Temperatuur-Spanningsomvormer

Met behulp van onderstaande schakeling is het mogelijk temperaturen te meten van 0°C tot 100°C.

De schakeling wordt gevoed uit een 9Volt batterij en op de uitgang sluit je een digitale voltmeter aan, een analoge kan natuurlijk ook, maar dat gaat wel ten koste van de nauwkeurigheid omdat die nu eenmaal lastiger en onnauwkeuriger af te lezen zijn.

De schakeling wekt als volgt:

Omdat de Operationele versterker IC2 zowel een positieve als negatieve voedingsspanning hoort te hebben maken we deze eerst met het schakelingetje dat meteen achter de batterij aangesloten is.
Op de ingang van OpAmp IC1 (LM741) komt de halve voedingsspanning te staan en de schakeling met de twee transistors zorgt ervoor dat deze ook op het knooppunt van beide emitters komt te staan.

Ten opzichte van dit punt hebben we dus 4.5V positief als 4.5V negatief.
Als temperatuuropnemer gebruiken we een diode (1N4148), wanneer daar een constante stroom door geleid wordt dan blijkt de spanningsval over de diode met ongeveer 2 mV per graad Celsius te veranderen.
Zo bleek in mijn schakeling de spanningsval over de diode bij 0°C 622mV te zijn en 419mV bij 100°C.
De diode heeft dus een negatieve temperatuurscoëfficiënt.
Om enige beweeglijkheid te hebben is het handig de diode aan het eind van een afgeschermd kabeltje te monteren.

Met behulp van een van de OpAmp in IC2 (LM324) zorgen we ervoor dat er een constante stroom door de diode loopt. Om dit zo goed mogelijk te verwezenlijken dienen we een constante spanning tot onze beschikking te hebben, de batterijspanning zal tijdens gebruik dalen en zodoende gaan er afwijkingen optreden. De constante spanning maken we met een spanningsregelaar, een LM317.
Met behulp van de potmeter van 100 Ohm (100E) regelen we de uitgangsspanning van de regelaar af op precies 4V.
Op de niet-inverterende ingang van OpAmp IC2a staat dan 2V. Nu is het een eigenschap van een OpAmp dat hij zich zo wil instellen dat op beide ingangen dezelfde spanning staat. De uitgang stuurt een transistor aan, hierin gaat een stroom lopen die over de weerstand van 3K9 een spanning van 2V genereert.
Deze stroom loopt dus ook door de diode, ongeveer 0.5mA.
De met de temperatuur veranderende spanning over de diode willen we graag vergelijken met een vaste spanning. Want het is lastig een temperatuur te bepalen uit een spanning die varieert van zo'n 600 naar 400 mV. Deze referentiespanning maken we met het weerstandsnetwerkje 1K5, 1K (potmeter) en 10K. Met de potmeter van 1K kunnen we de spanning op de loper zo instellen dat deze gelijk is aan die over de diode, en je snapt het natuurlijk al wel, dat doen we bij een temperatuur van 0°C. Daarover straks meer bij de afregelprocedure, die kinderlijk eenvoudig is.

Tussen de collector van de transistor en de loper van de potmeter hebben we nu een spanning die ongeveer loopt van 0 tot 200 mV. Maar we willen graag meteen de temperatuur aflezen. Als we achter deze punten een versteker plaatsen die ongeveer 5x versterkt krijgen we een uitgangsspanning die varieert van 0 tot 1000mV bij een temperatuursverandering van 0°C tot 100°C, dwz. we kunnen de temperatuur nu op 1/10 graad nauwkeurig aflezen door voor het laatste cijfer een punt te denken.

De drie overgebleven OpAmp's van IC2 vormen de versterker, dit is een zogenaamde differentiële versterker die zeer goed voor dit doel geschikt is en bovendien het symmetrische ingangssignaal omzet naar een asymmetrisch uitgangssignaal. De versterking van een dergelijke instrumentatieversterker, zoals deze schakeling ook vaak genoemd wordt, is gemakkelijk te berekenen.
Deze bedraagt:

A = 1 + 2R1/(R2+R3)


De gewenste versterking is ongeveer 5, dit hangt af van de variatie in de gebruikte componenten, waren deze ideaal dan kon je de schakeling van tevoren al helemaal uitrekenen.
2R1/(R2+R3)=5-1=4 ofwel R2+R3=2R1/4 waaruit volgt dat R2+R3 samen 50KOhm dient te zijn.

In de schakeling is gekozen voor 47K en 10K (potmeter)

De bouw zal wel geen problemen opleveren en blijft over de afregeling.

Allereerst moet dus de uitgangsspanning van de spanningsregelaar op 4V afgeregeld worden met de potmeter van 100Ohm. Als dit gebeurd is sluit je de voltmeter aan op de uitgang in de stand 2000mV.

Daarna vul je een bak met koud water en gooit daar flink wat ijsblokjes in. Plaats er ook een goede thermometer in, zodat je kunt zien wanneer het water de temperatuur van 0°C bereikt heeft.
Dan plaats je de diode in de vloeistof en regelt met de potmeter van 1K de uitgangsspanning af op 0 mV, de versterking van de schakeling er achter is op dat moment totaal onbelangrijk, nul vermenigvuldigd met welk getal dan ook blijft gewoon nul. Je haalt vervolgens de diode er uit en steek hem in een snelkoker of zoiets die je aan het koken brengt. Zodra het water kookt (controleer voor de zekerheid de temperatuur met de thermometer) regel je met de potmeter van 10K de uitgangsspanning af op 1000mV en klaar is Kees.