Pomocou Schmittovej spúšte môžete zostaviť jednoduchý ventilátor s reguláciou teploty, ktorý sa zapína a vypína pri nastavenej teplote bez potreby mikrokontroléra.

V rôznych elektronických zariadeniach, ako sú procesory a herné konzoly, ste si mohli všimnúť, že procesor má tendenciu sa zahrievať počas intenzívneho používania, ako je hranie alebo simulácia, čo vedie k zapnutiu ventilátora alebo zvýšeniu jeho rýchlosti, aby sa rozptýlil teplo. Po vychladnutí procesora sa ventilátor vráti do normálneho prúdu alebo sa vypne.

V tomto návode pre domácich majstrov si zostavíme jednoduchý ventilátor s reguláciou teploty, ktorý sa zapína a vypína pri vopred určených hodnotách teploty bez potreby mikrokontroléra v jeho obvode.

Čo budete potrebovať

Na zostavenie tohto projektu budete potrebovať nasledujúce komponenty, ktoré môžete získať z online obchodov s elektronikou.

  • Komparátor IC LM393
  • Snímač teploty LM35
  • Operačný zosilňovač LM741
  • ULN2003 Darlington párový tranzistorový integrovaný obvod
  • DC ventilátor
    • instagram viewer
  • Zopár odpory
  • Regulátor napätia LM7805
  • Spojovacie vodiče
  • Veroboard
  • Digitálny multimeter
  • 12V batéria
  • Spájkovacia stanica (voliteľné: tento projekt môžete postaviť aj na doske na krájanie)

Problém: Nepretržité rýchle spínanie jednosmerného ventilátora

Pre túto DIY úlohu chceme, aby sa ventilátor zapol, keď teplotný senzor zaznamená teplotu 38 °C (100 °F) alebo vyššiu, a vypol sa, keď teplota klesne pod túto hranicu. Snímače teploty dodávajú obvodu napäťový výstup, ktorý možno použiť na ovládanie ventilátora. Potrebujeme obvod na porovnávanie napätia pomocou LM393 na porovnanie tohto napäťového výstupu s referenčným napätím.

Na zvýšenie výstupného napätia z teplotného snímača používame neinvertujúci operačný systém LM741 zosilňovač na zvýšenie tohto napätia, ktoré možno porovnať so stabilnou referenčnou hodnotou napätia poskytovanou napätím regulátora. Okrem toho používame LM7805 ako regulátor napätia 5V DC.

Pozoruje sa, že keď sa teplota priblíži k 38°C, výstup obvodu sa začne opakovane prepínať medzi zapínaním a vypínaním kvôli šumu signálu. Toto chvenie alebo rýchle spínanie môže nastať, pokiaľ teplota nepresiahne 38 °C alebo výrazne pod 38 °C. Toto nepretržité spínanie spôsobuje, že cez ventilátor a elektronický obvod preteká vysoký prúd, čo vedie k prehriatiu alebo poškodeniu týchto komponentov.

Schmitt Trigger: Riešenie tohto problému

Na vyriešenie tohto problému používame Schmittovu koncepciu spúšťača. To zahŕňa aplikáciu pozitívnej spätnej väzby na neinvertujúci vstup komparačného obvodu, ktorý umožňuje obvodu prepínať medzi logickou vysokou a logickou nízkou pri rôznych úrovniach napätia. Pomocou tejto schémy je možné zabrániť početným chybám spôsobeným šumom a zároveň zabezpečiť bezproblémové prepínanie, pretože prepínanie na logické vysoké a nízke sa vyskytuje pri rôznych úrovniach napätia.

Vylepšený ventilátor s reguláciou teploty: Ako to funguje

Konštrukcia funguje v integrovanom prístupe, v ktorom údaje zo snímača udávajú úroveň výstupného napätia, ktorú využívajú ostatné prvky obvodu. Budeme diskutovať o schémach obvodov v poradí, aby sme vám poskytli prehľad o tom, ako obvod funguje.

Snímač teploty (LM35)

LM35 je integrovaný obvod na snímanie izbovej teploty a poskytuje výstupné napätie úmerné teplote na stupnici Celzia. Používame LM35 v balení TO-92. Nominálne dokáže presne merať teplotu od 0° do 100°C s presnosťou menšou ako 1°C.

Môže byť napájaný pomocou 4V až 30V DC napájania a odoberá veľmi nízky prúd 0,06 mA. To znamená, že má veľmi nízke samozahrievanie vďaka nízkej spotrebe prúdu a jediné teplo (teplotu), ktoré zaznamená, je okolitého prostredia.

Výstup teploty v stupňoch Celzia LM35 je daný s ohľadom na jednoduchú lineárnu prenosovú funkciu:

…kde:

• VOUT je výstupné napätie LM35 v milivoltoch (mV).

• T je teplota v °C.

Napríklad, ak snímač LM35 deteguje teplotu približne 30 °C, výstup snímača by bol takmer 300 mV alebo 0,3 V. Môžeš meranie napätia pomocou digitálneho multimetra. V tomto DIY projekte používame LM35 v rúrkovej vodotesnej sonde; môže sa však použiť bez rúrkovej sondy, ako je IC.

