Jak zrobić wentylator prądu stałego z kontrolą temperatury

W różnych urządzeniach elektronicznych, takich jak procesory i konsole do gier, mogłeś zauważyć, że procesor ma tendencję do nagrzewania się podczas intensywnego użytkowania, takiego jak granie lub symulacja, co prowadzi do włączenia wentylatora lub zwiększenia jego prędkości w celu rozproszenia ciepło. Gdy procesor ostygnie, wentylator powraca do normalnego przepływu lub wyłącza się.

W tym przewodniku dla majsterkowiczów zbudujemy prosty wentylator sterowany temperaturą, który włącza się i wyłącza przy określonych wartościach temperatury, bez potrzeby stosowania mikrokontrolera w swoim obwodzie.

Co będziesz potrzebował

Do zbudowania tego projektu potrzebne będą następujące komponenty, które można uzyskać w internetowych sklepach elektronicznych.

• Komparator IC LM393
• Czujnik temperatury LM35
• Wzmacniacz operacyjny LM741
instagram viewer
• Układ scalony tranzystora pary Darlingtona ULN2003
• Wentylator prądu stałego
• Kilka rezystory
• Regulator napięcia LM7805
• Łączenie przewodów
• Veroboard
• Cyfrowy miernik uniwersalny
• akumulator 12V
• Stacja lutownicza (Opcjonalnie: możesz zbudować ten projekt również na płytce stykowej)

Problem: Ciągłe szybkie przełączanie wentylatora prądu stałego

W tym zadaniu dla majsterkowiczów chcemy, aby wentylator włączał się, gdy czujnik temperatury wykryje temperaturę 38°C (100°F) lub wyższą, i wyłączał się, gdy temperatura spadnie poniżej tego progu. Czujniki temperatury dostarczają do obwodu napięcie wyjściowe, które może być wykorzystane do sterowania wentylatorem. Potrzebujemy obwodu komparatora napięcia wykorzystującego LM393 do porównania tego napięcia wyjściowego z napięciem odniesienia.

Aby zwiększyć napięcie wyjściowe z czujnika temperatury, używamy nieodwracającego układu LM741 wzmacniacza w celu przeskalowania tego napięcia, które można porównać ze stabilnym napięciem odniesienia zapewnianym przez napięcie regulator. Co więcej, używamy LM7805 jako regulatora napięcia 5V DC.

Zaobserwowano, że gdy temperatura zbliża się do 38°C, wyjście obwodu zaczyna wielokrotnie przełączać się między fazami włączania i wyłączania z powodu szumu w sygnale. To drganie lub szybkie przełączanie może wystąpić, chyba że temperatura znacznie przekroczy 38°C lub znacznie spadnie poniżej 38°C. To ciągłe przełączanie powoduje przepływ wysokiego prądu przez wentylator i obwód elektroniczny, co prowadzi do przegrzania lub uszkodzenia tych elementów.

Wyzwalacz Schmitta: rozwiązanie tego problemu

Aby rozwiązać ten problem, używamy koncepcji wyzwalacza Schmitta. Wiąże się to z zastosowaniem dodatniego sprzężenia zwrotnego na nieodwracającym wejściu obwodu komparatora, co umożliwia przełączanie obwodu między stanem wysokim a stanem niskim przy różnych poziomach napięcia. Korzystając z tego schematu, można zapobiec licznym błędom powodowanym przez szum, zapewniając jednocześnie bezproblemowe przełączanie, ponieważ przełączanie na wysoki i niski stan logiczny występuje przy różnych poziomach napięcia.

Ulepszony wentylator sterowany temperaturą: jak to działa

Projekt działa w podejściu zintegrowanym, w którym dane z czujników dają poziom napięcia wyjściowego, który jest wykorzystywany przez inne elementy obwodu. Omówimy kolejno schematy obwodów, aby dać ci wgląd w sposób działania obwodu.

Czujnik temperatury (LM35)

LM35 jest układem scalonym do wykrywania temperatury w pomieszczeniu i podaje napięcie wyjściowe proporcjonalne do temperatury w skali Celsjusza. Używamy LM35 w opakowaniu TO-92. Nominalnie może dokładnie mierzyć temperaturę w zakresie od 0° do 100°C, z dokładnością mniejszą niż 1°C.

Może być zasilany za pomocą zasilacza prądu stałego od 4 V do 30 V i pobiera bardzo niski prąd 0,06 mA. Oznacza to, że ma bardzo niskie samonagrzewanie ze względu na niski pobór prądu, a jedyne ciepło (temperatura), które wykrywa, pochodzi z otaczającego środowiska.

Wyjściowa temperatura Celsjusza LM35 jest podana w odniesieniu do prostej liniowej funkcji przenoszenia:

…Gdzie:

• VOUT to napięcie wyjściowe LM35 w miliwoltach (mV).

• T to temperatura w °C.

Na przykład, jeśli czujnik LM35 wykryje temperaturę około 30°C, na wyjściu czujnika będzie prawie 300 mV lub 0,3 V. Możesz zmierzyć napięcie za pomocą multimetru cyfrowego. W tym projekcie dla majsterkowiczów używamy LM35 w rurowej wodoodpornej sondzie; można go jednak używać bez sondy rurkowej, takiej jak układ scalony.

