Thermostaat met LM741's

In de afgelopen maand(en) ben ik bezig geweest met het ontwerpen en maken van een thermostaat. De thermostaat functie lijkt te werken, maar de LED's zorgen voor een vreemd gedrag.

OA1 is een stroombron. OA2 is een verschilversterker. OA3 en OA4 zijn comparatoren. OA5 is een geheugencel. De schakeling wordt gevoed met een capacitieve voeding, gevoed door netspanning. De spanning wordt vervolgens afgevlakt. Het relays schakelt lampen die de NTC opwarmen.

De werking zou de volgende moeten zijn: geheugencel OA5 wordt geactiveerd wanneer NTC1 kouder is dan 40 *C. Het relays gaat dicht. De sensor wordt warm. Boven de 40 *C wordt de geheugencel gereset en gaat het relays open. De temperatuur daalt. Onder de 38 *C wordt de geheugencel weer geactiveerd.

OA3 is verbonden met de SET ingang. OA4 is verbonden met de RESET ingang.

De LED's zouden moeten branden bij: D5 > 38*C; D6 < 40*C. Als ze allebei branden wordt de geheugencel gelezen.

Zodra ik de drukknop indruk gebeurt er het volgende: de spanning bij (B) zakt van 14,50V naar 14,35V. De spanning bij (C) zakt van 10.20V naar 10.10V. Dit gebeurt niet wanneer ik NTC1 weghaal. Met NTC1 aangesloten zakt de spanning verder wanneer ik de NTC opwarm tot net onder het tweede omslagpunt (40 *C), tot onder de 9V bij (C). Daarna gaat het relays open, en stijgt de voedingsspanning naar de originele waarde. Wanneer de ntc dan afkoelt maar boven de 38 *C gaan beide lampjes uit. Dit is niet de bedoeling.

Het relays vraagt 40mA bij 12V. De voeding zou wel zo'n 100mA moeten kunnen leveren. Dus ik vind het vreemd dat de spanning uberhaupt afneemt. Verder snap ik niet waarom dit gedrag geactiveerd lijkt te worden door het indrukken van de drukknop. En helemaal raar dat het nog verder veranderd bij een andere NTC waarde (2.5 Ohm bij 25 *C, zakt tot ongeveer 2 Ohm), alleen bij het indrukken van de knop.

Wellicht gooit mijn hysterese-weerstand Rfb roet in het eten. Of misschien had ik de LED's anders moeten plaatsen, zodat ze de geheugencel niet beinvloeden. Toch kan ik maar niet goed begrijpen wat er mis gaat. Is er iets eigenaardigs aan de hand of is uiteindelijk mijn ontwerp nog niet goed? En waar moet ik beginnen om factoren uit te sluiten en tot een oplossing te komen?

Bij voorbaat dank voor het meedenken

blackdog

Golden Member

Hi mad scientist,

In de datasheet staat dat zowel de ingangs commonmode alsook de uitgangs commonmode 2V is.

Daar zal je dus rekening mee moeten houden bij het bepalen van de DC spanningen aan de uitgang en ingangen van de opamps.

Dus de uitgang van een LM741 kan niet naar "0" volt gaan.
Afhankelijk van de belasting van de uitgang kan 1 tot 2,5V zijn.
Dit geld ook als de uitgang naar de plus gaat.

En dan hebben we het zelfde soort gedrag met de ingangen van de LM741, ook daarbij geld dat je niet te dicht bij de voedingslijnen moet komen.
Het kan zelfs zo zijn dat als je te dicht bij de voeding komt met de ingangen dat de uitgang omklapt wat men "Phase Reversal" noemd.

Wil je de uitgang redelijk goed naar "0" kunnen krijgen en dat ook de ingangen rond de "0" kunnen werken dan is een LM324 een betere optie.
Maaar... :-) Je gebruikt een zeer hoge versterking bij OA2 en dan maar hopen dat de offsetspanning van deze opamp de goede waarde heeft...
Een betere opamp is een LT1013, deze heeft net als de LM324 een ingangs commonmode voor de ingangen en de uitgang die naar de "0" kunnen gaan.

