Z uporabo Schmittovega sprožilca lahko sestavite preprost temperaturno krmiljen ventilator, ki se vklopi in izklopi pri nastavljenih temperaturah, mikrokrmilnik ni potreben.

V različnih elektronskih napravah, kot so procesorji in igralne konzole, ste morda opazili, da se procesor rad segreva med intenzivno uporabo, kot je igranje iger ali simulacija, kar povzroči vklop ventilatorja ali povečanje njegove hitrosti za razpršitev toplota. Ko se procesor ohladi, se ventilator vrne v normalni tok ali pa se izklopi.

V tem priročniku za DIY bomo izdelali preprost ventilator z nadzorovano temperaturo, ki se vklaplja in izklaplja pri vnaprej določenih temperaturnih vrednostih, ne da bi v svojem vezju potrebovali mikrokrmilniško enoto.

Kaj boste potrebovali

Za izdelavo tega projekta boste potrebovali naslednje komponente, ki jih lahko dobite v spletnih trgovinah z elektroniko.

  • Primerjalnik IC LM393
  • Temperaturni senzor LM35
  • Operacijski ojačevalnik LM741
  • ULN2003 Darlington par tranzistorjev IC
  • DC ventilator
  • Nekaj upori
  • Regulator napetosti LM7805
  • Povezovalne žice
  • Veroboard
  • Digitalni multimeter
  • 12V baterija
  • Spajkalna postaja (izbirno: ta projekt lahko zgradite tudi na mizi)

Težava: neprekinjeno hitro preklapljanje ventilatorja DC

Za to opravilo DIY želimo, da se ventilator vklopi, ko temperaturni senzor zazna temperaturo 38 °C (100 °F) ali več, in se izklopi, ko temperatura pade pod ta prag. Temperaturni senzorji zagotavljajo tokokrogu izhodno napetost, ki se lahko uporablja za krmiljenje ventilatorja. Za primerjavo te izhodne napetosti z referenčno napetostjo potrebujemo vezje primerjalnika napetosti z uporabo LM393.

Za izboljšanje izhodne napetosti iz temperaturnega tipala uporabljamo neinvertirajoče delovanje LM741 ojačevalnik za povečanje te napetosti, ki jo je mogoče primerjati s stabilno referenčno napetostjo, ki jo zagotavlja napetost regulator. Poleg tega uporabljamo LM7805 kot regulator napetosti 5 V DC.

Opaženo je, da ko se temperatura približa 38 °C, začne izhod vezja večkrat preklapljati med stopnjama vklopa in izklopa zaradi šuma na signalu. Do tega tresenja ali hitrega preklapljanja lahko pride, razen če se temperatura močno dvigne nad 38 °C ali precej pod 38 °C. To neprekinjeno preklapljanje povzroči, da skozi ventilator in elektronsko vezje teče visok tok, kar povzroči pregrevanje ali poškodbo teh komponent.

Schmittov sprožilec: rešitev za ta problem

Za reševanje te težave uporabljamo koncept Schmittovega sprožilca. To vključuje uporabo pozitivne povratne informacije na neinvertirajočem vhodu primerjalnega vezja, ki omogoča, da vezje preklaplja med visoko in nizko logično vrednostjo pri različnih nivojih napetosti. Z uporabo te sheme je mogoče preprečiti številne napake, ki jih povzroča hrup, hkrati pa zagotoviti brezhibno preklapljanje, saj se preklapljanje na logično visoko in nizko raven pojavi na različnih nivojih napetosti.

Izboljšan ventilator z nadzorovano temperaturo: kako deluje

Zasnova deluje v okviru integriranega pristopa, pri katerem podatki senzorja dajejo raven izhodne napetosti, ki jo uporabljajo drugi elementi vezja. Zaporedoma bomo razpravljali o shemah vezja, da boste dobili vpogled v delovanje vezja.

Temperaturni senzor (LM35)

LM35 je IC za zaznavanje sobne temperature in daje izhodno napetost sorazmerno s temperaturo na Celzijevi lestvici. Uporabljamo LM35 v embalaži TO-92. Nominalno lahko natančno meri temperaturo med 0° in 100°C, z natančnostjo manj kot 1°C.

Napaja se lahko z napajalnikom 4 V do 30 V DC in ima zelo nizek tok 0,06 mA. To pomeni, da ima zelo nizko samosegrevanje zaradi nizke porabe toka in edina toplota (temperatura), ki jo zazna, je okolice.

Izhodna temperatura Celzija LM35 je podana glede na preprosto linearno prenosno funkcijo:

…kje:

• VOUT je izhodna napetost LM35 v milivoltih (mV).

• T je temperatura v °C.

Na primer, če senzor LM35 zazna temperaturo približno 30 °C, bi bil izhod senzorja skoraj 300 mV ali 0,3 V. Ti lahko izmerite napetost z digitalnim multimetrom. V tem projektu DIY uporabljamo LM35 v cevasti vodotesni sondi; vendar se lahko uporablja brez cevaste sonde, kot je IC.

