電子設計教程30:溫度滯回控制系統

  本節我們用滯回比較器的原理,設置一個溫度滯回控制系統,讓散熱風扇在溫度高於40℃時啓動,在溫度低於25℃時停止。
  我用的溫度傳感器應用的是TPM235,在溫度大於0℃的時候,輸出電壓Vt與溫度t的關係如下:
Vt = 0.5 + 0.01 * t
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  風扇在溫度高於40℃時啓動,此時電壓爲0.9V;在溫度低於25℃時停止,此時電壓爲0.75V。令v_h= 0.9V,v_l= 0.75V。
  參考電壓可以由電阻分壓來提供,如下圖使用R2與R3對Vcc進行分壓。如果在分壓電路後串聯輸入電阻R_in,會有一部分電流通過R_in流入電路,這部分電流會影響參考電壓值,故要求分壓電路的電流“遠大於”流過R_in的電流。如果分壓電路的電流太大,會白白浪費電能,所以電路可以稍加優化,取消輸入電阻,或者說把分壓電阻當做輸入電阻。此時參考電壓U_REF可以理解爲“把5V經過特殊分壓得到的參考電壓”,此處的“特殊”在於分壓電阻受輸出電壓的影響,參考電壓並非一成不變。
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  令u_P=u_N,分析P點的電流關係,或者應用疊加定理,可以求出此電路的閾值電壓:
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  這兩個值仍滿足分析滯回比較器閾值電壓的通用公式。只不過輸入電阻與反饋電阻都不是確定值:將u_O視爲0的時候,R2是輸入電阻,R3//R4是反饋電阻;將提供U_REF的5V電源電壓視爲0的時候,R2//R3是輸入電阻,R4是反饋電阻。由於實際應用的電路沒有負電壓,所以最低輸出是0V,可以刪去v_l的“-(R2//R3)/(R2//R3+R4) Vcc”。
  在將具體數值帶入計算之前,可以分情況討論,把公式進一步化簡:v_h出現的時機是u_O從5V變爲0V的時候,在應用v_h之前的一瞬間,輸出必然是5V。電路可以如下圖化簡:
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  此時R2與R4並聯, 同向輸入端的電壓v_h簡單地用分壓公式就可以求出:
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  同理,v_l出現的時機是u_O從0V變爲5V的時候,在應用v_l之前的一瞬間,輸出必然是0V。電路可以如下圖化簡:
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  此時R3與R4並聯, 同向輸入端的電壓Vl也用分壓公式求出:
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  可以看出,理論計算的結果,與分情況討論的結果是一樣的,但後者更好理解,也更容易計算。將v_h= 0.9V,v_l= 0.75V套入各自的公式。
  由於存在R2,R3,R4三個未知量,但是隻有兩個公式,所以只能計算出三者的比值,不能算出具體數值。可以令某個電阻爲方便計算的整數值,算出另外兩個電阻。比如令R4=100K,可以算出R2=20K,R3=3.659K取3.6K。
  在輸入端加上低通濾波,避免高頻噪聲干擾。在輸出端增加兩個LED,用於指示輸出電壓情況。一般來說運放的輸出級是推輓輸出電路,有較強的帶負載能力,所以能夠直接驅動LED。如果只需輸出高低電平,無需帶負載,可以在運放的輸出端串聯電阻作爲保護。最終完成設計如下:
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