Plaan oli võtta üks praktiline skeem ja seletada kuidas see toimib ilma eeldusteta varasema elektroonikateadmise kohta. Küll aga eeldan üldiseid 8. klassi füüsika teadmiseid elektri kohta. Eesmärk on sihtida publikut kes tahavad aru saada miks ja kuidas asjad toimivad ning keskenduda vähem DIY häkkeritele kellel lihtsalt huvi asi kuidagi käima saada. Viimaste jaoks on internet täis palju lühemat lugemist.
See skeem kasutab NTC termotakistit, et tekitada pinge mis sõltub temperatuurist ja hüstereesiga komparaatorist mis võrdleb termotakistil olevat pinget ette antud pingega. Kui temperatuur kukub alla mingi taseme lülitab skeem enda väljundi 0 voldile. Ja kui see erialane tohuvapohu kogu motivatsiooni ära sõi siis kannatust. Kohe seletan kõigest lähemalt.
Seda skeemi välja mõeldes oli mul mõttes suvila veevarustus. See skeem võiks tajuda välistemperatuuri. Kui välistemperatuur langeb alla 0℃ lülitub skeemi väljund madalaks. Madalaks, sest sedasi lülitab see sisse relee mille mähis on ühendatud toitega. Et aga relee juhtimine on omaette ooper ei hakanud ma seda siia lisama ja teen mingi hetk eraldi artikli. Las väljund ripub praegu niisama ja ilma koormuseta õhus.
Sisuliselt aga võib sama skeemi rakendada põrandakütte, veekannu, ventilaatori, kasvuhoone akna avamise mehhanismi, külmiku kompressori, praeahju küttekeha vms lülitamiseks. Esialgu kohtades, kus absoluutne temperatuur ei ole esmane. Siin on piisavalt kohti ebatäpsusteks.
NTC, PTC, Termotakisti, Termistor
Kui PTC, ehk vähemkasutatud termotakisti liik temperatuuri mõõtmise rakenduses, välja arvata kasutatakse neid sõnu üsna valimatult sooviga kirjeldada lihtsalt takistit, mille väärtus sõltub takisti keskkonna temperatuurist. NTC ja PTC tähistavad vastavalt Negative Thermal Coefficient ja Positive Thermal Coefficient. Eesti keeles siis Negatiivne Temperatuuritegur ja Positiivne Temperatuuritegur. Vägevad sõnad aga sisu on järgmine: NTC takistus langeb temperatuuri kasvades ja PTC oma tõuseb. (Loe lisa: Wiki).
See koll on funktsioon mis arvutab takisti takistuse mingil temperatuuril T kui me teame takisti beetat β. 
on termistori referentstemperatuur mille puhul takisti vastab oma nominaalile. Tavaliselt on see 25℃.
Näiteks skeemil märgitud takisti N05NK010.00 kohta on Oomipoes välja toodud järgmine: “10k NTC 10% 4050K”. Siin olevad numbrid näitavad, et tegemist on NTC takistiga, mille nominaalväärtus ja täpsus 25℃ juures on 10 kΩ ± 10%. Takisti beeta on 4050K. K tähistab temperatuuriühikut kelvin(Guugelda kui ei tea) ning arvutused tulebki teha kelvinites.(Vaata ka takisti andmelehte)
Exceli (minu puhul LibreOffice Calc) abil saab valemist ja Oomipoest tulnud numbritega arvutada järgmise graafiku.
Väga soovitan igaühel see valem exelisse lüüa, samasugune graafik tekitada ning uurida, kuidas erinevad takisti nominaalid ja beetad seda kõverat mõjutavad.
Pingejagur, mille üheks õlaks on termistor
Selleks, et termistori takistus muuta pingeks tuleb sellest läbi juhtida elektrivool. Ilmselt ei ole mõtet seda otse toitesse ühendada. Siis oleks pingelang termistoril võrdne toitepingega sõltumata takistusest ja me ei oleks eriti targemad temperatuuri osas. Kui aga panna termistoriga jadamisi üks takisti hakkab takisti ja termistori ühenduskoha pinge sõltuma termistori takistusest.
