Датчик температуры на LM35 и компараторе: два светодиода вместо цифр

LM35 выдаёт на выходе 10 мВ на градус Цельсия, поэтому порог температуры задаётся обычным напряжением: 0,25 В соответствуют 25 °C, 0,30 В — 30 °C. Операционный усилитель сравнивает это напряжение с уставкой с переменного резистора, а два светодиода показывают результат: выше порога или ниже.

Схема работает от 5 В (9 В через стабилизатор 7805), не требует микроконтроллера и экрана и подходит для сигнализации «тепло или холодно». Для точного контроля и записи температуры лучше цифровой датчик.

Ниже — характеристики датчика по даташиту, принцип работы, расчёт и настройка порога, замены деталей и частые ошибки.

Датчик

Микросхема LM35 (даташит TI) — аналоговый датчик, выходное напряжение которого пропорционально температуре: 10 мВ на градус Цельсия. При 25 °C на выходе 250 мВ, при 0 °C — около нуля.

Характеристики из даташита сведены в таблицу:

Параметр	Значение
Масштаб	10 мВ/°C
Питание	от 4 до 30 В
Ток потребления	менее 60 мкА
Самонагрев	менее 0,1 °C на воздухе
Выходное сопротивление	0,1 Ом при нагрузке 1 мА
Точность при 25 °C	±0,5 °C у версии LM35A

Датчик потребляет мало, поэтому почти не греет сам себя. Выход может только отдавать ток, поэтому к нему подключают вход ОУ с высоким сопротивлением.

Версии LM35

Три корпуса датчика: пластиковый, металлический и для поверхностного монтажа

Версии отличаются диапазоном температур и точностью, и это надо учитывать при выборе.

Версия	Диапазон измерения
LM35, LM35A	от −55 до +150 °C
LM35C, LM35CA	от −40 до +110 °C
LM35D	от 0 до +100 °C

В схеме с питанием от одного источника LM35 измеряет от +2 до +150 °C. Для отрицательных температур нужна схема с отрицательным напряжением питания, как в даташите.

Как работает схема

Выход LM35 подаётся на неинвертирующий вход операционного усилителя CA3130, работающего компаратором. На инвертирующий вход подаётся опорное напряжение, которое задаёт переменный резистор R2.

Пока температура ниже порога, выход ОУ низкий: транзистор Q1 закрыт, а через Q2 горит второй светодиод D2. Когда температура превысит порог, выход ОУ поднимается, открывается Q1 и загорается D1. База Q2 подтягивается к коллектору Q1, поэтому Q2 закрывается и D2 гаснет.

Стабилизатор IC1 на 5 В понижает напряжение с 9-вольтового источника. Если у вас уже есть стабилизированные 5 В, стабилизатор можно исключить.

Расчёт порога

Порог включения равен опорному напряжению, делённому на 10 мВ/°C: для 25 °C нужно 0,25 В, для 30 °C — 0,30 В. Формула одна: T = U / 10 мВ.

Частая ошибка — путать масштаб: 1,3 В на выходе LM35 соответствуют 130 °C, а не 13 °C (13 °C — это 0,13 В).

Поэтому настраивайте так: подключите вольтметр к неинвертирующему входу или выходу LM35, определите напряжение при нужной температуре и подберите R2 так, чтобы на инвертирующем входе было столько же.

Настройка порога

Мультиметр со щупами у платы при настройке порога

Порог настраивают переменным резистором R2, используя мультиметр и известную температуру.

Включите питание.Подайте 5 В на схему и убедитесь, что горит один из светодиодов.
Измерьте выход датчика.Мультиметром на выходе LM35 в комнате должно быть около 0,2–0,25 В.
Задайте порог.Вращайте R2, пока напряжение на инвертирующем входе не станет равным напряжению нужной температуры.
Проверьте нагревом.Прикоснитесь к датчику пальцем или поднесите тёплый предмет: светодиоды должны переключиться.

Если светодиоды переключаются не там, где ожидалось, перемерьте опорное напряжение: ошибка чаще всего там.

Подключение к Arduino

Тот же датчик можно подключить не к компаратору, а к аналоговому входу платы. Ардуино Уно с 10-разрядным АЦП и опорным напряжением 5 В даёт шаг около 4,9 мВ, то есть около 0,5 °C.

Температура считается по формуле T = analogRead × 5000 / 1024 / 10. Для более точного результата снизьте опорное напряжение АЦП.

