nie jest też błędem zastoso−
wanie potencjometru P2 ani rezystora R1
o wartości 2,2k
Ω
. Kilku uczestników przy−
puszczało, że coś jest nie tak z kostką
LM335, ale nie potrafili sprecyzować odpo−
wiedzi.
Wskazówką pomocną w wykryciu usterek
było stwierdzenie, że ma to być termometr
pokazujący
temperaturę
w
zakresie
–7...+3
o
C.
Kostka LM335 jest czujnikiem tempera−
tury, dającym napięcie proporcjonalne do
temperatury bezwzględnej ze współczynni−
kiem 10mV/K. Pomijając błąd kalibracji (eli−
minowany przez potencjometr P2) oznacza
to, że w temperaturze +3
o
C (276K) napięcie
na czujniku wyniesie 2,76V, natomiast
w temperaturze –7
o
C (266K) napięcie wynie−
sie 2,66V. Wzmacniacz z układem U1 ma
wzmocnienie równe 3, więc na jego wyjściu
w podanym zakresie temperatur napięcie bę−
dzie się zmieniać w zakresie 7,98...8,28V.
Nie wchodząc w szczegóły oznacza to, że
aby układ prawidłowo pokazywał temperatu−
rę, zaświecając kolejne diody LED, napięcie
na nóżce RHI musi wynosić 8,28V, a na nóż−
ce RLO 7,98V.
Nie da się tego w żaden sposób osiągnąć
w pokazanym układzie. I to właśnie jest po−
szukiwany główny błąd. Jeśli pomysłodawca
tego układu celowo i świadomie proponuje ta−
ki właśnie układ, błąd polega na tym, że w ob−
wód końcówki REFA dał rezystor R5 o dużej
wartości. Wprawdzie możliwe jest podwyż−
szenie w ten sposób napięcia na końcówce
REFO, ale taki sposób nigdy nie jest stoso−
wany. Z końcówki REFA wypływa wpraw−
dzie prąd o wartości typowej 75µA (max
120µA), ale prąd ten zmienia się z temperatu−
rą (podobnie ma się sprawa ze stabilizatora−
mi regulowanymi, np. LM317 – problem ten
był swego czasu omawiany w Skrzynce po−
rad). Nawet gdyby tak miało być, wartość
270k
Ω
jest zdecydowanie zbyt duża, a dziel−
nik R4, P1 nie umożliwi uzyskania napięcia
0,3V miedzy końcówkami RHI, RLO.
Bardzo prawdopodobne jest też przypu−
szczenie, iż pomysłodawca omyłkowo źle
narysował schemat, myląc nóżki RLO
i REFA. Nawet jeśliby tak było, układ
nadal jest błędny z dwóch powodów.
Dzielnik R4, P1 nie umożliwi uzyskania
napięcia 8,28V na wyjściu REFO. Niefor−
tunne jest też ustalanie napięcia odniesie−
nia na wewnętrznej drabince rezystorów za
pomocą jednego zewnętrznego rezystora
R5 nie tyle ze względu na ich słabą stabil−
ność cieplną, co na duży rozrzut pomiędzy
egzemplarzami. Rezystancja wewnętrzne−
go dzielnika według katalogu ma typowo
12k
Ω
, ale może mieć wartość w zakresie
8...17k
Ω
.
Okazuje się więc, że w każdym przypad−
ku układ jest ewidentnie błędny.
Nie jest natomiast błędem założenie, że ro−
boczy zakres zmian napięcia wynosi tylko
300mV. Co prawda nie jest to wartość opty−
malna, ale można ją dopuścić w takim prostym
układzie. Wprawdzie przy tak małej wartości
napięcia odniesienia mogą dać o sobie znać na−
pięcia niezrównoważenia poszczególnych
komparatorów, jednak w tym wypadku nawet
błąd rzędu pół stopnia nie jest istotny.
Zauważalną wadą takiego układu okaże
się także skomplikowana procedura kalibra−
cji. Gdyby ktoś chciał wykonać podobny
układ termometru, proponuję schemat z ry−
sunku B, w którym większość wspomnia−
nych wad została w bardzo prosty sposób
usunięta. W tym wypadku kalibracja okaże
się wyjątkowo prosta. Najpierw za pomocą
PR1 można precyzyjnie wyregulować czuj−
nik LM335 by wartość napięcia dokładnie
odpowiadała temperaturze wyrażonej w kel−
winach. Można to wykonać w dowolnej, zna−
nej temperaturze, ustawiając odpowiednie
napięcie odpowiadające temperaturze wyra−
żonej w kelwinach, pomnożone przez 10mV.
Przykładowo dla temperatury pokojowej
22
o
C (295K) należy ustawić napięcie na czuj−
niku równe 2,95V.
Za pomocą PR3 należy ustawić na koń−
cówce REFO (RHI) napięcie równe 2,73V,
co odpowiada temperaturze +3
o
C.
Ponieważ teraz zakres zmian napięcia ro−
boczego ma być równy napięciu odniesienia
(typ.1,28V; 1,2...1,34V), więc wzmacniacz
U1 powinien mieć wzmocnienie około 12,8x.
Kilkuprocentowa odchyłka nie będzie mieć
praktycznego znaczenia.
Jak już wspominałem, postawione zada−
nie okazało się trudne i poprawna była mniej
niż połowa odpowiedzi. Tym większą saty−
sfakcję mogą mieć ci uczestnicy, którzy pra−
widłowo zlokalizowali problem. Nagrody
otrzymują:
Ryszard Milewicz z Wrocławia, Michał
Podsiadlik z Chorzowa i Janusz Zalewski
z Rybaków.
+
2,2k
LM335
PR1
10k
PR1
10k
U1
TLC271
10k
R
N.c.
9 3
5
IN
PR2
4,7k
PR2
4,7k
1k
Ω
1k
Ω
2,2k
7
6
REFO
RHI
RLO
REFA
GND
2
4
8
4,7k
PR3
11,8k
Ω
11,8k
Ω
2,76V
2,76V
typ.1,28V
typ.1,28V
LM3914
Rys. A
Rys. B
C
C
C
C
o
o
o
o
tt
tt
u
u
u
u
n
n
n
n
ii
ii
e
e
e
e
g
g
g
g
rr
rr
a
a
a
a
?
?
?
?
− S
Szzkkoołłaa K
Koonnssttrruukkttoorróów
w kkllaassaa IIII