Zosilňovač napäťového zisku s použitím LM741

Výstupné napätie snímača teploty je v milivoltoch, a preto potrebuje zosilnenie na potlačenie vplyvu šumu na signál a tiež na zlepšenie kvality signálu. Zosilnenie napätia nám pomáha použiť túto hodnotu na ďalšie porovnanie so stabilným referenčným napätím pomocou operačného zosilňovača LM741. Tu sa LM741 používa ako neinvertujúci zosilňovač napätia.

Pre tento obvod zosilňujeme výstup snímača faktorom 13. LM741 je prevádzkovaný v konfigurácii neinvertujúceho operačného zosilňovača. Prenosová funkcia pre neinvertujúci operačný zosilňovač sa stáva:

Takže vezmeme R1 = 1kΩ a R2 = 12kΩ.

Electronic Switch Comparator (LM393)

Ako už bolo spomenuté vyššie, pre elektronické spínanie bez porúch je možné implementovať spúšť Schmitt. Na tento účel používame LM393 IC ako napäťový komparátor Schmitt. Na invertovanie vstupu LM393 používame referenčné napätie 5V. Referenčné napätie 5 V sa dosiahne pomocou IC regulátora napätia LM7805. LM7805 je prevádzkovaný pomocou 12V napájacieho zdroja alebo batérie a má konštantný výstup 5V DC.

Druhý vstup LM393 je pripojený k výstupu obvodu neinvertujúceho operačného zosilňovača, ktorý je popísaný vo vyššie uvedenej časti. Týmto spôsobom je teraz možné porovnať zosilnenú hodnotu snímača s referenčným napätím pomocou LM393. Pozitívna spätná väzba je implementovaná na komparátore LM393 pre Schmittov spúšťací efekt. Výstup LM393 je udržiavaný aktívny vysoko a na výstupe sa používa delič napätia (rezistorová sieť znázornená zelenou farbou na obrázku nižšie) na zníženie výstupu (vysokého) LM393 na 5 až 6V.

Na analýzu správania obvodu a optimálnych hodnôt odporu používame Kirchoffov súčasný zákon na neinvertujúcich kolíkoch. (Jeho diskusia však presahuje rámec tohto článku.)

Navrhli sme odporovú sieť tak, že keď sa teplota zvýši na 39,5 °C a viac, LM393 sa prepne do vysokého stavu. Vďaka Schmittovmu spúšťaciemu efektu zostáva vysoká aj keď teplota klesne tesne pod 38°C. Komparátor LM393 však môže vydávať logické nízke hodnoty, keď teplota klesne pod 37 °C.

Prúdový zisk pomocou Darlingtonových párových tranzistorov

Výstup LM393 teraz prepína medzi nízkou a vysokou logikou podľa požiadaviek obvodu. Výstupný prúd (max. 20 mA bez aktívnej vysokej konfigurácie) komparátora LM393 je však dosť nízky a nedokáže poháňať ventilátor. Na vyriešenie tohto problému používame na pohon ventilátora párové tranzistory ULN2003 IC Darlington.

ULN2003 pozostáva zo siedmich párov tranzistorov so spoločným emitorom s otvoreným kolektorom. Každý pár môže prenášať prúd kolektor-emitor 380 mA. Na základe aktuálnej požiadavky ventilátora jednosmerného prúdu je možné použiť viacero Darlingtonových párov v paralelnej konfigurácii na zvýšenie maximálnej prúdovej kapacity. Vstup ULN2003 je pripojený k komparátoru LM393 a výstupné kolíky sú pripojené k zápornej svorke ventilátora DC. Druhá svorka ventilátora je napojená na 12V batériu.

Prvky obvodu, okrem ventilátora a batérie, sú integrované do dosky Veroboard pomocou spájkovania.

Dávať to všetko dokopy

Kompletný schematický diagram ventilátora s reguláciou teploty je nasledovný. Všetky integrované obvody sú napájané z 12V jednosmernej batérie. Je tiež dôležité poznamenať, že všetky uzemnenia musia byť spoločné na zápornom póle batérie.

Testovanie obvodu

Na otestovanie tohto okruhu môžete použiť izbový ohrievač ako zdroj horúceho vzduchu. Umiestnite sondu teplotného snímača blízko ohrievača, aby mohla detekovať horúcu teplotu. Po niekoľkých okamihoch zistíte zvýšenie teploty na výstupe snímača. Keď teplota prekročí nastavenú hranicu 39,5°C, ventilátor sa zapne.

Teraz vypnite izbový ohrievač a nechajte okruh vychladnúť. Akonáhle teplota klesne pod 37°C, uvidíte, že sa ventilátor vypne.

Vyberte si svoj vlastný teplotný limit pre spínaný ventilátor

Obvody spínacieho ventilátora s reguláciou teploty sa bežne používajú v mnohých elektronických a elektrických spotrebičoch a prístrojoch. Vlastné hodnoty teploty pre zapínanie a vypínanie ventilátora si môžete zvoliť výberom vhodnej hodnoty odporov v schémach obvodu komparátora Schmittovej spúšte. Podobným konceptom je možné navrhnúť teplotne riadený ventilátor s premenlivou rýchlosťou spínania, teda rýchlo a pomaly.