Розділ 1 вибір та дослідження принципової схеми приладу

1. Принцип роботи компаратора

Оскільки прилад функціонує на основі компаратора, спочатку розберемо його принцип роботи.

Компаратор – це елемент порівняння, який широко використовується в системах контролю та автоматичного керування. Компаратори відносяться до елементів імпульсної техніки. Компаратор, виконаний на базі операційного підсилювача, порівнює вимірювану напругу U_ВХ, яка подається на один із входів (переважно на інвертуючий), із опорною напругою (наперед заданою) U_ОП, яка подана на інший вхід. Опорна напруга є незмінною в часі, додатної чи від'ємної полярності, а вхідна напруга — змінюється. Коли U_ВХ = U_ОП вихідна напруга ОП змінює свій знак на протилежний (з U_{+ВИХ.МАКС.} на U_{-ВИХ.МАКС} чи навпаки). Тому компаратор має ще назву «нуль-орган», оскільки зміна полярності вихідної напруги (перемикання) відбувається за умови, що U_ВХ – U_ОП =0, де U_ОП — задана напруга.

Рис. 1.1.1 Позначення операційного підсилювача на схемах

На рис. 1.1 показане зображення ОП на схемах, де:

• V₊ – неінвертуючий вхід;

• V_- – інвертуючий вхід;

• V_out – вихід;

• V_S+ – плюс джерела живлення (також може позначатися як V_DD, V_CC, або V_CC+)

• V_S-– мінус джерела живлення (також може позначатися як V_SS, V_EE, або V_CC-).

Але будь-який компаратор можна охопити негативним зворотним зв'язком, тоді він буде працювати так, як працюють операційні підсилювачі (до речі, саме таке включення і використано).

2. Вибір принципової електричної схеми регулятора

При виборі принципової схеми будемо керуватися наступними потребами: простота схеми, однополярне живлення, можливість регулювати гучність звуку, доступні радіоелементи. Тому принципова схема термоконтроля кулерів на компараторі зображена на рис. 1.2, задовольняє наші потреби.

Рис. 1.2.1 Принципова схема регулятора оборотів кулера

Дану схему я дещо модифікував, а саме: замінив потенціометр R5, таким самим, але з більшим номіналом, для більш зручного налаштування пристроя. Також замінив вітчизняний транзистор КТ814В на імпортний BD138. Перероблена схема зображена на рис. 1.3.

Рис. 1.2.2 Перероблена схема регулятора оборотів кулера

3. Принцип роботи регулятора на компараторі

Регулятор побудований на основі мікросхеми компаратора LM311 (вітчизняний аналог - КР554СА3). Незважаючи на те, що застосований компаратор, регулятор забезпечує лінійне, а не ключове регулювання. Може виникнути питання: "Як так вийшло, що для лінійного регулювання застосовується компаратор, а не операційний підсилювач?". Причин цьому є кілька. По-перше, даний компаратор має відносно потужний вихід з відкритим колектором, що дозволяє підключати до нього вентилятор без додаткових транзисторів. По-друге, завдяки тому, що вхідний каскад побудований на pnp транзисторах, які включені за схемою із загальним колектором, навіть при однополярному живлені можна працювати з низькими вхідними напругами, що знаходяться практично на потенціалі землі. Так, при використанні діода в якості термодатчика потрібно працювати при потенціалах входів всього 0.7 В, що не дозволяють більшість операційних підсилювачів. По-третє, будь-який компаратор можна охопити негативним зворотним зв'язком, тоді він буде працювати так, як працюють операційні підсилювачі (до речі, саме таке включення і використано).

Як датчик температури дуже часто застосовують діоди. У кремнієвого діода p-n перехід має температурний коефіцієнт напруги приблизно -2.3 мВ/°C, а пряме падіння напруги - порядку 0.7 В. Більшість діодів мають корпус, зовсім невідповідний для їх закріплення на радіаторі. У той же час деякі транзистори спеціально пристосовані для цього. Якщо подібний транзистор пригвинтити до радіатора, колектор транзистора виявиться з ним електрично з'єднаним. Щоб уникнути неприємностей, в схемі, де цей транзистор використовується, колектор повинен бути заземлений. Виходячи з цього, для нашого термодатчика потрібен p-n-p транзистор, наприклад BD138.

Можна, звичайно, просто використовувати один з переходів транзистора як діод. Але cправа в тому, що температурний коефіцієнт у діода відносно низький, а вимірювати маленькі зміни напруги досить важко. Тут втручаються і шуми, і перешкоди, і нестабільність напруги живлення. Тому часто, для того щоб підвищити температурний коефіцієнт датчика температури, використовують ланцюжок послідовно включених діодів. У такого ланцюжка температурний коефіцієнт і пряме падіння напруги збільшуються пропорційно кількості включених діодів. Але ж у нас не діод, а транзистор. Дійсно, додавши всього два резистора, можна спорудити на транзисторі двухполюсник, поведінка якого буде еквівалентно поведінки ланцюжка діодів. Що і зроблено в описуваному терморегулятор.

Датчик температури VT1R2R3 включений у вимірювальний міст, який утворений резисторами R1, R4, R5, R6. Живеться міст від параметричного стабілізатора напруги VD1R7. Необхідність застосування стабілізатора викликана тим, що напруга живлення +12 В всередині комп'ютера досить нестабільна (в імпульсному джерелі живлення здійснюється лише групова стабілізація вихідних рівнів +5 В і +12 В).

Напруга розбалансу вимірювального моста прикладається до входів компаратора, який використовується в лінійному режимі завдяки дії негативного зворотного зв'язку. Підлаштування потенціометра R5 дозволяє зміщувати регулювальну характеристику, а зміна номіналу резистора зворотного зв'язку R8 дозволяє міняти її нахил. Ємності C1 і C2 забезпечують стійкість регулятора.