Waarom een 2,5 Ohm NTC, ligt deze waarde vast?

Groet,
Bram

Waarheden zijn "Illusies waarvan men vergeten is dat het illusies zijn"

Hallo Bram,

Bedankt voor de vlotte reactie. Ik begrijp dat het netter zou zijn om rail-to-rail opamps te gebruiken, maar ik begrijp niet hoe dat het probleem zou kunnen verhelpen.
Totdat ik de lampjes toevoegde (en de hysterese weerstand) leek alles goed te werken. Tenminste, ik heb niet de voedingsspanning gemeten. Maar de commonmode leek geen belemmering voor de functies van het versterken, vergelijken en de geheugencel.
Als het toch aan de commonmode ligt, waarom zou het dan helpen om rail-to-rail opamps te gebruiken? Wat gaat er nu fout in de schakeling, waarmee ik geen rekening heb gehouden?

Dank tot zover,
Mark

blackdog

Golden Member

Hi mad scientist,

Laat eens een foto zien van wat je gebouwd hebt.
Heb je ook aan goede ontkoppeling gedacht.

Verder zie ik ook geen compensatie condensatoren rond de opamps, zijn de opamp stabiel in verschillende toestanden?
Heb je met een scoop op alle opamp uitgangen gekeken??

Groet,
Bram

Waarheden zijn "Illusies waarvan men vergeten is dat het illusies zijn"

Een rail to rail opamp heeft een groter uitstuurbereik, je zou ook de LM358 kunnen gebruiken dat is een 'near to ground opamp', wat betreft jou eerste twee opamps.

Daarna volgen drie comparatoren die zou je het beste kunnen vervangen door drie echte comparatoren; de LM393 (waarvan er vier in één behuizing zitten).

Het beste kan je doen wanneer je gaat ontwerpen, bij welke tempratuur/spanning moet het ding áan'of 'uitgeschakeld' worden, op basis daarvan ontwerp je je schakeling.

"tijd is relatief"

Die verschilversterker OA2 kan nooit werken zo. Om te beginnen zitten de ingangen verkeerd-om. Maar dan nog zou je hier een negatieve uitgangsspanning krijgen, en dat gaat niet zonder negatieve voeding.

Op 17 januari 2019 19:41:47 schreef Martin V:
[...] de LM393 (waarvan er vier in één behuizing zitten).

Ik denk dat je de LM339 bedoelt, de LM393 is een dual opamp comparator (maar de vergissing is begrijpelijk).

@LetterHenk: Touché

Hoe groot zijn die condensatoren C2 en C3? Die moeten de hele zaak voeden tijdens de nuldoorgangen, dus daar heb je redelijk grote condensatoren nodig. Zeker een paar honderd uF.

Ik zou alles eerst een uittesten op een breadboard met een echte voeding. Zolang het aan de netspanning ligt is het lasti om te testen en te meten.

En dan een relais op de uitgang?
Die condensatorvoeding levert niet meer dan 10 mA, dus dat moet al een heel knap relais zijn als die daar op werkt.

LetterHenk

Golden Member

Op 17 januari 2019 19:55:08 schreef Kruimel:
LM393 is een dual opamp

dual comparator

(maar de vergissing is begrijpelijk).

Waarvan akte ;)

Action expresses priorities LH

En OA5 werkt zo ook niet. Ook daar zitten de ingangen verkeerd-om, en als meekoppeling kun je beter een weerstand gebruiken ipv D9,D10.