See on pingejagur. Selle jaguri väljundpinge, mõõdetud takistite vahelt, on sõltuv sellest milline on takistite suuruste suhe. Näiteks, kui takistid on ühesuurused, on pingejaguri väljundpinge pool sisendpingest(antud juhul toitepingest). Loe lisa: Wiki
Ülevaloleva pingejaguri väljundpinge saab arvutada valemiga
Soovitan selle valemi tuletamist igaühel proovida. Mõned vihjed: vool on mõlemas takistis täpselt ühe suurune, väljundisse voolu ei lähe ja lahenduse võti on Oomi seaduses.
Nagu valemist näha on väljundi pinge sõltuv termistori takistusest R1. Ning see omakorda on sõltuv temperatuurist. Kui nüüd erinevatele temperatuuridele vastavad takistused(esimene graafik) valemisse panna saame graafiku mis näitab pingejaguri väljundpinge sõltuvust temperatuurist.
Nagu näha ei ole sõltuvus päris lineaarne. Aga mingis ulatuses siiski. Pildile vaadates võib öelda, et see on suhteliselt sirge vahemikus -15℃ kuni 25℃ juures. Seda kohta kus graafik sirge on saab mingil määral liigutada valides suuremat/väiksemat beetat ja R2 takistit. Mina kasutasin takisti väärtuse leidmiseks katse-eksituse meeotdit. Ma eksperimenteerisin tabelarvutusprogrammis erinevate R2 väärtustega kuni leidsin sobiva graafiku kuju (saateks akadeemikute halvakspanev nohin).
Komparaator
Komparaator on tõlge inglisekeelsest terminist comparator. To compare tähendab eesti keeles võrdlema. Comparator on otsetõlkes võrdleja. Ehk siis skeem mis võrdleb sisendpingeid ja ütleb kumb on suurem.
See on tavaline operatsioonvõimendi(opakas) mis töötab komparaatorina. Vasakul, kolmnurga aluse pool on kaks sisendit. Kolmnurga tipus on väljund. Opakal on kümneid kasulike rakendusi, kuid nende arutamine siin läheks pikemaks kui kogu ülejäänud artikkel. Keskendume praegu komparaatorile. Opakate kohta loe lisa siit: Wiki
Kaks sisendit on tähistatud + ja – märgiga. Need on vastavalt mitteinverteeriv ja inverteeriv sisend. Väljund sõltub sellest mis on pingete suhe sisenditel. Kui + sisendil on suurem pinge kui – sisendil, siis on väljundi pinge “kõrge”. Kõrge tähendab pinget ja on sisuliselt kokkuleppeline, tavaliselt toitepinge. Antud juhul tähendab see sõna sõnalt kõrgemat pinget kui “madal”. Ning teistpidi, kui + sisendil on madalam pinge kui – sisendil on komparaatori väljund “madal”.
Selle skeemi jaoks komparaatorit valides tasub kontrollida:
- Et valitud komparaator oleks võimeline töötama ühepolaarse toitega
- Et valitud komparaatori väljundpinge vahemik sobiks selle lülitiga mida sa kasutada tahad.
- Et sisendite nihkevool oleks vähemalt 100x väiksem kui sinu pingejagurites voolav vool.
Ühepolaarne toide on see mis tuleb näiteks patareist. Sellel on üks pluss ja üks miinusklemm, ning miinusklemmi pinge loetakse skeemi nullpingeks. Kahepolaarne toide oleks olukord kus sul on kaks patareid jadamisi, ning nende vahel oleks keskväljavõtte mida loetakse nullpingeks. Seega oleks sul kahepolaarse toite puhul näiteks + 9V, -9V ja 0V. Siin artiklis olevas skeemis on tegemist ühepolaarse toitega.
