تصميم دارة جهاز متحكم بالحرارة

سنوضِّح في هذا المقال طريقةَ تصميم مفتاح switch المتحكّم فيه بالحرارة، وذلك باستخدام حسّاس الحرارة LM35  إذ تتغير حالة المفتاح من قطع off إلى وصل on تلقائياً عند درجة حرارة معينة.
مكبر العمليات والحساس
مكبر العمليات والحساس (مصدر الصورة: موقع electronicshub.com)

تمهيد:

إن المفتاح المتحكم فيه بالحرارة هو جهازٌ أو دارة تعمل اعتماداً على درجة حرارة وسطى، وتتألف من: حساسٍ حرارة ووحدة تحكم ومِفتاح، وشكلها التجاري مبيّنٌ في الصورة التّالية التي تُظهر الحساسَ موصولاً بسلك إلى وحدة التّحكم التي تحتوي على شاشة إظهار إضافةً إلى المِفتاح.

الشكل التجاري للجهاز
الشكل التجاري للجهاز (مصدر الصورة: موقع electronicshub.com)

مبدأ العمل:

يؤدي كلٌّ من العناصر الثلاثة للدارة دوراً مهمّاً في عملها، إذ يقرأ الحساس درجة الحرارة ثم يرسلها إلى المتحكِّم ليعالج هذه البيانات ويصدر أمراً معيناً للمِفتاح تبعًا للبيانات المقروءة، وبناءً على هذه الأوامر ينتقل المفتاح بين حالتي الوصل والقطع، وتتكرر هذه العملية طوالَ مدّة تشغيل الدارة.

تنفيذ الدارة:

سنستخدم تصميماً بسيطاً لصنع هذه الدارة مع عناصر متوفرة للجميع بدلاً من النموذج التّجاري الموضَّح أعلاه ليتمكن جميعُ المهتمين من بنائها بأنفسهم، وعليه، تكون العناصر الرئيسة للدارة كما يأتي:

  • حساس حرارة LM35.
  • مكبر العمليات LM358 كوحدة تحكم.
  • وحدة Relay كمِفتاح.

مخطط الدارة:

تبين الصورةُ الآتية مخططَ الدارةِ المرادَ تصنيعُها:

 المخطط التّفصيلي للدارة
المخطط التّفصيلي للدارة (مصدر الصورة: موقع electronicshub.com)

كما نرى، لقد استخدمنا وحدة Relay 5V ولكن يمكن استبدالُها بريليه relay إضافةً إلى مجموعةِ عناصر منفصلة كما هو مبيّنٌ في الصورة الآتية:

 مخطط الدارة بعدَ استبدال وحدة الريلاي
مخطط الدارة بعدَ استبدال وحدة الريلاي (مصدر الصورة: موقع electronicshub.com)

عناصر الدارة:

  • مكبر عمليات LM358.
  • الدارة المتكاملة LM35 كحسّاس حرارة.
  • وحدة relay 5V.
  • مقاومة متغيرة 10KΩ.
  • أسلاك توصيل.
  • وحدة تغذية 5V.
  • لوح تجارِب صغير.

في حال عدم توافر وحدة relay يمكن استبدالُها بالعناصر الآتية:

  • مقاومة 1KΩ.
  • ترانزستور NPN (مثلاً 2N2222 أو BC547).
  • ديود PN من نوع 1N4007.
  • Relay 5V.

تصميم الدارة:

سنبدأ بالحديثِ عن مكبر العمليات LM358 المستخدم، حيث إن الأرجل 8 و4 هي +V وGND، وتوصل بوحدة التّغذية مع المنافذ +5V وGND، وبما أن هذا النَّوع من المكبرات هو مكبر مزدوج، فإنا نستطيع استخدام أيٍّ من المكبرين الموجودين، إذ تكون الأرجل 1 و2 و3 تابعة لأحدهما و5 و6 و7 تابعة للآخر. فإذاً سنستخدم المكبر الأوَّل ذا الأرجل 1 (خرج المكبر) و2 (-INA) و3 (+INA)، ثم سنوصل الطرف المنزلق للمقاومة المتغيرة 10KΩ  بالرجل 2 وخرج الحساس LM35  بالرجل 3 في حين تكون الرجلان الأخريان للحساس موصولة إلى التغذية (+5V وGND)، وتكون أرجل الحساس موضحة في الصورة الآتية:

حساس الحرارة LM35
حساس الحرارة LM35 (مصدر الصورة: موقع electronicshub.com)

بينما تُوصل الرجل 1 للمكبر بالرجل IN للريليه، وتوصل الأرجل المتبقية للريليه بالتغذية (+5V وGND)، كما يمكن وصلُ حمل (مثلاً مصباح) إلى الريليه  بالأرجل NO وCOMM على التسلسل مع وحدة التغذية إلا أننا لم نتطرق لهذا في أثناء تنفيذ الدارة.

تحذير: يرجى الحذر عند وصلِ حمل كهربائي بالتّغذية المتناوبة للتحكم فيه بالريليه.

التنفيذ:

تعمل هذه الدارة عملاً بسيطاً جداً؛ إذ يمثل مكبر العمليات دارةَ مقارنٍ لمقارنة الجهود على أرجله 2 و3 وتأمين خرج موافق.

 شكل الدارة النهائي
شكل الدارة النهائي (مصدر الصورة: موقع electronicshub.com)

وكما ذكرنا سابقاً، فإن الرجل 3 توصل بخرج حسّاس الحرارة وهي المدخل غيرُ العاكس للمكبر، في حين تكون الرجل 2 موصولة بمقسم الجهد (المقاومة المتغيرة) وهي المدخل العاكس للمكبر، ويكون جهد المدخل العاكس في شروط العمل الطبيعية أعلى من نظيرِهِ عندَ المدخل غير العاكس؛ وعلى ذلك، يكون خرج مكبر العمليات جهداً منخفضاً LOW، أما عند ارتفاع الحرارة فإنها ترتفعُ قيمةَ خرجِ الحسّاس بنسبة 10mV/Cͦ حتى تصل إلى عتبة معينة يكون فيها جهدُ المدخلِ غيرُ العاكس للمكبر أعلى من جهد مدخله العاكس وهكذا يصبح خرج المقارن جهداً مرتفعاً HIGH، مما يؤدي إلى تشغيل الريليه (on).

تطبيقات الدارة:

  • أنظمة التّكييف HVAC.
  • وحدات التغذية.
  • خزانات أو صهاريج المياه.
  • الثَّلاجات.
  • أنظمة إدارة أو التحكّم بالبطاريات.
  • التطبيقات الصّناعية مثل السخانات أو البواخر أو المبردات، إلخ.

    المصدر: هنا

    ترجمة: آلاء الأغا، مراجعة: علي العلي, تدقيق لغوي: محمد بابكر, تصميم: علي العلي, تحرير: علي العلي.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *