Rozwiązanie krok po kroku: Diagnostyka termostatu elektronicznego

Na schemacie są dwa niezależne tory:

• sterowanie grzałką: mostek z termistorem R8 → komparator U1 → R5, D1 → T1 → przekaźnik P1 (z diodą D2 i czerwoną LED D3),
• sygnalizacja zasilania: R7 i zielona LED D4 wprost między +12 V a masą.

Objaw „temperatura utrzymywana, zielona dioda nie świeci” wskazuje na tor R7-D4, bo tor sterowania działa. Pomiary sprawdzą, czy to rezystor, czy dioda.

Kontrola mostka (suwak R9 w środku): PP2 = 12 V · (R1 + R9/2) / (R8 + R9 + R1) → przy 20 °C (R8 = 12,488 kΩ) 5,4 V, przy 30 °C (8,059 kΩ) 6,57 V.

Próg w punkcie PP3 zależy od stanu wyjścia (dodatnie sprzężenie przez R4):

• VpH (wyjście 10,08 V) = 6,044 V, VpL (wyjście 1,99 V) = 5,956 V - dokładnie jak w tabeli 3.

Uwaga do wzorów w arkuszu: symbol VZ w liczniku VpH i VpL oznacza tu napięcie, do którego dołączony jest R2 - liczby z tabeli 3 wychodzą tylko dla 12 V (napięcie zasilania), nie dla napięcia diody Zenera D1 (5,1 V). Na wynik H nie ma to wpływu, bo VZ się w nim skraca.

Napięcia PP1 ÷ PP6 względem masy - multimetr (woltomierz), funkcja: pomiar napięcia elektrycznego.

Rezystancje R1 ÷ R7 po wymontowaniu z układu - multimetr (omomierz), funkcja: pomiar rezystancji.

Złącza T1 i diod D1 ÷ D4 mierzono „na zakresie przeznaczonym do testowania diod” - tester diod (funkcja multimetru), funkcja: pomiar spadku napięcia na złączu pn.

Napięcia zmierzono przy 20 °C i 30 °C - temperaturę przy termistorze trzeba kontrolować termometrem (klucz uznaje też pirometr). Piąty wiersz: zasilacz 12 V - bez niego nie da się zmierzyć napięć w pracującym układzie.

Te pięć pozycji wynika wprost z rodzajów pomiarów w tabeli 3 - na tym polega kryterium ogólne R.1.1.

• PP1 - napięcie zasilania 12 V w obu temperaturach → T,
• PP2 - przewidywane 5,4 V i 6,57 V, zmierzone 5,410 V i 6,590 V → T,
• PP3 - progi 6,044 V i 5,956 V, zmierzone 6,044 V i 5,956 V → T,
• PP4 - przy 20 °C (zimno) PP2 < PP3, wyjście w stanie wysokim (10,08 V, grzałka włączona), przy 30 °C - w niskim (1,99 V) → T,
• PP5 - baza T1: 728 mV (złącze przewodzi) i 278 mV (tranzystor zatkany, wyjście poniżej napięcia D1) → T,
• PP6 - kolektor T1: 80,5 mV (nasycenie, przekaźnik załączony) i 12 V (wyłączony) → T.

Sześć razy T - tor sterowania grzałką działa.

Szereg E12 - tolerancja ±10 %:

• R1: 10 kΩ ±10 % → 9 ÷ 11 kΩ, zmierzono 10,05 kΩ,
• R2: 22 kΩ ±10 % → 19,8 ÷ 24,2 kΩ, zmierzono 21,55 kΩ,
• R3: 22 kΩ ±10 % → 19,8 ÷ 24,2 kΩ, zmierzono 22,12 kΩ,
• R4: 1000 kΩ ±10 % → 900 ÷ 1100 kΩ, zmierzono 1020 kΩ,
• R5: 4,7 kΩ ±10 % → 4,23 ÷ 5,17 kΩ, zmierzono 4,725 kΩ,
• R6: 0,82 kΩ ±10 % → 0,738 ÷ 0,902 kΩ, zmierzono 0,801 kΩ,
• R7: 1 kΩ ±10 % → 0,9 ÷ 1,1 kΩ, zmierzono 1,061 kΩ.

Wszystkie w tolerancji → siedem razy T. R7 jest sprawny, więc winna jest dioda D4.

B-E: 0,71 V i przekroczenie zakresu, B-C: 0,72 V i przekroczenie zakresu - poprawne złącza krzemowe NPN. Między kolektorem a emiterem brak przewodzenia w obu kierunkach - tak powinien zachować się sprawny tranzystor. Pięć razy T.

