EGY DOBOZ BELSŐ HŐMÉRSÉKELTÉNEK BEÁLLÍTÁSA ÉS MEGARTÁSA
Az elektronikával foglalkozó emberek sokszor építenek házilag erősítőket, nagyrészt tranzisztorokból. Ehhez viszont célszerű egy olyan berendezést készíteni, amely a tranzisztorok bétáját meg tudja mérni azonos hőmérsékleten. Az erősítőkhöz fontos a tranzisztorok bétája, azaz az áramerősítési tényezőjük. A béta érték egy szorzó. Ha egy tranzisztornak 20-as a bétája akkor, ha 1A áramerősség folyik be a bázis lábán, akkor 20A fog kifelé folyni. Persze ez egy kicsit magas érték, egy kisebb tranzisztor nem is képes rá. A feladat adott: digitális multiméterrel mérjük meg a bétákat. A baj csak annyi, hogy ez a béta érték nagyon hőmérsékletfüggő. Ha a hőmérséklet –50°C-ről +25°C-ra növekszik, akkor a tranzisztor bétája megközelítőleg kétszeresére növekszik. +25°C-ról +100°C-ig (ez is 75°C-os növekedés) az áramerősítési tényező növekedése 30-40%-os. Tehát az alacsonyabb hőmérséklettartományban a béta értéke kb. 1,5 %-ot magasabb tartományban kb. 0,5 % nő fokonként. Így hát elhatároztam, hogy készítek egy olyan dobozt, amelynek a belső hőmérsékletét szabadon lehet állítani és pontosan tartja a megadott hőmérsékletet Az első elképzelésem az volt, hogy beépítek a dobozba egy fűtőellenállást, egy hűtőbordát egy ventillátorral és még berakok egy mérőműszert, amely a hőmérsékletváltozást az ellenállásának a változásával jelzi. A hűtőbordát a hungarocell kocka egyik oldalába raktam később bele úgy, hogy egyik fele a kinti, másik fele a benti levegővel érintkezett. A vezérlést nagyon egyszerűen képzeltem el: ha hideg van, fűtsön, ha meleg van, hűtsön, de persze egy kis hiszterézissel, azaz ± egy fok eltérésnél ne csináljon semmit. Az alábbi grafikonon ábrázolom a hőmérséklet változását az idő függvényében: 12°C 6°C °C -6°C -12°C
Magyarázat: Magyarázat: tegyük fel, hogy növelni szeretnénk a belső hőmérsékletet 10 fokkal. A fűtőellenállás elkezd fűteni, de a hatását csak néhány 10 másodperccel később észleli a dobozba épített mérőműszer, így ”túlcsordul” a fűtés, aminek következtében 1. oldal
hűteni kell. Később a hűtés érezteti a hatását, s megint átsiklik a kiválasztott hőmérséklettartományon, és kezdődik elölről a folyamat. A hőmérsékletváltozás eseteit végigvizsgálva a következő grafikont kapjuk:
Az első esetben (zöld) a hőmérséklet sosem éri el a kívánt értéket. A második (kék) túlvezérelt, azaz a már fent bemutatott hiba vehető rajta észre. A harmadik (piros) az, ami kell nekünk. A következő vezérlést úgy kívántam megvalósítani, hogy a fűtőellenállást és a hűtőbordát meghagytam, és azt mondtam, hogy a hűtést folyamatosra állítom, és a fűtőellenállás fűtőértékének változásával érem el a beállított hőmérsékletet. Ezt a fajta fűtőérték állítást egy frekvencia kitöltési tényezőjének változtatásával képzeltem elérni, a következőképpen:
