Rozwiązanie krok po kroku: Regulator obrotów wentylatora

Łańcuch sterowania czytam od czujnika do wentylatora:

1. Dzielnik TR1/R1: u1 = 12 V · R1 / (R1 + R_TR1). Przy 25 °C (22 kΩ): u1 ≈ 2,83 V, przy 70 °C (Rys. 4: ok. 4 kΩ): u1 ≈ 7,56 V.
2. Napięcie u2 stabilizuje dioda Zenera: -3,6 V.
3. Wzmacniacz różnicowy (wzór z arkusza): uGS = (R3 + R4)·R6 / (R3·(R5 + R6)) · u1 - R4/R3 · u2 = 0,05 · u1 + 3,6 V. Przy 25 °C uGS ≈ 3,74 V, przy 70 °C ≈ 3,98 V.
4. T1 zaczyna przewodzić po przekroczeniu napięcia progowego (3 ÷ 4 V) i bocznikuje R8 - napięcie na wentylatorze rośnie.

Wyjście wzmacniacza nie powinno więc nigdy zbliżyć się do +12 V.

W temperaturze pokojowej T1 jest zatkany, więc wentylator i R8 tworzą obwód szeregowy z +12 V: uW + R8 · iW = 12 V. Prąd wentylatora nie jest proporcjonalny do napięcia (silnik), więc punkt pracy wyznaczam z charakterystyki iW = f(uW) z Rys. 3 (dolna krzywa, w arkuszu czerwona):

• R8 = 180 Ω → uW ≈ 2,95 V, iW ≈ 50,3 mA, z górnej krzywej ok. 689 obr./min - zgadza się z opisem (ok. 700 obr./min),
• napięcie na R8 (punkt PP4) ≈ 12 - 2,95 = 9 V.

Te liczby posłużą do oceny tabeli 5 i do modyfikacji.

Rezystancje mierzono „przy wylutowanych elementach”, a usterkę usuwa się wymianą elementu - potrzebne są: wkrętak (obudowa zasilacza, mocowanie wentylatora), lutownica i odsysacz do cyny (wylutowanie), w czwartym wierszu pęseta do trzymania drobnych elementów.

• zasilacz - zasilenie układu (wzmacniacz potrzebuje +12 V i -12 V),
• multimetr jako woltomierz - napięcie elektryczne: napięcie wentylatora i w punktach PP1 ÷ PP4.

• multimetr jako omomierz - pomiar rezystancji wentylatora i rezystorów R1 ÷ R8 (wiersze 7 ÷ 15 tabeli 3),
• multimetr jako amperomierz - pomiar natężenia prądu wentylatora iW (wiersz 2).

Pomiary wykonano przy 25 °C i 70 °C na radiatorze - temperaturę trzeba zmierzyć, więc wpisuję termometr (klucz uznaje też pirometr albo multimetr z funkcją pomiaru temperatury). Szósty wiersz zostaje pusty - inne przyrządy nie są potrzebne.

Punkty 1A-1B i 2A-2B łączą PP1 i PP2 z masą - przyrząd jest włączony równolegle, więc to woltomierz (symbol V). Klucz uznaje też oscyloskop.

3A-3B: od wyjścia US1 (PP3) do masy - V. 4A-4B: równolegle do wentylatora - napięcie uW - V.

5A-5B leży w szeregu między +12 V a wentylatorem - przez przyrząd płynie cały prąd iW, więc to amperomierz (symbol A).

Elementy są wylutowane, a zasilanie odłączone - mierzy się rezystancję: TR1 (6A-6B), rezystorów R1 ÷ R8 (7A-7B) i uzwojenia wentylatora (8A-8B). W każde kółko wpisuję Ω (omomierz).

Przy 25 °C sprawny układ daje na wentylatorze ok. 3 V (punkt pracy z R8 = 180 Ω, ok. 700 obr./min), a dopiero przy wysokiej temperaturze napięcie rośnie w stronę 12 V. Zmierzono 11,85 V i 11,87 V - tyle samo w obu temperaturach, czyli pełne obroty bez regulacji → N.

Przy 25 °C prąd powinien wynosić ok. 50 mA (Rys. 3 dla 3 V). Zmierzono 206,5 mA i 206,6 mA - to prąd przy pełnym napięciu (tabela 2: 210 mA) → N.

Przewidywane u1: 2,83 V przy 25 °C i 7,56 V przy 70 °C. Zmierzono 2,797 V i 7,579 V - różnice mieszczą się w tolerancjach rezystora i dokładności odczytu z Rys. 4. Napięcie rośnie z temperaturą tak, jak powinno → T. Czujnik działa.

Dioda Zenera BZX55C-3V6 zasilana przez R2 z -12 V daje ok. -3,6 V. Zmierzono -3,712 V i -3,713 V - poprawnie i niezależnie od temperatury → T.

