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Temperaturüberwachung mit CD40106BE

Mit der Schaltung wird der IC-Baustein CD40106BE getestet. Diese integrierte Schaltung ist ein Logikbaustein, der uns sechs NOT-Gatter zur Verfügung stellt. Das besonders Interessante an ihm ist, dass er über sechs Schmitt-Trigger Komponenten verfügt. Schmitt-Trigger Schaltungen werden dort eingesetzt, wo es wichtig ist, dass der Ausgang schnell und sicher schaltet auch dann, wenn die Spannungen am Eingang nur sehr langsam ihre Werte ändern. Zusätzlich stellen die Schmitt-Trigger eine Hysterese, die in unserer Schaltung verwendet wird, zur Verfügung.
Als Anwendungsbeispiel soll die Schaltung mithilfe eines NTC-Widerstandes Temperatur in einem Behälter überwachen. Es kommen zwei NOT-Gattern des Bausteins CD40106BE zum Einsatz. Die restlichen Gatter können dann ggf. für andere Zwecke benutzt werden. Es soll am Eingang des ersten NOT-Gatters ein analoges Signal überwacht, dessen Wert von einem temperaturabhängigen Widerstand (NTC) abhängt. Wenn die Temperatur einen gewissen maximal zulässigen Wert erreicht, soll ein Lüfter zwecks Kühlung eingeschaltet werden. Die Einschaltung des Lüfters erfolgt also dann, wenn die Temperatur die obere Schaltschwelle des Schmitt-Triggers erreicht. Sobald dank der Kühlung die untere Schaltschwelle passiert wird, wird der Lüfter wieder abgeschaltet. Die Entfernung der beiden Schaltpunkte ist durch die Hysterese des Bausteins bestimmt. Sie beträgt bei CD40106BE ca. 2,8V (Spannungsversorgung von 12V). Bei einer Spannungsversorgung von 12V erfolgt die Einschaltung des Lüfters bei ca. 6,4V. Der Lüfter wird bei ca. 3,6V wieder abgeschaltet.
Die Temperatur im Behälter wird mithilfe einer Heizung, die in dem System als Störfaktor auftritt, erhöht. Die Rolle der Heizung übernimmt eine 12V-Heizfolie.

Logik-IC CD40106BE

Die integrierte Schaltung (IC) CD40106BE beinhaltet sechs NOT-Gatter mit Schmitt-Trigger. Der Baustein arbeitet im Spannungsbereich von 3 V bis 18 V. Pinbelegung:

Spezifikation:

Betriebsspannung: von 3 V bis 18 V
Logik Typ: CMOS
Betriebstemperatur: - 55 °C bis + 125 °C
Ruhestrom: 40 nA
Ausgangsstrom: 6.8 mA
Hysterese-Werte:
0.9 V / VDD = 5 V
2.3 V / VDD = 10 V
3.5 V / VDD = 15 V
Anzahl der Pins: 14 Pins

Heizfolie

Heizung in Form einer selbstklebenden Heizfolie. Die Heizfolie besteht aus Polyester mit selbstklebender Rückseite, spleiß- und durchschlagsicher. Universell einsetzbar. Ohne Regelthermostat.

Technische Daten:

Spannung: 12 V
Leistung: 12 W
Abmessungen: 77 mm x 110 mm
Dicke: ca. 0,4 mm
Anschluss: Zwillingskabel 2x 0,75 mm², versiegelt
Temperaturbereich: Dauerbelastung -40 °C bis max. +95 °C

Transistor IRFU 230A

Das von dem Logikbaustein stammende Signal wird mit einem Transistor verstärkt. Der Transistor IRFU230A kann 3A-Verbraucher bedienen, ist also in diesem Fall deutlich überdimensioniert. Bei ganz großen Verbrauchern kann mit dem Transistor ein Relais geschaltet werden. Dann können ganz große Verbraucher sogar mit einer Fremdspannung mit Strom versorgt werden. Der IRFU230A gehört zu der MOSFET-Familie und wird mit Spannung gesteuert.

Wallair Lüfter

Der Lüfter von Wallair ist ein Niedervolt-Axiallüfter. Er arbeitet mit 12 V und hat eine Leitung von 1,8 W. Die Lüfter aus der Serie werden für unterschiedliche Spannungen in unterschiedlichen Größen angeboten. Sie sind so für ein Intervall- als auch ein Dauerbetrieb geeignet. Sie werden u. a. in PCs zum Schutz vor Überhitzung verwendet.

Technische Daten:

Versorgungsspannung: 12 VDC
Leistung: 1,8 W
Stromaufnahme: 151 mA
Geräuschpegel: 34,0 db(A)
Drehzahl: 4500 / min
Volumen: 36,54 m³ / h
Abmessungen: 60 x 60 x 25 mm

Schaltplan

Die einzige Schwierigkeit bei Inbetriebnahme der Schaltung stellt die Einstellung der oberen Schaltschwelle dar. Sie wird mit dem Potentiometer P1 eingestellt. Das ist der Schaltpunkt, in dem der Lüfter eingeschaltet wird.
Die Aufgabe ist so definiert, dass der Lüfter bei ca. 40°C gestartet werden soll. Damit das klappt, muss bei der Temperatur von 40 °C am Pin 1 des Logikbausteins eine Spannung von ca. 6,4 V erreicht werden (Datenblatt).
Der NTC-Widerstand hat bei der Temperatur 25 °C einen Widerstand von 10 kOhm. Bei der Temperatur von 40°C fällt sein Widerstand auf ca. 5,6 kOhm. Diese Werte können ungefähr von der Widerstandsverlaufskurve eines NTC-Widerstandes entnommen, bei bekanntem Beiwert berechnet oder empirisch ermittelt werden.
Damit ergibt sich für den Potentiometer P1 eine Einstellung von 6,4 kOhm.

Der in der Schaltung verwendete NTC hat bei der Temperatur von 25 °C einen Widerstand von 10 kOhm. Mit steigender Temperatur verringert sich sein Widerstand. Ein NTC genannt auch Heißleiter, leitet bei hohen Temperaturen den elektrischen Strom besser als bei tiefen Temperaturen.

Sobald am Pin 1 bei steigender Temperatur die Spannung auf 6,4 V ansteigt, wird sie von dem ersten NOT-Gatter als logische „1“ bewertet und es schaltet durch. Am Pin 2 und damit am Pin 3 herrscht jetzt LOW-Potenzial. Das zweite NOT-Gatter interpretiert das als logische „0“ und schaltet ebenfalls durch. Als Ergebnis herrscht in der Folge am Pin 4 ein HIGH-Signal. Der Transistor wird leitend und der Lüfter beginnt seine Arbeit.
Beim Testen gilt es, die Leuchtdiode LED2 zu beobachten. Im Einschaltmoment wird sie gemeinsam mit dem Lüfter ohne Verzögerungen sofort und schlagartig eingeschaltet. Das ist in dem IC eingebautem Schmitt-Trigger zu verdanken. Ohne Schmitt-Trigger müssten vor allem bei größeren Verbrauchern, Relais oder Schützen, Zusatzmaßnahmen getroffen werden.
Nachdem der Lüfter für Temperaturabsenkung gesorgt hat, wird er wieder abgeschaltet. Der Abstand zwischen Lüftereinschaltung und Lüfterabschaltung bestimmt die Hysterese des Bausteins CD40106BE.

Der Grundplan wird zum Testen mit zwei LEDs erweitert. LED1 meldet, dass die Schaltung aktiv und unter Spannung steht. LED2 zeigt an, dass der Lüfter im Betrieb ist.

Testschaltung

Kurzvideo

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