LOPPURAPORTTI Lämpötilahälytin Hans Baumgartner xxxxxxx nimi nimi

Transkriptio

1 LOPPURAPORTTI Lämpötilahälytin Hans Baumgartner xxxxxxx nimi nimi

2 KÄYTETYT MERKINNÄT JA LYHENTEET... 3 JOHDANTO ESISELOSTUS Diodi anturina Lämpötilan ilmaisu Oskillaattori ja hälytysääni Koko kytkentä LABORATORIOMITTAUKSET Diodi anturina ja suodatus Komparaattori Hälytysääni YHTEENVETO LÄHTEET... 12

3 KÄYTETYT MERKINNÄT JA LYHENTEET I U e e k B T η R C f virta jännite Neperin luku elektronin alkeisvaraus Boltzmannin vakio lämpötila diodin ideaalisuuskerroin resistanssi kapasitanssi taajuus

4 JOHDANTO Diodia voidaan käyttää ilmaisemaan lämpötilanmuutosta. Diodin virtayhtälön mukaan diodin läpi kulkeva virta muuttuu lämpötilan funktiona. Harjoitustyössä suunniteltiin lämpötilahälytin, joka alkaa hälyttää lämpötilan noustessa yli säädettävän lämpötilarajan. Hälytysääni muodostettiin yksinkertaisella siniaalto-oskillaattorilla sekä pienellä kaiuttimella.

5 1. ESISELOSTUS 1.1 Diodi anturina Tavallista puolijohdediodia voidaan käyttää lämpötilan mittaamiseen. Diodin läpi kulkeva virta riippuu lämpötilasta, diodin virtayhtälön (1) mukaisesti. I eu kbt I e 1 0 (1) Virta I 0 on estosuuntainen saturaatiovirta ja η diodin ideaalisuuskerroin, joka on 1 diffuusiokontrolloiduille ja 2 rekombinaatiokontrolloiduille diodeille. Yleensä piidiodille voidaan käyttää arvoa 2 ja arvoa 1 germaniumdiodille. [1] 1N4148-diodin virran lämpötilariippuvuuden kuvaaja on kuvassa 1. Kuvaajasta nähdään, että diodin läpi kulkeva virta kasvaa lämpötilan kasvaessa. Kuva 1. 1N4148-diodin virran riippuvuus lämpötilasta. Käytännön sovelluksissa on kuitenkin usein helpompi käsitellä jännitteen, kuin virran muutoksia. Diodin läpi kulkevan virran muutos saadaan muutettua jännitevaihteluksi diodin kanssa sarjaan kytketyn vastuksen avulla. Lämpötila-anturin kytkentä on kuvassa 2.

6 Kuva 2. Diodin kytkentä lämpotila-anturina. Diodi 1N4148 ja kuvan 2 kytkentä sopivat lämpötilan mittaukseen, kun lämpötilaerot ovat luokkaa useita asteita. Pienten lämpötilaerojen havaitseminen ei ole mahdollista diodin ja vastuksen kohinan sekä kytkennän yksinkertaisuuden vuoksi. Käytetään laboratoriotyössä kytkennän testaamiseen lämpötilan muutosta ~20 > 40 o C. Tällä lämpötilavälillä diodin virta muuttuu arvosta 200 -> 180 ma, joka vastaa 22 Ω vastuksen yli jännitteen muutosta 4.4 -> 3.96 V. 1.2 Lämpötilan ilmaisu Mikäli diodia halutaan käyttää ilmaisimena, joka laukaisee hälytyksen tietyn lämpötilarajan ylittyessä, voidaan tarkoitukseen käyttää komparaattori-kytkettyä operaatiovahvistinta. Operaatiovahvistimen jännitteen vertailutaso toteutetaan potentiometrillä, jolloin lämpötilan hälytysrajaa voidaan säätää. Kuva 3. Diodin ja komparaattorin kytkentä. Diodin epäideaalisuuksista johtuen, sen läpi kulkeva virta ei muutu lineaarisesti lämpötilan mukaan. Lisäksi diodin myötäsuuntainen jännite sisältää kohinaa, jonka suuruus on samaa luokkaa itse mitattavan jännitteenmuutoksen kanssa [2]. Tämän takia onkin syytä suodattaa signaalista

7 suuritaajuiset häiriöt pois jollakin suodattimella. Käytetään yksinkertaista passiivista ensimmäisen asteen alipäästösuodinta. Kuva 4. Passiivinen alipäästösuodin Suotimen siirtofunktioksi saadaan johdettua kuvan 4 merkinnöin 1 G ( s) (2) s 1 Koska kyseessä on melko huono 1. asteen suodin, mitoitetaan rajataajuus riittävän pieneksi, jotta häiriöt varmasti suodattuvat. Valitaan kondensaattorin arvoksi 4.7 µf ja vastukseksi 10 kω. Suotimen rajataajuus on nyt f Hz 2 RC 2 10 k 4.7 μf (3) Kuva 5. Kytkentä, jossa mitta-anturina toimiva diodi, 1. asteen suodatin ja komparaattori.

