Rozwiązanie krok po kroku: Automatyczny włącznik wentylatora

Przejdź po schemacie od czujnika do wentylatora:

1. Czujnik: przez R3 płynie prąd do czterech diod D2 ÷ D5. Ze wzrostem temperatury ich napięcie maleje o 9,2 mV/°C - to napięcie (PP3) trafia na wejście „−” komparatora.
2. Odniesienie: D1 (Zener 5,1 V) i dzielnik R2/R4 dają na wejściu „+” napięcie PP4 = 5,1 · 8,2 / 18,2 ≈ 2,3 V.
3. Komparator US1: gdy PP3 spadnie do PP4 (przy 48 °C), wyjście PP5 przechodzi w stan wysoki.
4. Klucz tranzystorowy: przez R8 płynie prąd bazy, T1 się nasyca, wentylator i LED się włączają.

Objaw dotyczy jednocześnie wentylatora i LED, a wentylator jest sprawny - podejrzany jest więc wspólny tor: komparator, R8/R9 albo T1. To sprawdzają tabele 5 i 6.

Pierwszy blok tabeli 5 to napięcia w punktach PP1 ÷ PP8 względem masy - mierzymy je woltomierzem napięcia stałego (multimetr na zakresie V DC), włączonym równolegle: czerwony przewód do punktu pomiarowego, czarny do masy (GND).

Rezystancje mierzy omomierz, po wylutowaniu elementów i bez zasilania - inaczej wynik zafałszują równoległe gałęzie (np. R4 jest połączony z wejściem komparatora, a R9 ze złączem B-E tranzystora).

Pojemności C1 ÷ C4 (od 47 nF do 22 µF) mierzy pojemnościomierz albo multimetr z funkcją pomiaru pojemności. Kondensator przed pomiarem trzeba rozładować.

Ostatni blok tabeli 5 to spadki napięcia na złączach P-N diod D1 ÷ D8 i tranzystora T1 w obu kierunkach - mierzy je tester diod (funkcja multimetru). Przeznaczenie musi wymieniać i diody, i tranzystor.

Piąty wiersz zostaje pusty. Klucz osobno ocenia, czy wpisano wyłącznie przyrządy do sprawdzenia tego układu: w tabeli 5 nie ma pomiaru prądu, temperatury ani przebiegów, więc amperomierz, termometr czy generator byłyby nadmiarowe. (Klucz uznaje oscyloskop zamiast woltomierza, ale do napięć stałych woltomierz w zupełności wystarcza.)

Kółka przy punktach pomiarowych są już dołączone jednym końcem do punktu, drugim do masy - to jest połączenie równoległe, właściwe dla woltomierza. W każde kółko wpisujemy symbol V. Zaczynam od części wejściowej: PP1 (zasilanie), PP2 (Zener), PP3 (czujnik), PP4 (odniesienie).

Pozostałe cztery kółka: PP5 (wyjście komparatora), PP6 (baza T1), PP7 (anoda LED), PP8 (kolektor T1, minus wentylatora) - też V. Kryterium wymaga woltomierza przy wszystkich ośmiu punktach; brak choćby jednego to utrata punktu.

Wylutowany rezystor mierzymy omomierzem - w kółko wpisuję jednostkę Ω.

Kondensatory - pojemnościomierz; w kółko wpisuję jednostkę pojemności F.

Diody D1 ÷ D8 - tester diod (symbol diody w kółku). „+” testera przy anodzie daje kierunek przewodzenia, po zamianie przewodów - zaporowy; oba pomiary są w tabeli 5.

Tranzystor NPN mierzymy jak dwie diody z anodami w bazie, plus odcinek kolektor-emiter:

• górne kółko: baza - kolektor („+” do bazy), dolne: baza - emiter („+” do bazy),
• prawe: kolektor - emiter - sprawny tranzystor nie przewodzi tu w żadnym kierunku.

To odpowiada wierszom 11 ÷ 16 tabeli 5.

• PP1 to szyna +12 V: 12,05 V i 12,01 V → zgodny,
• PP2 to katoda diody Zenera D1: 5,1 V w obu temperaturach. Tabela 2 podaje UZ = 4,8 ÷ 5,4 V → zgodny. Napięcie nie zależy od temperatury otoczenia czujnika - tak ma być, bo to napięcie odniesienia.

Przy 20 °C zmierzono 2,56 V. Po ogrzaniu do 48 °C napięcie powinno spaść o (48 - 20) · 9,2 mV:

2,56 V - 28 · 0,0092 V = 2,3024 V ≈ 2,30 V

Zmierzono 2,30 V → zgodny. Czujnik działa zgodnie z opisem.

Dzielnik R2 = 10 kΩ, R4 = 8,2 kΩ zasilany z PP2 = 5,1 V:

PP4 = 5,1 V · 8,2 / (10 + 8,2) = 2,298 V ≈ 2,30 V

Zmierzono 2,30 V w obu temperaturach → zgodny. To dokładnie napięcie PP3 przy 48 °C, czyli próg zadziałania z treści zadania.

Przy 20 °C PP3 (2,56 V) > PP4 (2,30 V), więc wyjście komparatora jest w stanie niskim: 0,11 V. Przy 48 °C napięcia się zrównują i wyjście przechodzi w stan wysoki: 11,90 V. Zachowanie zgodne z opisem → zgodny.

Wniosek: US1 działa, a skoro PP1 ÷ PP5 są zgodne, usterka leży za komparatorem - w torze R8/R9, T1, LED.

Przy 48 °C komparator daje 11,9 V, przez R8 płynie prąd bazy i na przewodzącym złączu B-E powinno być ok. 0,7 V (tyle pokazuje tester na złączu B-E: 0,71 V). Zmierzono 0,01 V w obu temperaturach - baza jest praktycznie zwarta do masy → niezgodny. Jedna rubryka wniosku obejmuje oba pomiary, więc wystarczy, że jeden jest zły.

Przy 20 °C T1 nie przewodzi, prąd przez R10 i LED nie płynie, więc PP7 ≈ 12 V - to się zgadza. Przy 48 °C T1 powinien być nasycony: PP7 = napięcie przewodzenia LED (ok. 2,2 V wg tabeli 2) + mały spadek na nasyconym T1, czyli ok. 2-2,5 V. Zmierzono 11,98 V także przy 48 °C → niezgodny.

Wentylator leży między +12 V a kolektorem T1. Przy 48 °C nasycony T1 powinien ściągnąć PP8 prawie do masy (ułamek wolta) i na wentylatorze byłoby ok. 12 V. Zmierzono 11,98 V - na wentylatorze jest 0 V, T1 nie przewodzi → niezgodny.

Rezystory pochodzą z szeregu E24, czyli mają tolerancję ±5 %:

• R1: 1 kΩ ±5 % → 0,95 ÷ 1,05 kΩ, zmierzono 1,04 kΩ → zgodny,
• R2: 10 kΩ ±5 % → 9,5 ÷ 10,5 kΩ, zmierzono 10,01 kΩ → zgodny (tak samo R3),
• R4: 8,2 kΩ ±5 % → 7,79 ÷ 8,61 kΩ, zmierzono 8,22 kΩ → zgodny,
• R5: 10 kΩ ±5 % → 9,5 ÷ 10,5 kΩ, zmierzono 9,98 kΩ → zgodny.

• R6: 10 kΩ ±5 % → 9,5 ÷ 10,5 kΩ, zmierzono 10,02 kΩ → zgodny,
• R7: 4,7 MΩ ±5 % → 4,465 ÷ 4,935 MΩ, zmierzono 4,73 MΩ → zgodny,
• R8: 1,5 kΩ ±5 % → 1,43 ÷ 1,58 kΩ, zmierzono 1,51 kΩ → zgodny,
• R10: 2 kΩ ±5 % → 1,9 ÷ 2,1 kΩ, zmierzono 2,02 kΩ → zgodny.

R9 = 5,6 kΩ, a zmierzono 0,01 Ω - rezystor jest zwarty → niezgodny. To wyjaśnia PP6 = 0,01 V: R9 łączy bazę T1 z masą, więc zwarcie R9 zwiera złącze B-E i cały prąd z R8 płynie do masy obok tranzystora. T1 nigdy się nie włącza - stąd wentylator stoi.