Je voeding levert altijd 52mA (bij 230V en C1 = 1µF).
Alleen parallelstabilisatie kan bij een condensatorvoeding toegepast worden.
Je spanningsstabilistie moet dus zoiets worden.
De paralleltransistor wel van een koelvinnetje voorzien.

code:


    ------+------+-------------+----
          |      |             | 
          |     | | 68 ohm    | | R4
       e  |     | |           | | 47 k
  BD136    \| b  |             |
  oid      /|----+  -----------+
       c  |     _|_/           |
          |     / \  TL431    | | R6
          |      |            | | 15 k
          |      |             |
    ------+------+-------------+----
Bezoek mijn neefjes' site: www.tinuselectronics.nl

Hieronder een paar foto's van mijn productie :) Ik ben bang dat het winnende antwoord er nog niet tussen zit.

De ingangen van OA5 heb ik verkeerd in het schema getekend, die zitten dus in werkelijkheid goed. De voeding levert in principe genoeg stroom, en ik denk dat de condensatoren groot genoeg zijn (C2 = 1000uF, C3 = 470uF). De verschilversterker werkt wel goed, ik zal nog nakijken hoe ik hem gesoldeerd heb.

Wat ik vreemd vind is dat het relays gewoon klikt, en dat de voedingsspanning goed blijft, totdat ik het knopje indruk. Kan iemand uitleggen wat het verband zou zijn tussen de uitsturing van de opamp en het niet goed functioneren van de lampjes.

Wat ik ook misschien niet goed uitgelegd heb is dat bij een temperatuurstijging eerst het 40 graden lampje brandt (het relays is gesloten), vervolgens allebei de lampjes, daarna klikt het relays open en brandt alleen het 38 graden lampje. Zoals het hoort. Maar bij vervolgens een temperatuurdaling gaan beide lampjes uit, daarna klikt het relays weer dicht en gaat het 40 graden lampje weer aan. Dat vind ik vreemd, ik kan het ook niet goed verklaren. In principe klikt het relays dus wel op de goede momenten. Maar de lampjes werken niet goed, en in mijn zoektocht naar de reden daarvan vond ik dat de voedingsspanning daalt bij het inschakelen van de LED's, wat ik vreemd vind aangezien de LED's geen groot vermogen trekken.

Ik heb geen oscilloscoop tot mijn beschikking. Op mijn breadboard was alles stabiel. Ik had toen alleen nog geen LED's toegevoegd.

Excuses voor de onzorgvuldigheid en onduidelijkheid tot nu toe. Als er nog meer informatie nodig is hoor ik het graag.

Zie ik nu goed dat je en serie condensator voeding gebruikt ?

Die losse NTC zo naar buiten lijkt mij dan niet zo veilig.

Je voeding kan echt niet veel leveren. met relais aan is er niet veel overschot denk ik. Tevens is de NTC waarde zo klein dat OA2 "gevaarlijk" ingesteld moet worden. Samen met de voeding die misschien wat wijzigt kan de boel in de bepaalde condities aan het oscilleren slaan en veel meer stroom gaan trekken dan verwacht.

zonder ledjes werkt het nog steeds goed?

Ik heb Rfb weggehaald en nu doen de LED'jes het goed en blijft de voedingsspanning stabiel. Maar nu trilt het relays weer bij het omslagpunt, daarom had ik Rfb toegevoegd om hysterese toe te voegen aan comparator OA4. Is er een andere manier om het trillen te voorkomen? Door ontkoppeling misschien? Maar waar, parallel aan het relays, of een filter bij M3? En hoe groot moet ik de condensator dan kiezen?

Ha mad scientist,

Draadje gemist even mee gelezen.
Maar dat gaat niet goed met je LED's op deze manier in samenwerking met de terugkoppeling heb je een oscillator.
Als je een scope had kan je dit mooi gezien dus ook op de voedingsspanning.
Nu is het wel zo en @blackdog heeft hier al op gewezen... wat heb je ontkoppeld ik zie nergens een condensator bij je Opamps.
En bij je TL431 is die niet te groot?

Verder is er niets op tegen temperatuur sensor en een vensterdiscriminator met dubbele hysteresis die laatste kan ook met een Opamp.

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.