Kattints a képre, a nagyobb felbontású rajz megtekintéséhez!

Hőmérséklet kijelzése

Tekintve, hogy a ventilátor fordulatát és borda hőmérsékletét egy T_min/T_max (hőfok) feszültségtartományhoz igazítjuk, sok áramköri megoldás után célszerűnek láttam egy LM3914-es LED-meghajtó integrált áramkört alkalmazni. Az integrált áramkör a bemeneti feszültségének függvényében, tíz LED-et képes kapcsolni, ha a bemeneti feszültség a Ref_Lo és Ref_Hi feszültség értékei között van, lineáris lépésekben. Így a kijelzés is megoldódott.

Ez a működési mód meglehetősen jól illeszkedik a T_min/T_max elvárt hőmérséklet (feszültség) tartományunkhoz, de főképpen T_min/T_max értékének független beállításhoz. Így más feladatunk nincs is, mint a Ref_Lo és Ref_Hi feszültség értékét, a kívánt T_min/T_max táblázatunkból kiolvasott feszültség értékére beállítani a működési hőmérséklet szerint.

Így az első LED közel T_min hőmérsékletnél, míg az utolsó LED T_max hőmérsékletnél fog jelezni. A borda hőmérséklet-növekedése így megítélhető, ha a diódákat a készülék előlapján helyezzük el.

Hőmérséklet szabályozása

Az áramkörben, a szokásokkal ellentétben, nem közvetlen a hőmérséklettel arányos visszacsatoló jeléből képezzük a szabályzó-ellenőrző jelét, hanem "róka fogta csuka jeligére" a kijelzésből alakítjuk át a szabályozáshoz szükséges vezérlő feszültséget.

A hőmérséklet kijelzése a T_min/T_max hőmérséklet-tartományát 10 diszkrét pontra bontja. (Pontosabban 9+1 pont lesz, mert a 10. LED már a védelmi relét fogja működtetni.) A szabályozás sem lesz egy folytonos, monoton növekvő függvény, hanem a ventilátor feszültsége is 4..12V között, 10 pontból fog állni. Vagy is a szabályzó vezérlését apró lépcsők fogják jellemezni. A megoldás a borda hűtése szempontjából nem jelent gondot, de a fordulatszám változás nem folyamatosan, hanem lépcsőzetesen fog létrejönni.

A szabályzó fokozat bemeneti jelét egy egyszerű "Digital-Analóg" konverterrel (DAC) készítjük az LM3914 „kimeneti áramjeléből”. Az IC1 a LED-eket egy-egy beállítható, és állandó áramú áramgenerátorral hajtja meg. Tekintve, hogy a kijelzőt oszlopdiagram (BAR) üzemmódban üzemeltetjük (9. láb a tápon), a LED-ek a hőmérséklet növekedésére egymás után gyulladnak fel, de úgy, hogy az előzőek mindvégig égve maradnak. Ha a LED-ek tápfeszültség-oldali ágáramát egy közös Shunt ellenállásra (R7) vezetjük, akkor az ellenálláson mérhető feszültség, a bekapcsolt LED-ek számától függően arányosan nőni-csökkenni fog.

Mivel az első LED bekapcsolásakor a ventilátor indulásához egyből kb. 4V "start feszültséget" biztosítani kell, egy "feszültség szinteltoló" áramkört alkalmazunk, egy Darlington tranzisztor személyében. Ez tulajdonképpen egy "nagyáramú" zénerdiódaként viselkedik. A LED1 bekapcsolásakor a darlington tranzisztoron megjelenik a két soros bázis 1,2V feszültsége, és az áram növekedésekor (ahogy a LED-ek sorban kapcsolnak be) a feszültségesés a tranzisztoron már nem nő tovább. A Shunt ellenálláson és a Darlingtonon eső feszültségösszeg lesz a DAC szabályzó erősítő fokozatának vezérlő jele. Most már nincs több dolgunk, mint ezt a DAC feszültség változást felerősíteni a ventilátor 4..12V tartományba.

Figyelem! A DAC feszültségét, vagyis a szabályzó erősítőfokozat bementi jelét, mindig a +12V-hoz képest mérjük, nem a GND-hez, mint ahogy a ventilátorra jutó feszültséget is ehhez a ponthoz képest értelmezzük!

LM3914 áramgenerátor és referencia feszültség beállítása

Tekintve, hogy a LED-áramoknak a DAC működésében fontos szerepe van, pontosan meg kel határoznunk, egy LED áramgenerátorának áramát, és biztosítani kell annak változatlanságát.

A LED-áram, és a referencia feszültség beállítása egy közös ponton történik. (Az áramkör lábszámának csökkentése érdekében a két funkciót összevonták.) A referencia feszültség számításánál, (mely csak egy feszültségosztó beállításával egyenlő) figyelembe kell venni a LED-ek áramgenerátorának beállítását is. A LED-eken folyó áramot tulajdonképpen a referenciaforrás (U_ref-Out) terhelőárama fogja meghatározni, pontosabban egy LED-en átfolyó áram ennek a terhelőáramnak hozzávetőlegesen a tízszerese lesz.