Väljundpinge vahemik ei ole alati sama mis on toitepinge vahemik. Näiteks valisin ma seda artiklit kokku pannes esimese hooga võimendi mille väljundpinge vahemik oli 2V kuni 7V, ning seda 9V toite korral. See ise-enesest ei ole halb, ning mingites rakendustes on see aksepteeritav. Aga siin, kus minu salajane plaan on väljundis lülitada 9V mähisepingega releed võib 7V pingelangu mähisel olla ebapiisav. Seega tuli valida võimendi, mis vähemalt väljundpinge alumises osas oleks võimalikult lähedal 0V-le.
Sisendi nihkevool on vool mis voolab võimendi sisendisse. Teoreetilisest opakast rääkides öeldakse, et sisendisse voolu ei voola. Reaalsuses siiski voolab. Enamustel juhtudel aga on see vool niivõrd tilluke, et selle võib rahumeeli arvestamata jätta. Aga kui pingejaguri vool on mikroamprites võib probleeme tekkida. Skeemis märgitud LM293N sisendi nihkevool (Input Bias Current) maksimaalselt 0,4 mikroamprit. Hinnanguline vool pingejagurites on suurusjärgus 0,1 kuni 1 milliamprit, ehk siis umbes 1000 korda suurem. Seega on nihkevoolust tulev viga ~ 0,1 %, mille võib rahumeeli ära unustada. Skeemis kasutatud termistori takistuse tolerants on näiteks 5%.
Vaata graafikut “Pingejaguri väljundi sõltuvus temperatuurist”. Pane tähele, et graafik läbib 0℃ siis kui pinge on 5,5V. See on see koht, kus komparaator peab oma väljundit lülitama. Kui termistoriga pingejaguri pinge on väiksem kui 5,5V (temperatuur on üle nulli) peab komparaatori väljund olema kõrge. Kui aga temperatuur kukub alla nulli ja pinge pingejaguri väljundis läheb üle 5,5V peab komparaatori väljund ennast lülitama madalale pingele.
Olles varustatud varasema teadmisega sisendite kohta teeme järelduse, et + sisendi külge tuleb tekitada stabiilne ja püsiv pinge 5,5V, ning termistoriga pingejaguri sisend tuleb ühendada – sisendi külge. Ning siis saamegi soovitud käitumise. Kui termistori temperatuur langeb alla nulli, siis pinge termistori pingejaguri väljundis tõuseb üle 5,5V. See tekitab olukorra, kus – sisendi pinge on suurem kui + sisendi pinge, ning komparaatori väljundpinge muutub madalaks. (Mis juhtuks sellisel juhul releega mille mähis on ühendatud toitepinge ja komparaatori väljundi vahele?)
Reguleeritav lülitustemperatuur
Selle ülemise skeemiosa asemel võiks vabalt olla lihtsalt pingejagur, aga ma ei suutnud vastu panna kiusatusele muuta lülitustemperatuur reguleeritavaks ja kogu skeem seega palju praktilisemaks.
Reguleeritavuse saavutame potentsiomeetriga. See on sisuliselt muudetava takistite suhtega pigejagur(Loe lisa: Wiki). See potensiomeeter on ümbritsetud takistitega selleks, et piirata reguleerimisvahemik sinna kus “Pingejaguri väljundi sõltuvus temperatuurist” graafik on lineaarne. See on siis vahemik 3V kuni 7V. Ehk siis kui potekas on kruvitud nii, et kogu potentsiomeetri takistus on pote keskväljavõttest allpool, siis on potentsiomeetri väljundi pinge 7V. Ning kui pote on kruvitud täielikult teisele poole on väljund 3V
Takistite arvutamist alustasin otsusest, et potentsiomeetri nominaal võiks olla 10kΩ. Seda selleks, et kogu pingejaguri vool oleks umbes samas suurusjärgus mis teise pingejaguri oma. Meenutame: Nihkevoolud.