8 1.3 Oskillaattori ja hälytysääni Kytkennässä tarvitaan oskillaattoria tuottamaan tietyntaajuista ääntä kaiuttimelle. Pelkkä tasajännite syötettynä kaiuttimeen ei tuota ääntä. Käytetään hälyttimessä Wien-bridge siniaalto-oskillaattori. Oskillaattorin kytkentä sekä komponenttien arvot on esitetty kuvassa 6. Kuva 6. Wien-bridge oskillaattori [3] Kuvan 6 oskillaattorin taajuus on 15.9 khz [3]. Kaiutin voidaan kytkeä suoraan oskillaattorin ulostulon ja maan väliin. 1.4 Koko kytkentä Lämpötilahälyttimen koko kytkentä on esitetty kuvassa 7. Kuva 7. Koko kytkennän piirikaavio

9 2. LABORATORIOMITTAUKSET 2.1 Diodi anturina ja suodatus Diodilta saatu jännite sisältää kohinaa, jonka amplitudi on samaa luokkaa itse jännitteenmuutoksen kanssa. Kuvassa 8 on diodilta saatavan jännitteen käyrämuoto ilman suodatusta ja kuvassa 9 suodatettu jännite. Kuva 8. Diodin kanssa sarjassa olevan vastuksen yli oleva jännitteen muutos diodia sormella lämmitettäessä. Kuva 9. Vastuksen yli oleva jännite passiivisella alipäästösuodattimella suodatettuna. Kuvasta 9 nähdään kohinan vaimenneen huomattavasti. Kohinaa kuitenkin esiintyy suodatuksesta huolimatta melko paljon. Paremmalla suodatuksella, esimerkiksi aktiivisella toisen asteen

10 suodattimella kohinaa olisi mahdollisesti saatu vaimennettua lisää, mutta kytkennän toiminnan kannalta tämä ei ollut tarpeellista. 2.2 Komparaattori Diodin virranmuutoksen aiheuttamaa jännitteenmuutosta verrattiin komparaattorikytkennän avulla säädettävään vertailujännitteeseen. Vertailujännitettä säädettiin kahden sarjassa olevan potentiometrin avulla, joista toinen oli 0-40 kω ja toinen kω. Lisäksi potentiometrien kanssa oli sarjassa vastukset, jotta vertailujännitettä pystyttiin säätämään mahdollisimman tarkasti. Komparaattorin ulostuloon kytkeytyy jännite, kun diodin virta laskee riittävän alas, lämpötilan noustessa. 2.3 Hälytysääni Komparaattorilta saatava jännite kytkettiin transistorin 2N2222A avulla Wien-bridge oskillaattoriin. Kytkentää kokeiltiin aluksi ilman transistoria, jolloin komparaattorilta saatava jännite syötti oskillaattorin tarvitsemaa operaatiovahvistinta kuvan 7 mukaisesti. Kytkentä osoittautui kuitenkin liian epäluotettavaksi, joten oskillaattoria ohjaamaan lisättiin transistori, jolloin komparaattoria ei tarvinnut kuormittaa. Oskillaattorin laskettu taajuus oli 15.9 khz [3]. Kuvassa 10 on oskillaattorin muodostaman signaalin kuvaaja. Kuva 10. Wien-bridge siniaalto-oskillaattorin muodostama siniaalto. Signaalin laskettu taajuus oli 15.9 khz, mutta kuvaajasta havaitaan signaalin todelliseksi taajuudeksi noin 8.7 khz. Kaiutin kytkettiin suoraan oskillaattorin ulostulon ja maan väliin.

11 YHTEENVETO Lämpötilahälytin saatiin toimimaan halutulla tavalla ja vaaditut toiminnot toteutettua. Hälytysrajan säätöä olisi voinut muokata vielä hieman tarkemmaksi, sekä kaiuttimelle saatavaa tehoa lisätä esimerkiksi transistorivahvistimen avulla. Lisäksi diodin kanssa sarjassa ollut vastus oli kooltaan pieni, ainoastaan 22 Ω, joten kytkennän läpi kulkeva virta oli suuri, lähes 0.2 A. Suuresta virrasta johtuen vastus lämpeni turhan paljon, joten mikään pattereilla toimiva matkamalli kyseinen kytkentä ei ollut.

12 LÄHTEET [1] Silfsten Vartiainen, Optoelektroniikan luentomoniste [2] Laboratoriotyöohje [3] Floyd T. L., Electronic devices, Prentice-Hall, 1999