Az IC1 belső referencia feszültsége 1,25V. A fokozat működése olyan, hogy addig szabályozza U_ref-Out kimeneti feszültségét az IC, míg a Ref-Out mínusz a Ref-ADJ feszültség különbsége meg nem egyezik a belső referencia feszültség értékével. Vagyis az IC1 6 és 7-es lába között mérhető feszültség mindig 1,25V értékű lesz. (Természetesen, ha a tápfeszültség elégséges a Ref-Out/GND feszültség beállításához.) Jelenleg alapvetően erre a két lábra kötött R6 2,2kOhm-os ellenállás fogja meghatározni a referencia terhelőáramát. Ahol I_ref=U_ref/R6=1,25V/2,2k=0,568mA.

Az IC1 Ref-ADJ szabályzó, bemeneti lába is "fogyaszt áramot", ami adatlap szerint 80..100uA értékű. Tehát a LED-áram számításánál ezt is figyelembe kell venni. Így I_ref értéke 0,668mA-ra nő. A LED áramgenerátor árama ennek közel tízszerese, vagyis kb. 6,68mA lesz.

Az IC1 paramétereinek szórása miatt, a tényleges LED-áram értéke 6,7..6,8mA között fog beállni.

A T_max hőmérséklet értékét, a Ref-Hi feszültség értéke fogja meghatározni, Ref-Hi, avagy a Ref-Out feszültség értékét, amit az R6 és P1 ellenállásokon eső feszültség összege fog kiadni.

R6 ellenálláson mint tudjuk 1,25V feszültség esik. Ha P1 rövidzárban van (feszültség nem eshet rajta), akkor Ref-Out (minimális) feszültség értéke, 1,25V. Ha P1 maximumra van tekerve, akkor azon az U_P1 feszültségesés az I_ref*P1 értéke fogja meghatározni. I_ref értéke 0,668mA (mert a P1 trimmeren az ADJ árama is átfolyik). Tehát P1-en eső feszültség U_P1=I_ref*P1=0,668mA*10k=6,68V. Ehhez jön még hozzá, a 2,2kOhm-on eső 1,25V feszültség. Tehát Ref-Out (maximális értéke)=7.93V lehet.

Az NTC táblázatából leolvasható, hogy a T_max értéke milyen hőfokra állítható be. 30..60°C tartományhoz kb. 1,3..3,5V feszültség tartozik, így látható, hogy a T_max értéke széles hőmérséklet tartományban beállítható lesz. Ez a feszültség az LM3914 6-os lábán mérhető, és a táblázat alapján konvertálhatjuk hőfokra.

A T_min hőmérséklet értékét, a Ref-Lo beállított feszültsége fogja meghatározni. Az IC1-ben a Ref-Hi és Ref-Lo lábak között, 10db, 1kOhm-ból álló, azaz 10kOhm-os összértékű ellenállás van (lásd: adatlap). A Ref-Lo és GND lábak között, pedig a P2 "T_min" beállító potméter. Ha a P2 potméter rövidzárban van, akkor a teljes referencia feszültség, a belső osztóra esik. Vagyis Ref-Out=Ref-Hi valamint Ref-Lo=0V lesz. Ha a P2 maximális állásban van, akkor a belső osztón és a P2 ellenállásán megoszlik Ref-Out feszültsége. Tehát P2 maximális állásában Ref-Lo=Ref-Out/2 értékű lesz, azaz, ha Ref-Out feszültségét 5,3V-ra (80°C-ra) állítjuk, akkor Ref-Lo 0..2,65V (0..50°C) között állítható be, melynek értéke az LM3914 4-es lábán ellenőrizhető.

Tekintve, hogy a LED1 nem a Ref-Lo feszültségén kapcsol, hanem a tíztagú osztó miatt kb. 10%-al magasabb feszültségen, ezért LED1 működésbe lépése Ref-Lo+(Ref-Hi - Ref-Lo)/10 értékű lesz de ez a számított hőmérsékleti értékhez képestl egfeljebb +3..+5°C hibát fog jelenteni Ref-Lo beállításakor.

Szóra érdemes még az IC2b szerepe. Feladata, hogy az IC1 referencia osztójának terhelésétől mentesítse a referencia áramkört, mert ha P2 potit tekergetjük, akkor változik a referencia osztó ellenállása 10..20kOhm között. Ez terhelőáram változást hozna létre a Ref-Out kimeneten, amitől T_min értékének beállítása alatt változna a LED-áram, vagyis a DAC - végső soron a ventilátor feszültsége. Ezt a hibát küszöböli ki az IC2b követő erősítő, melynek FET bemenete nem terheli a referencia feszültséget, így P2 állítása nem okoz LED-áram változást.