Meil on tarvis, et sellele potentsiomeetrile jääks pingelang 4V. Oomi seadusest saame, et selleks peab läbi potentsiomeetri voolama 0,4mA. Kirchhoffi seadused (Loe lisa: Wiki) ütlevad, et kõikides ühes ahelas olevates elementides, kui ahelas ei ole hargnevusi, on vool ühe suurune. Pinelangu teame ju ka. Seega kasutame jälle oomi seadust ja saame
Nüüd veel üks tarkusetera takistite kohta. Tavaliselt on takisteid saada mingite kindlate nominaalidega. Neid liigitatakse E ridadena. E6, E12 jne (Loe lisa: Wiki). Mulle meeldib E24 rida. Minu kogemuses on neid igal pool ja iga kordajaga saada, need on küllalt levinud ja odavad, ning neid jadamisi või paralleelselt kombineerides on võimalik paari % täpsusega saada misiganes vajalik takisti väärtus.
E24 reast võtan 5,1kΩ ja 7,5kΩ. Nagu näha läks viimase takistiga õnneks.
Hüsterees
Hüstereesi seletamiseks tasub alustada näidetest. Vaata all olevat pilti
See on programmis LTSpice (vabavara) tehtud mudel komparaatorist. Selle – sisendile antakse siinussignaal amplituudiga 4,5V ja + sisendile antakse pingejaguriga samuti 4,5V.
Skeem käitub nii:
Roheline on siinuspinge – sisendil, sinine on 4,5V võrdluspinge + sisendil, ning punane on komparaatori väljundpinge. Võrdluseks võib mõelda, et roheline on temperatuuritakistiga pingejaguri väljundpinge. Reaalses maailmas aga on alati probleemiks müra. Eriti tuleb müra käiku kui selle temperatuurisensori juhtmega mõne huvi pakkuva objekti külge viid.
Ning kui lülitusmomenti lähemalt vaadata:
Komparaatori väljund ei lülitu ühe korraga ja korralikult, vaid üritab kaasa teha kõik korrad kus signaal üle referentspinge käib. Mida kiirem võimendi seda rohkem lülitusi. See tooks kaasa ka lülitatava seadme oleku korduvat muutumist.
Arveta, et roheline joon, pinge mis väljendab temperatuuri, on seotud komparaatori väljundi olekuga. See lülitab midagi mis mõjutab temperatuuri. Mõnda küttekeha näiteks. Ning samal momendil kui joon graafikul läheb üle referentsi hakkab ta kohe ka vastassuunas liikuma. Ehk siis sinu radikas või küttekeha klõbistaks ennast kogu aeg sisse-välja. Kui kasutad lülitiks releed on sul õige pea mittetöötav süsteem.
Me tahame tekitada olukorra, kus
- ei oleks mürast tingitud korduvat lülitamist
- küttekeha liiga tihti ei lülitatakse.
Appi tuleb hüsterees. Võimendi väljund ühendatakse referentssisendiga selliselt, et referentspinge sõltuks veidi väljundpingest. Tulemuseks on see, et kui süsteem lülitab radika tööle näiteks 0 ℃ juures, siis uuesti välja lülitab ta selle alles siis kui temperatuur on +1 ℃.
Siin skeemis tekitab hüstereesi 100kΩ R6 takisti. Kui võimendi väljund on 9V, on see sisuliselt paralleelis R3 ja misiganes takistusega mis jääb potensiomeetri ülemisele poolele. Kui midagi takistiga paralleeli panna kasvab vool. Ning kui vool kasvab kasvab ka pingelang. Seega, kui väljund on kõrge on ka referentspinge veidi kõrgem kui see ilma hüstereesita oleks.