Длинные провода

LM35 без специальных мер может нагружать не более 50 пФ. Длинный провод к датчику вносит ёмкость и может вызвать самовозбуждение.

Даташит предлагает развязать датчик от ёмкостной нагрузки резистором 75 Ом и конденсатором 1 мкФ на выходе. Такой RC-демпфер ставят вблизи датчика.

Замены

Любые маломощные n-p-n транзисторы подойдут. CA3130 давно не в ходу: можно взять сдвоенный ОУ, у которого входы допускают напряжение у земли (например, LM358), сверившись с его даташитом.

Датчик LM35 в России продаётся в магазинах радиодеталей. Если его нет, посмотрите аналоги с аналоговым выходом или цифровой датчик вроде DS18B20.

Типовые ошибки

Датчик рядом с греющимся стабилизатором или светодиодами.Он показывает температуру платы, а не воздуха.
Пороги без гистерезиса.При температуре около порога светодиоды мигают; добавьте небольшой резистор положительной обратной связи.
Длинные провода без фильтра.Наводки и самовозбуждение; поставьте RC-демпфер у датчика.
Перепутаны выводы LM35.Датчик сильно греется; проверьте цоколёвку по даташиту.
Питание выше 30 В.Это предел по даташиту; на 9 В через стабилизатор запаса достаточно.
Порог по шкале резистора на глаз.Риски на корпусе переменного резистора не соответствуют градусам; ставьте порог по вольтметру.

Где пригодится сегодня

Индикатор перегрева, контроль температуры в аквариуме, ящике, серверной стойке. Для цифрового вывода сейчас чаще берут датчики с цифровым выходом (DS18B20) и микроконтроллер.

Такую аналоговую схему собирают, чтобы понять принцип компаратора.

Что в итоге

Подходит: простая сигнализация «выше или ниже», без экрана и программ. Не подходит: точный контроль или запись температуры, для них нужен цифровой датчик и микроконтроллер.

Какие приборы нужны для настройки такой схемы, описано в обзоре «Приборы радиолюбителя»; о мультиметре — в статье «Как выбрать первый мультиметр». Если нужен цифровой датчик, сравните DHT22 и DS18B20.

Частые вопросы

Можно ли измерять отрицательные температуры датчиком LM35?

Только с особой схемой. При питании от одного источника LM35 измеряет от +2 до +150 °C.

Если нужны отрицательные температуры, используйте схему с отрицательным питанием, как в даташите, и версию LM35 или LM35A на диапазон от −55 °C. Для простой индикации выше нуля это не нужно.

Чем заменить LM35, если его нет в магазине?

Подойдёт другой аналоговый датчик температуры с выходом в милливольтах на градус или цифровой DS18B20.

Если замените датчик, пересчитайте порог: у других датчиков другой масштаб и смещение. Формулу берите из даташита выбранного датчика. В магазинах радиодеталей LM35 обычно есть.

Датчик показывает на пару градусов больше — что делать?

Проверьте, не стоит ли он рядом со стабилизатором или светодиодами: они греют плату. Самонагрев самого датчика по даташиту менее 0,1 °C.

Если помех нет, перемерьте опорное напряжение и питание: ошибка может быть там. Длинные провода дают наводки, поставьте RC-фильтр.

Как подключить LM35 к Arduino и получить градусы?

Выход датчика подключите к аналоговому входу, питание — к 5 В. Градусы считаются по формуле T = analogRead × 5000 / 1024 / 10.

Если нужна точность выше 0,5 °C, понизьте опорное напряжение АЦП и усредняйте несколько измерений. Для измерения температуры воздуха отодвиньте датчик от платы.

Можно ли управлять вентилятором или обогревателем по такой схеме?

Да, вместо светодиода D1 поставьте транзистор и реле. Для сети 230 В реле должно иметь подходящие контакты и изоляцию.

Если порог близок к текущей температуре, реле будет щёлкать, поэтому добавьте гистерезис. Саму схему не подключайте к сети напрямую.

Обозначение	Номинал	Тип	Кол-во
LM35	LM35	аналоговый датчик температуры	1
IC3	CA3130	ОУ-компаратор	1
IC1	стабилизатор 5 В	7805 или аналог	1
R2	переменный резистор	уставка порога	1
Q1, Q2	n-p-n транзисторы	любые маломощные	2
D1, D2	светодиоды	два цвета	2