Szabályzó erősítő és DAC beállítása

A DAC által szolgáltatott feszültséget kell felerősítenünk 0..12V feszültségre. Az erősítő egy neminvertáló típusú erősítőnek felel meg. (Ránézésre nem az, de mint látható, a FET-es végfokozat is fázist fordít, így, ha a ventilátor feszültség pontjáról a neminvertáló lábra csatolunk vissza, negatív visszacsatolást hozunk létre.) Ennek a fokozatnak erősítését a ventilátorral párhuzamos feszültségosztó ellenállásának aránya határozza meg. A_u=1+(R14/R13)

A DAC T_max végérték feszültségét a következőképp számítjuk ki: a Darlington által szolgáltatott 1,2V feszültséghez jön hozzá a 9 LED árama által a Shunt ellenálláson eső feszültség. (A 10. LED nincs a DAC körébe kötve, az a védelmet működteti.)

Az 51Ohm-os Shunt ellenállás érték mellett a feszültség U_DAC=(I_LED*9*R7)+1,2V=(6,8mA*9*51Ohm)+1,2V=4,32V, amit a ventilátor számára kb. 12V-ra kell erősítenünk. Ehhez a szükséges feszültség erősítés mértéke,:A_u=U_ki/U_DAC=12V/4,32V=2,78

A két ellenállás aránya R14/R13=A_u-1 vagy is 1:1,78. Tehát az osztó felső tagjának 1,78-szor nagyobbnak kell lenni, mint az alsó tagjának. Alsó tagnak 5,1kOhm-ot választva a felső tag 5,1k*1,78=9,078kOhm vagyis a felső tagot 9,1kOhm-ra kell választanunk.

Ha a Start feszültséget nézzük, akkor a Darlington, plusz az első LED feszültsége jön számításba. U_str=1,2V+(6,8mA*51Ohm)=1,547V. A_u=2,78 erősítés mellett ez U_str*A_u=1,547V*2,78=4,3V, ami általában már biztosítja a ventilátor biztos indulását.

A kapcsolás talán legfőbb értéke, hogy ha az R7 Shunt ellenállás értékét, és az erősítést megfelelően választottuk meg, akkor bármely T_min/T_max hőmérséklet beállításakor a ventilátor mindig automatikusan a 4..12V feszültségtartományt futja be. A védelmi szint megegyezik T_max értékével. Ha elsőként a T_max értékét, majd a T_min értékét állítjuk be, a beállításoknak nincs egymásra hatása. Tehát nem szükséges iterációt alkalmazni beszabályozás alatt.

Maximum hőmérséklet kiválasztó fokozat

Az IC3-ból épített fokozat biztosítja, hogy az áramkör két egymástól független, és különböző hőmérsékletű bordát ki tudjon szolgálni. Az áramkör bementi jele a két NTC osztó kimeneti feszültsége, melyből az LM3915 bemenetére mindig csak a magasabb hőmérsékletű borda feszültségjele jut. Így egyetlen mérő-szabályzó áramkörrel képesek leszünk figyelni és szabályozni  két, fizikailag különálló hűtőborda hőmérsékletét is.

Az áramkörben D14/D15 dióda gyakorlatilag egy "analóg VAGY kapu"-t alkot, ahol a dióda nyitófeszültsége által okozott hibát, a műveleti erősítő kiküszöböli. Teljesen analóg módon, mint ahogyan egy csúcsegyenirányító működik, csak itt két bemenet van. Az R3-R4 ellenálláson eső feszültségek közül mindig a nagyobb fog megjelenni R5 ellenálláson.

Amennyiben csak egyetlen hűtőborda hőmérsékletét szeretnénk figyelni, akkor az LM358-at és hozzá tartozó diódákat ellenállásokat nem szükséges a panelbe beültetni. Ekkor a megfelelő NTC osztó felől a műveleti erősítő helyén a két (±) bementi láb közé egy rövidzár építendő be. (2-3 vagy 5-6 lábakhoz) Tehát ekkor az NTC/1kOhm feszültségosztója közvetlenül csatlakozik az LM3915 5. lábára.

Ekkor R4, R5, R9, D12, D14, D15, és IC3 alkatrészeket sem ültetjük be.

Védelmi relé kimenet

Ennek a fokozatnak a működése az áramkörben csak opcionális, tekintve, hogy maga a relé nem foglal helyet a panelen. T_max hőmérséklet elérésekor, a 10. LED jelez. A LED-diódán eső feszültség kinyitja a T2 tranzisztort, és így meghúz a relé. Hogy a relé váltása határozott legyen, az áramkörben két visszacsatoló ellenállás (R9/R10) biztosítja a hiszterézist. A hiszterézis a D12/D13 diódának köszönhetően a T_max megszólalási pontját nem, csak a visszabillenési szintjét fogja befolyásolni.

Amennyiben nem relével szeretnénk kiegészíteni az áramkört, csak a T_max hővédelmi jelzést szeretnénk továbbvinni más áramkör felé, célszerű a relé védődióda helyére egy 1kOhm-os ellenállást ültetni. Ekkor a relé kimeneten egy 0/12V szintű logikai jelet kapunk. A jelszint magas, ha a védelem működésbe lép.

Amennyiben nem kívánunk védelmi relét/jelzést kiépíteni, R8, R9, R10, D11, D12, D13, és T2 alkatrészeket nem szükséges beépíteni.