Ezt a frekvenciát elektronikusan nagyon könnyű előállítani, csak egy 555-ös jelzésű Integrált chip, néhány ellenállás, kondenzátor, tranzisztor s egy potméter kell az elkészítéséhez. De még hátra van néhány nagyon fontos mérés. Ezek elvégzéséhez összeraktam a dobozt hőszigetelő anyagból, hungarocellből. Vásároltam fűtőellenállást, kölcsönkértem mérőeszközöket (pontos hőmérők, digitális multiméterek). A fűtőellenállás és a hűtőborda kiválasztásakor figyelembe kellett vennem, a mérendő hőmérséklettartományokat. Esetemben ez ~25-55 Celsius fok lesz. A hűtőbordának viszonylag nagynak kell lennie, hogy ha 25 fokot szeretnék 2. oldal
elérni, akkor még a szobahőmérséklethez képest kicsiny különbségi hőmérsékleten is nagy hőmennyiség leadására legyen képes. A fűtőbetétet pedig ugyancsak nagyra kell választani, mivel 55 fokos hőmérsékletnél a hűtőborda nagy hőteljesítményt vezet el. Ezután megmértem a hungarocell kocka és a hűtőborda hőellenállását. A hőellenállást a következőképp számoltam: Rt= ∆T/P A ∆T-t két hőmérő, egy kinti és egy benti hőmérő segítségével mértem. A teljesítményt pedig a P=U2/R alapján számoltam. A fűtőtest ellenállása 6,8 Ω volt és a vezetéké, amelyen keresztül kapta a feszültséget 0,4 Ω volt. Így összesen 7,2 Ω-mal kellett számolnom. A hungarocell kocka esetében 3,3 V-ot kapott, míg a hűtőborda esetében 5Vot kapott a fűtőellenállás, mert az sokkal nagyobb hőt ad le A hungarocell kocka hőellenállása a következő grafikonról olvasható le:
60,00 ∆T 50,00 ∆T 40,00 ∆T 30,00 ∆T 20,00 ∆T 10,00 ∆T 0,00 ∆T
Míg a fűtőellenállás hőellenállása a következő grafikonról olvasható le: 20,00 ∆T 0,00 ∆T 0:00:00
0:02:50
0:04:50
0:09:50
0:16:10
0:26:00
1:09:00
3. oldal
Néhány kép a mérésről:
A hungarocell kocka egyik oldalába raktam a hűtőbordát, így a hungarocell kocka hat oldalából csak ötöt kell számolni a hőellenállás eredőjének a kiszámításakor. Ezt figyelembe véve a hőellenállás eredőjét a következőképpen kapjuk meg: 1/Re = 1/Rhűtőborda + 1/Rhungarocell kocka*5/6 A végeredmény: 5,18°C/W Így körülbelül 5,18 W teljesítményt kell rákapcsolni a fűtőellenállásra. Most pedig következzék a kapcsolás leírása: Az 555 ICt általában időzítőkhöz, oszcillátorok készítéséhez szokták használni. Az adatlapján lehet ezt a kapcsolási rajzot találni:
A kapcsolás mellett megad néhány frekvenciaszámolási egyenletet, de a BSS elektronika honlapján (http://www.bss.freeweb.hu/) is található egy kalkulátor. A frekvencia és a kitöltési idő az R1, R2 és a C1 alkatrészek értékének megadásától függ. Én az alábbi értékeket használtam: C1 : 33 µF ; R2 : 20 KΩ ; 4. oldal
és R1 helyére raktam a potit, ami P1 : 50 KΩ. A fűtőellenállást pedig egy tranzisztoron keresztül hajtottam meg. Az Integrált chip 5 V és 15 V közötti feszültséggel működik. Én 6 V-ot adtam rá (P=U2/R)(5W), mert a 12 V már 20 W-ot jelent a fűtőellenállásnak, ami már nagyon sok számára. Üzembe helyezés után letekertem a potit néhány KΩ környékére, s néhány perc várakozás után megnéztem, hány fokot mutat a hőmérő. Majd feltekertem a potit a legmagasabb állásába, s megint néhány perc múlva megnéztem, hány fokot mutat a hőmérő. Utána kikapcsoltam, s lineárisan beosztottam a potenciométert hogy hol hány fokra fűti fel a fűtőellenállást. Ezután már vígan lehet méricskélni a tranzisztorok bétáját... Tanár: Vörös Ágnes; Iskola: I. István Kereskedelmi és Közgazdasági Középiskola Név: Oláh Balázs; Cím: Székesfehérvár, Vágújhelyi u. 24/B
5. oldal