Kondensatory są z szeregu E12, czyli tolerancja ±10 %:

• C1: 4,7 µF ±10 % → 4,23 ÷ 5,17 µF: 4,55 µF → zgodny, C2: 4,47 µF → zgodny,
• C3: 22 µF ±10 % → 19,8 ÷ 24,2 µF: 23,1 µF → zgodny,
• C4: 47 nF ±10 % → 42,3 ÷ 51,7 nF: 44,3 nF → zgodny.

Klucz nie ocenia tego bloku osobnym kryterium, ale rubryki trzeba wypełnić - niewypełniona tabela wygląda jak niedokończona praca.

• D1 (Zener): w kierunku przewodzenia 0,71 V - jak zwykłe złącze krzemowe; w zaporowym przekroczenie zakresu - napięcie testera jest niższe niż UZ = 5,1 V, więc Zener się nie przebija → oba zgodny,
• D2 ÷ D5 (1N4148): 0,64 V w przewodzeniu i przekroczenie zakresu w zaporowym → zgodny. To samo potwierdził PP3 (cztery diody × ok. 0,64 V = 2,56 V).

Diody zabezpieczające T1 przed przepięciami z silnika: po 0,64 V w przewodzeniu i przekroczenie zakresu w zaporowym → wszystkie cztery wiersze zgodny.

Sprawna dioda LED w zaporowym kierunku nie przewodzi wcale (przekroczenie zakresu), a w kierunku przewodzenia ma ok. 2 V (tabela 2: UF = 2,2 V). Zmierzono 0,01 V w obu kierunkach - to zwarcie struktury → oba wiersze niezgodny.

To druga, niezależna usterka: nawet po naprawie toru T1 zwarta dioda by nie świeciła.

B-E 0,71 V i B-C 0,72 V w kierunku przewodzenia, w zaporowym przekroczenie zakresu - typowe wartości dla krzemowego tranzystora NPN → cztery wiersze zgodny. Tranzystor nie jest winny - brak jego przewodzenia wynika ze zwartego R9.

Między kolektorem a emiterem są dwa złącza połączone przeciwsobnie, więc sprawny tranzystor bez prądu bazy nie przewodzi w żadnym kierunku - przekroczenie zakresu w obu wierszach to wynik zgodny. Skończony, mały wynik oznaczałby przebicie C-E.

US1 nie da się zmierzyć omomierzem ani testerem - jego sprawność ocenia się po działaniu. PP5 przełącza się dokładnie wtedy, gdy PP3 osiąga PP4 (0,11 V → 11,90 V) → sprawny.

Wszystkie złącza T1 dały poprawne wyniki → sprawny. Brak napięcia na bazie (PP6) to skutek zwartego R9, nie uszkodzenia tranzystora.

Złącze poprawne w obu kierunkach, a w układzie daje 5,1 V (w zakresie 4,8 ÷ 5,4 V) → sprawny.

Złącza poprawne, a PP3 zmienia się z temperaturą dokładnie o 9,2 mV/°C → sprawny. (Klucz nie ma dla nich osobnego kryterium.)

Pomiary złączy obu diod są poprawne → sprawny w obu wierszach.

Zwarcie (0,01 V w obu kierunkach) → niesprawny.

Wszystkie w tolerancji ±5 % → sprawny w dziewięciu wierszach.

0,01 Ω zamiast 5,6 kΩ - zwarcie → niesprawny.

Kondensatory mieszczą się w tolerancji ±10 % → sprawny. Wentylator M1 jest sprawny z treści zadania („sprawny wentylator nie włącza się”). Klucz tych wierszy nie ocenia, ale tabelę wypełniamy do końca.

Do wymiany: D8 - L-53GD. Zamiennik wybieramy z tabeli 3 po parametrach oryginału (tabela 2: 565 nm, UF = 2,2 V, IO = 25 mA):

Najbliżej oryginału jest HLMP-3507 - ten sam kolor świecenia i niemal to samo UF. Prąd diody po naprawie: (12 V - 2,1 V) / 2 kΩ ≈ 5 mA - daleko poniżej 25 mA.