Wzmacniacz wzmocnienia napięcia za pomocą LM741

Napięcie wyjściowe czujnika temperatury podawane jest w miliwoltach, dlatego wymaga wzmocnienia w celu wyeliminowania wpływu szumów na sygnał, a także w celu poprawy jakości sygnału. Wzmocnienie napięcia pomaga nam wykorzystać tę wartość do dalszego porównania ze stabilnym napięciem odniesienia za pomocą wzmacniacza operacyjnego LM741. Tutaj LM741 jest używany jako nieodwracający wzmacniacz napięcia.

W tym obwodzie wzmacniamy sygnał wyjściowy czujnika 13-krotnie. LM741 działa w konfiguracji nieodwracającego wzmacniacza operacyjnego. Funkcja przenoszenia dla nieodwracającego wzmacniacza operacyjnego ma postać:

Bierzemy więc R1 = 1 kΩ i R2 = 12 kΩ.

Elektroniczny komparator przełączników (LM393)

Jak wspomniano powyżej, w celu bezproblemowego przełączania elektronicznego można zaimplementować wyzwalacz Schmitta. W tym celu używamy układu scalonego LM393 jako wyzwalacza Schmitta komparatora napięcia. Używamy napięcia odniesienia 5 V do odwrócenia wejścia LM393. Napięcie odniesienia 5 V uzyskuje się za pomocą układu scalonego regulatora napięcia LM7805. LM7805 jest zasilany napięciem 12 V lub baterią i generuje stałe napięcie 5 V DC.

Drugie wejście LM393 jest podłączone do wyjścia nieodwracającego obwodu wzmacniacza operacyjnego, który opisano w powyższej sekcji. W ten sposób wzmocnioną wartość czujnika można teraz porównać z napięciem odniesienia za pomocą LM393. Pozytywne sprzężenie zwrotne jest realizowane na komparatorze LM393 dla efektu wyzwalania Schmitta. Wyjście LM393 jest utrzymywane w stanie wysokim, a dzielnik napięcia (sieć rezystorów pokazana na zielono na poniższym schemacie) jest używany na wyjściu w celu zmniejszenia napięcia wyjściowego (wysokiego) LM393 do 5 do 6 V.

Używamy aktualnego prawa Kirchoffa dla nieodwracających pinów, aby przeanalizować zachowanie obwodu i optymalne wartości rezystorów. (Jednak jego omówienie wykracza poza zakres tego artykułu).

Zaprojektowaliśmy sieć rezystorów w taki sposób, że gdy temperatura wzrośnie do 39,5°C i więcej, LM393 przełącza się w stan wysoki. Dzięki efektowi wyzwalającemu Schmitta utrzymuje się na wysokim poziomie, nawet jeśli temperatura spadnie nieco poniżej 38°C. Jednak komparator LM393 może wyprowadzić niski poziom logiczny, gdy temperatura spadnie poniżej 37°C.

Wzmocnienie prądu przy użyciu tranzystorów parowych Darlingtona

Wyjście LM393 przełącza się teraz między stanem niskim i wysokim, zgodnie z wymaganiami obwodu. Jednak prąd wyjściowy (maks. 20 mA bez aktywnej konfiguracji wysokiej) komparatora LM393 jest dość niski i nie może napędzać wentylatora. Aby rozwiązać ten problem, do napędzania wentylatora używamy par tranzystorów ULN2003 IC Darlington.

Układ ULN2003 składa się z siedmiu par tranzystorów ze wspólnym emiterem z otwartym kolektorem. Każda para może przewodzić prąd kolektor-emiter 380mA. W oparciu o aktualne wymagania wentylatora DC, można użyć wielu par Darlington w konfiguracji równoległej, aby zwiększyć maksymalną wydajność prądową. Wejście ULN2003 jest podłączone do komparatora LM393, a styki wyjściowe są podłączone do ujemnego zacisku wentylatora prądu stałego. Drugi zacisk wentylatora jest podłączony do akumulatora 12 V.

Elementy obwodu, z wyjątkiem wentylatora i akumulatora, są zintegrowane z płytą Veroboard poprzez lutowanie.

Kładąc wszystko razem

Pełny schemat wentylatora sterowanego temperaturą jest następujący. Wszystkie układy scalone są zasilane z akumulatora 12 V DC. Należy również zauważyć, że wszystkie masy muszą być wspólne na ujemnym zacisku akumulatora.

Testowanie obwodu

Aby przetestować ten obwód, możesz użyć grzejnika pokojowego jako źródła gorącego powietrza. Umieść sondę czujnika temperatury blisko grzejnika, aby mogła wykryć wysoką temperaturę. Po kilku chwilach zauważysz wzrost temperatury na wyjściu czujnika. Gdy temperatura przekroczy ustawiony próg 39,5°C, wentylator włączy się.

Teraz wyłącz grzejnik pokojowy i pozwól obiegowi ostygnąć. Gdy temperatura spadnie poniżej 37°C, zobaczysz, że wentylator się wyłączy.

Wybierz własny próg temperatury dla przełączanego wentylatora

Obwody wentylatorów przełączających sterowane temperaturą są powszechnie stosowane w wielu urządzeniach i gadżetach elektronicznych i elektrycznych. Możesz wybrać własne wartości temperatury włączania i wyłączania wentylatora, wybierając odpowiednią wartość rezystancji na schematach obwodu komparatora przerzutnika Schmitta. Podobną koncepcję można wykorzystać do zaprojektowania wentylatora sterowanego temperaturą ze zmiennymi prędkościami przełączania, tj. szybko i wolno.