Mõtleme olukorrale, kus temperatuur langeb ja temperatuuriga seotud pinge kasvab suuremaks kui referentspinge. Komparaatori väljund lülitab ennast madalaks. Nüüd on situatsioon selline, et R6 on sisuliselt paralleelis R4-ja ja potentsiomeetri alumisele poolele jääva takistusega(mõlemad ahelad on ühendatud 0V külge). Seega referentspinge langeb veidi ja temperatuuriga seotud pinge peab langema veidi rohkem kui muidu selleks, et toimuks uus ümberlülitus.
Kui palju muudab referentspinget 100 kΩ paralleelis pingejaguri ülemise/alumise õlaga püüa ise välja arvutada. Sellest saad järeldada millistel temperatuuridel komparaator väljundit peaks lülitama.
Mina valisin selle takisti siia ennelkõike tööpõhimõtte ilustreerimiseks. Päris rakenduseks võib see hüstereestakisti olla liiga väike ja sellest tulenev vahe sisse/välja lülitamise temperatuuri vahel liiga suur.
Eksperiment
Tahtsin veenduda, et ma jama ei ajaks. Seega ehitasin skeemi ka ise valmis.
Pane tähele, et alloleva potentsiomeetri ümber on rohkem takisteid kui skeemis. Kuigi ma seletasin siin E24 reast oli mul kodus sahtlis ainult E12 rea assortii. Seega kombineerisin vajalike takistite saamiseks olemasolevaid. 7,5kΩ takisti jaoks ühendasin paralleeli kaks 15kΩ takistit, ning 5,1kΩ takisti jaoks ühendasin järjestiku 3,9kΩ ja 1,2kΩ.
Katsetamiseks viskasin süsteemi külmikusse, kus minu kaheldava usutavusega multimeeter temperatuuriks -20 ℃ näitas. Esimene pilt on komparaatori väljundpinge vahetult pärast süsteemi külmikusse toppimist ja teine on väljundpinge umbes minut hiljem.
“Mida paganat? Miks on väljundpinge esimesel pildil 5,5V mitte 9V nagu sa seletad?” küsivad ilmselt tähelepanelikud tüübid. Siin avaldub üks põnev fenomen mille tõttu ma seda artiklit üldse kirjutama hakkasin. Elektroonikas ja tegelikult elus üldiselt on nii, et plaan ei ela üsna tihti üle kokkupuudet reaalsusega. Sedasi siis ma oletasin, et kõikide opakate väljundid suudavad ka positiivse toite väljundisse anda. Reaalsus on midagi muud ja kinnitust saab hüpotees, et “Oletamine on kõigi vusserduste ema.”.
Tuleb välja, et valitud võimendi on “open-collector” tüüpi väljundiga. Transistoridest hiljem, aga kui tahad rohkem teada uuri siit: Tartu Ülikool. Julgustan ka guugeldama. Eestikeelset materjali on päris palju. All on pilt komparaatorina kasutatud võimendi LM293N andmelehest.
See pilt näitab võimendi sisemist ehitust (ei pea praegu aru saama). Kui käisid ja vaatasid lingitud materjali Tartu Ülikooli veebilehel siis näed, et puudub ahel mida mööda Vcc saaks väljundisse OUT. Ehk siis kui komparaatori väljund peaks minema 9V pannakse transistor kinni. Kui aga juhtub, et ei ole kohta kuskohast see 9V tulla saaks (nagu pull-up takisti või releemähis) siis jääb sinna null.
Selle katse puhul aga jäi sinna referentspinge mis tuli väljundile läbi hüstereesitakisti R6.
Elu õpetab.
Täiendavat lugemist
http://www.resistorguide.com/ntc-thermistor/
http://www.hkhk.edu.ee/voimendi/operatsioonvimendi_parameetrid.html
https://media.digikey.com/pdf/Data%20Sheets/ST%20Microelectronics%20PDFS/LM193,293,393%20A.pdf