Do wymiany: R9 - 5,6 kΩ (klucz uznaje też wpis wartości zmierzonej 0,01 Ω). Zamiennik: 5,6 kΩ z szeregu E24, który jest dostępny na stanowisku (rezystory E24 od 1 Ω do 1 MΩ, 0,125 W i 0,25 W). Moc 0,125 W wystarczy z ogromnym zapasem - na R9 jest tylko napięcie złącza B-E, ok. 0,7 V.

Trzeci wiersz tabeli 7 zostaje pusty. Klucz wprost sprawdza, czy do wymiany nie wskazano innych elementów niż D8 i R9 - dopisanie np. T1 „na wszelki wypadek” kosztuje punkt, bo tabele 5 i 6 pokazały, że T1 jest sprawny.

Wentylator włącza się, gdy PP3 zrówna się z PP4. Przy 34 °C napięcie czujnika wyniesie:

UP3 = 2,56 V - (34 - 20) · 0,0092 V = 2,4312 V

Takie napięcie musi dawać dzielnik R2/R4. Zostawiam R2 = 10 kΩ i liczę R4:

R4 = R2 · Uref / (UZ - Uref) = 10 kΩ · 2,4312 / (5,1 - 2,4312) = 9,11 kΩ

Najbliższa wartość E24 to 9,1 kΩ. Sprawdzenie: 5,1 V · 9,1 / 19,1 = 2,43 V, co odpowiada temperaturze ok. 34,1 °C. Te rachunki zapisuję w miejscu na obliczenia - ono nie jest oceniane, ale porządkuje pracę.

Wpis do tabeli 8: R4, 8,2 kΩ → 9,1 kΩ. Większy R4 podnosi napięcie odniesienia, więc PP3 spadnie do niego wcześniej - przy niższej temperaturze.

Drugi wariant uznawany przez klucz: zmniejszyć R2 z 10 kΩ na 9,1 kΩ (dokładnie wychodzi 9 kΩ). Wtedy Uref = 5,1 · 8,2 / 17,3 ≈ 2,417 V, czyli ok. 35,5 °C - nieco dalej od 34 °C niż wariant z R4. Klucz dopuszcza też inną parę rezystorów, jeśli dzielnik daje właściwe napięcie.

Wentylator na 12 V o mocy 15 W pobiera prąd I = P / U = 15 W / 12 V = 1,25 A. Obecny wentylator: 9,6 W / 12 V = 0,8 A - BC337-10 (ICmax = 0,85 A) pracował więc blisko granicy, a 1,25 A przekracza ją wyraźnie. Tranzystor T1 trzeba wymienić.

Z tabeli 3 wybieramy tranzystor, który spełni wszystkie warunki naraz:

Tylko SS8050 ma wystarczający prąd kolektora i tę samą polaryzację (BC307 jako PNP wymagałby przebudowy układu). Ta sama obudowa TO-92 pozwala wlutować go w miejsce BC337-10. Wpis: T1, BC337-10 → SS8050.

Uwaga praktyczna (klucz tego nie ocenia): przy 1,25 A diody D6, D7 (1N4148, IO = 0,2 A) przejmują przy wyłączaniu prąd silnika - w realnym urządzeniu rozsądnie byłoby zastąpić je diodami 1N4001 z tabeli 3.

Na koniec czytamy kartę od końca:

• każdy element z tabeli 7 ma w tabeli 6 ocenę „niesprawny” (D8, R9), a każdy „niesprawny” jest w tabeli 7,
• wnioski „niezgodny” z tabeli 5 tłumaczą się tymi dwiema usterkami: R9 zwiera bazę (PP6, PP7, PP8), D8 jest zwarta (pomiary złączy),
• zamienniki i elementy modyfikacji pochodzą wyłącznie z tabeli 3 (HLMP-3507, SS8050, rezystory E24),
• w tabeli 8 nie powtarzamy naprawy z tabeli 7 - to dwie osobne listy.