Ojačevalnik ojačanja napetosti z uporabo LM741

Izhodna napetost temperaturnega tipala je v milivoltih, zato jo je treba ojačati, da se zmanjša učinek šuma na signal in izboljša kakovost signala. Ojačitev napetosti nam pomaga uporabiti to vrednost za nadaljnjo primerjavo s stabilno referenčno napetostjo s pomočjo operacijskega ojačevalnika LM741. Tukaj se LM741 uporablja kot neinvertirajoči napetostni ojačevalnik.

Za to vezje ojačamo izhod senzorja za faktor 13. LM741 deluje v konfiguraciji operacijskega ojačevalnika brez obračanja. Prenosna funkcija za neinvertirajoči operacijski ojačevalnik postane:

Torej vzamemo R1 = 1kΩ in R2 = 12kΩ.

Elektronski stikalni primerjalnik (LM393)

Kot je bilo omenjeno zgoraj, je za elektronsko preklapljanje brez napak mogoče uporabiti Schmittov sprožilec. V ta namen uporabljamo LM393 IC kot napetostni komparator Schmittov sprožilec. Za obračanje vhoda LM393 uporabljamo referenčno napetost 5 V. Referenčna napetost 5 V je dosežena s pomočjo regulatorja napetosti LM7805 IC. LM7805 deluje z 12 V napajalnikom ali baterijo in oddaja konstantno 5 V DC.

Drugi vhod LM393 je povezan z izhodom vezja neinvertirajočega operacijskega ojačevalnika, ki je opisano v zgornjem razdelku. Na ta način je zdaj mogoče primerjati ojačano vrednost senzorja z referenčno napetostjo z uporabo LM393. Pozitivna povratna informacija je izvedena na primerjalniku LM393 za Schmittov sprožilni učinek. Izhod LM393 ostane aktiven na visoki ravni, napetostni delilnik (mreža uporov, prikazana zeleno v spodnjem diagramu) pa se uporablja na izhodu za zmanjšanje izhodne napetosti (visoke) LM393 na 5 do 6 V.

Za analizo obnašanja vezja in optimalnih vrednosti uporov uporabljamo Kirchoffov trenutni zakon na neinvertiranih zatičih. (Vendar razprava o tem presega obseg tega članka.)

Omrežje uporov smo zasnovali tako, da ko se temperatura dvigne na 39,5 °C in več, se LM393 preklopi v visoko stanje. Zaradi Schmittovega prožilnega učinka ostane visoka tudi, če temperatura pade tik pod 38°C. Vendar pa lahko primerjalnik LM393 odda logično nizko vrednost, ko temperatura pade pod 37 °C.

Ojačanje toka z uporabo Darlingtonovih parnih tranzistorjev

Izhod LM393 zdaj preklaplja med logično nizko in visoko vrednostjo, glede na zahteve vezja. Vendar pa je izhodni tok (največ 20 mA brez aktivne visoke konfiguracije) primerjalnika LM393 precej nizek in ne more poganjati ventilatorja. Da bi odpravili to težavo, za pogon ventilatorja uporabljamo parne tranzistorje Darlington ULN2003 IC.

ULN2003 je sestavljen iz sedmih parov tranzistorjev s skupnim emiterjem odprtega kolektorja. Vsak par lahko prenaša 380 mA tok kolektor-emiter. Glede na trenutne zahteve ventilatorja za enosmerni tok je mogoče uporabiti več parov Darlington v vzporedni konfiguraciji za povečanje največje tokovne zmogljivosti. Vhod ULN2003 je povezan s primerjalnikom LM393, izhodni zatiči pa z negativnim priključkom ventilatorja DC. Drugi terminal ventilatorja je priključen na 12V baterijo.

Elementi vezja, razen ventilatorja in baterije, so integrirani na Veroboard s spajkanjem.

Vse to skupaj

Celoten shematski diagram ventilatorja z nadzorovano temperaturo je naslednji. Vsi IC-ji se napajajo iz 12 V DC baterije. Pomembno je tudi upoštevati, da morajo biti vse ozemljitve skupne na negativnem priključku akumulatorja.

Testiranje vezja

Če želite preizkusiti to vezje, lahko kot vir vročega zraka uporabite sobni grelnik. Sondo temperaturnega tipala postavite blizu grelnika, da lahko zazna vročino. Po nekaj trenutkih boste opazili povišanje temperature na izhodu senzorja. Ko temperatura preseže nastavljeni prag 39,5°C, se vklopi ventilator.

Sedaj izklopite sobni grelec in pustite, da se tokokrog ohladi. Ko temperatura pade pod 37°C, boste videli, da se bo ventilator izklopil.

Izberite svoj temperaturni prag za preklopni ventilator

Temperaturno nadzorovana preklopna ventilatorska vezja se običajno uporabljajo v številnih elektronskih in električnih napravah in pripomočkih. Sami lahko izberete temperaturne vrednosti za vklop in izklop ventilatorja z izbiro ustrezne vrednosti uporov v shemah Schmittovega prožilnega komparatorskega vezja. Podoben koncept je mogoče uporabiti za načrtovanje temperaturno nadzorovanega ventilatorja s spremenljivimi preklopnimi hitrostmi, torej hitrimi in počasnimi.