D1 (Zenera): 0,72 V w kierunku przewodzenia, w zaporowym przekroczenie zakresu (tester daje < 2,5 V, za mało, by przebić złącze 5,1 V) → T, T. D2 (1N4148): 0,64 V i przekroczenie zakresu → T, T.

Tester podaje prąd ok. 0,8 mA przy napięciu do 2,5 V - wystarczy, by dioda LED przewodziła (napięcie przewodzenia ok. 1,7 ÷ 2,1 V):

• D3 (czerwona): 1,67 V i przekroczenie zakresu → T, T,
• D4 (zielona): przekroczenie zakresu także w kierunku przewodzenia → N (złącze przerwane), w zaporowym przekroczenie zakresu → T.

T1 - złącza poprawne, przełącza przekaźnik (PP6) → T. Rezystory w tolerancji E12 → siedem razy T.

P1 załącza grzałkę - temperatura jest utrzymywana → T. D1, D2 i D3 mają poprawne złącza → trzy razy T.

D4 nie przewodzi w żadnym kierunku → N - to przyczyna usterki. U1 przełącza wyjście zgodnie z progami (PP4) → T.

Do wymiany D4 - HLMP-3507 (zielona, 569 nm, UF 2,1 V, IO 25 mA). W tabeli 4 zielona dioda to LL-503GD2E: 568 nm, UF 2,2 V, IO 50 mA, UR 5 V. Ta sama barwa (sygnalizacja zasilania musi zostać zielona), a prąd z R7 = 1 kΩ ok. (12 - 2,2) V / 1 kΩ ≈ 10 mA jest dużo poniżej dopuszczalnego. Pozostałe wiersze tabeli 8 zostają puste.

Wzór z tabeli 9, wartości znamionowe (R2 = R3 = 22 kΩ, R4 = 1 MΩ = 1000 kΩ):

[ H = \frac{22 \cdot (10{,}08 - 1{,}99)}{22 + 1000 + \frac{22 \cdot 1000}{22}} = \frac{177{,}98}{2022} \approx 0,088\ \text{V} ]

To samo wychodzi z pomiarów: VpH - VpL = 6,044 - 5,956 = 0,088 V. Wpis: 0,088 V.

Zadanie wymaga pętli dwa razy szerszej: H = 2 · 0,088 V = 0,176 V.

Przy R2 = R3 mianownik wzoru upraszcza się do R2 + 2·R4:

[ 22 + 2 R_4 = \frac{177{,}98}{0,176} \approx 1011\ \text{k}\Omega \quad\Rightarrow\quad R_4 \approx 494,5\ \text{k}\Omega ]

Mniejszy R4 to silniejsze dodatnie sprzężenie zwrotne, czyli szersza histereza. Obliczenia pomocnicze zapisuję na ostatniej stronie arkusza (nie jest oceniana).

W tabeli 9 wpisuję wartość obliczoną, jeszcze przed doborem z szeregu: 494,5 kΩ (klucz przyjmuje 483 ÷ 545 kΩ - zależnie od zaokrągleń H).

Najbliższe wartości E12 to 470 kΩ i 560 kΩ:

• 470 kΩ → H ≈ 0,185 V (ok. 2,1 razy więcej),
• 560 kΩ → H ≈ 0,156 V (ok. 1,77 razy więcej).

Bliżej dwukrotności jest 470 kΩ (klucz uznaje obie). Wartość środkowa Vp0 zostaje bez zmian: 6 V przed i 6,001 V po zmianie - warunek zadania spełniony.

Dla porządku dopisuję na stronie obliczeń porównanie obu wartości E12 i sprawdzenie Vp0 - ta strona nie jest oceniana, ale pozwala egzaminatorowi zobaczyć tok rozumowania.

Na koniec czytam kartę jako całość:

• jedyny wiersz „N” w tabeli 6 (D4 w kierunku przewodzenia) odpowiada jedynemu „N” w tabeli 7 i jedynemu wierszowi tabeli 8,
• tor sterowania (PP1 ÷ PP6) jest w pełni zgodny - to tłumaczy, dlaczego temperatura była utrzymywana,
• modyfikacja dotyczy tylko R4 i nie przesuwa temperatury nastawy (Vp0 bez zmian).

Po naprawie (klucz tego nie ocenia) zielona dioda powinna świecić od chwili włączenia zasilania.