Ze wzoru: przy 25 °C uGS ≈ 3,74 V (z wartości zmierzonych u1 i u2: 3,85 V), przy 70 °C ≈ 3,98 V - w okolicy napięcia progowego T1. Zmierzono 11,92 V i 11,93 V: wyjście wzmacniacza jest w nasyceniu przy dodatnim napięciu zasilania, mimo poprawnych napięć na wejściach → N. Przy takim uGS tranzystor T1 jest w pełni otwarty w każdej temperaturze.

Przy 25 °C T1 jest zatkany i na R8 odkłada się ok. 9 V. Zmierzono 0,07 V i 0,05 V - otwarty T1 zwiera R8 do masy, cały spadek jest na wentylatorze → N.

Uzwojenie: 58 Ω ±1 % → 57,42 ÷ 58,58 Ω. Zmierzono 57,921 Ω (i 57,922 Ω) → T.

Szereg E24 - tolerancja ±5 %:

• R1: 6,8 kΩ ±5 % → 6,46 ÷ 7,14 kΩ, zmierzono 6,78 kΩ,
• R2: 1 kΩ ±5 % → 0,95 ÷ 1,05 kΩ, zmierzono 0,987 kΩ,
• R3: 10 kΩ ±5 % → 9,5 ÷ 10,5 kΩ, zmierzono 9,87 kΩ,
• R4: 10 kΩ ±5 % → 9,5 ÷ 10,5 kΩ, zmierzono 9,96 kΩ,
• R5: 390 kΩ ±5 % → 370,5 ÷ 409,5 kΩ, zmierzono 394 kΩ,
• R6: 10 kΩ ±5 % → 9,5 ÷ 10,5 kΩ, zmierzono 10,1 kΩ,
• R7: 10 kΩ ±5 % → 9,5 ÷ 10,5 kΩ, zmierzono 10,4 kΩ,
• R8: 180 Ω ±5 % → 171 ÷ 189 Ω, zmierzono 178,3 Ω.

Wszystkie w tolerancji → osiem razy T.

Wejścia wzmacniacza dostają poprawne napięcia (PP1, PP2), rezystory R3 ÷ R7 są w tolerancji, T1 jest sprawny (uwaga w treści zadania), a wyjście stoi na +12 V w każdej temperaturze → US1: N.

D1 daje stabilne -3,7 V (PP2), TR1 zmienia u1 zgodnie z charakterystyką (PP1) → obie T.

Rezystancja uzwojenia w tolerancji, a przy pełnym napięciu pobiera prąd i osiąga obroty z danych katalogowych → T. Wentylator pracuje poprawnie, jest tylko źle sterowany.

Wszystkie pomiary z tabeli 5 w tolerancji ±5 % → osiem razy T.

Do wymiany: US1 - LM358. Na stanowisku jest układ scalony LM358, więc zamiennik to ten sam typ: LM358. Drugi wiersz zostaje pusty.

Prędkość początkową ustala wyłącznie R8 (T1 jest wtedy zatkany). Z Rys. 3: 500 obr./min odpowiada napięciu 2 V i prądowi ok. 35,1 mA. Na R8 musi więc odłożyć się reszta napięcia:

[ R8 = \frac{12\ \text{V} - 2\ \text{V}}{0,0351\ \text{A}} \approx 285\ \Omega ]

W szeregu E24 najbliżej są 270 Ω i 300 Ω. Sprawdzam oba na charakterystyce:

• 270 Ω → uW ≈ 2,1 V, ok. 526 obr./min - na górnej granicy 525 obr./min (w dokładności odczytu wykresu),
• 300 Ω → napięcie spadłoby poniżej 2 V, czyli poza zakres zasilania wentylatora z tabeli 2 (2 ÷ 13,8 V).

Wybieram 270 Ω. Moc: (0,0367 A)² · 270 Ω ≈ 0,36 W, więc rezystor 0,5 W (0,25 W byłby za mały). Obliczenia trafiają na ostatnią stronę arkusza - nie są oceniane.

Element modyfikowany: R8, typ/wartość przed zmianą 180 Ω / 1 W, element dobrany 270 Ω / 0,5 W. Klucz uznaje 240 Ω, 270 Ω albo 300 Ω, każdy z mocą 0,5 W lub 1 W. Drugi wiersz tabeli zostaje pusty.

Na koniec czytam kartę jako całość:

• symbole na schematach odpowiadają aparaturze z tabeli 4 (V, A, Ω), a termometr - pomiarom w dwóch temperaturach,
• wszystkie „N” w tabeli 5 (uW, iW, PP3, PP4) tłumaczy jedno zjawisko: wyjście US1 stoi na +12 V,
• jedyny niesprawny element w tabeli 6 (US1) jest jedynym wierszem tabeli 7,
• modyfikacja dotyczy tylko R8 - wymiana US1 to naprawa, nie modyfikacja.

Po naprawie (klucz tego nie ocenia) warto sprawdzić PP3 przy 25 °C (ok. 3,7 V) i obroty po zmianie R8 (ok. 500 obr./min).