Pomocí spouště Schmitt můžete sestavit jednoduchý ventilátor s řízenou teplotou, který se zapíná a vypíná při nastavených teplotách, bez potřeby mikrokontroléru.

V různých elektronických zařízeních, jako jsou CPU a herní konzole, jste si mohli všimnout, že procesor má tendenci se zahřívat při intenzivním používání, jako je hraní her nebo simulace, což vede k zapnutí ventilátoru nebo zvýšení jeho rychlosti, aby se rozptýlil teplo. Jakmile procesor vychladne, ventilátor se vrátí do normálního proudu nebo se vypne.

V tomto návodu pro kutily sestrojíme jednoduchý teplotně řízený ventilátor, který se zapíná a vypíná při předem stanovených hodnotách teploty, aniž by v jeho obvodu byla potřeba mikrokontrolérová jednotka.

Co budete potřebovat

K sestavení tohoto projektu budete potřebovat následující komponenty, které lze získat v online obchodech s elektronikou.

  • Komparátor IC LM393
  • Snímač teploty LM35
  • Operační zesilovač LM741
  • ULN2003 Darlington párový tranzistorový IC
  • DC ventilátor
  • Trochu rezistory
  • Regulátor napětí LM7805
  • Spojovací vodiče
  • Veroboard
  • Digitální multimetr
  • 12V baterie
  • Pájecí stanice (Volitelné: tento projekt můžete postavit i na prkénku)

Problém: Nepřetržité rychlé spínání DC ventilátoru

Pro tento DIY úkol chceme, aby se ventilátor zapnul, když teplotní senzor zaznamená teplotu 38 °C (100 °F) nebo vyšší, a vypnul, když teplota klesne pod tuto prahovou hodnotu. Teplotní čidla poskytují obvodu napěťový výstup, který lze použít pro ovládání ventilátoru. Potřebujeme obvod komparátoru napětí využívající LM393 k porovnání tohoto napěťového výstupu s referenčním napětím.

Pro zvýšení napěťového výstupu z teplotního senzoru používáme neinvertující LM741 zesilovač pro zvýšení tohoto napětí, které lze porovnat se stabilní referenční hodnotou napětí poskytovanou napětím regulátor. Navíc používáme LM7805 jako 5V DC regulátor napětí.

Bylo pozorováno, že když se teplota blíží 38 °C, výstup obvodu se začne opakovaně přepínat mezi fázemi zapnutí a vypnutí kvůli šumu v signálu. Toto chvění nebo rychlé přepínání může nastat, pokud teplota nepřekročí 38 °C nebo výrazně pod 38 °C. Toto nepřetržité spínání způsobuje, že ventilátorem a elektronickým obvodem protéká vysoký proud, což vede k přehřátí nebo poškození těchto součástí.

Schmitt Trigger: Řešení tohoto problému

K vyřešení tohoto problému používáme Schmittův spouštěcí koncept. To zahrnuje aplikaci kladné zpětné vazby na neinvertující vstup komparátorového obvodu, který umožňuje obvodu přepínat mezi logickým vysokým a logickým nízkým napětím při různých úrovních napětí. Pomocí tohoto schématu je možné předejít četným chybám způsobeným šumem a zároveň zajistit plynulé přepínání, protože přepínání na logické vysoké a nízké nastává při různých úrovních napětí.

Vylepšený ventilátor s řízenou teplotou: Jak to funguje

Návrh funguje v integrovaném přístupu, ve kterém data snímače udávají úroveň výstupního napětí, kterou využívají ostatní prvky obvodu. Probereme schémata obvodů v pořadí, abychom vám poskytli přehled o tom, jak obvod funguje.

Teplotní senzor (LM35)

LM35 je integrovaný obvod pro snímání pokojové teploty a poskytuje výstupní napětí úměrné teplotě na stupnici Celsia. Používáme LM35 v balení TO-92. Nominálně dokáže přesně měřit teplotu mezi 0° až 100°C s přesností menší než 1°C.

Může být napájen pomocí napájecího zdroje 4V až 30V DC a odebírá velmi nízký proud 0,06mA. To znamená, že má velmi nízké samozahřívání díky nízké spotřebě proudu a jediné teplo (teplotu), které detekuje, je okolního prostředí.

Teplotní výstup ve stupních Celsia LM35 je dán s ohledem na jednoduchou lineární přenosovou funkci:

…kde:

• VOUT je výstupní napětí LM35 v milivoltech (mV).

• T je teplota ve °C.

Například, pokud snímač LM35 detekuje teplotu přibližně 30 °C, výstup snímače by byl téměř 300 mV nebo 0,3 V. Můžeš změřte napětí pomocí digitálního multimetru. V tomto DIY projektu používáme LM35 v trubkové vodotěsné sondě; lze jej však použít bez trubicové sondy, jako je IC.

Zesilovač napěťového zisku využívající LM741

Výstupní napětí teplotního senzoru je v milivoltech, a proto potřebuje zesílení pro potlačení vlivu šumu na signál a také pro zlepšení kvality signálu. Zesílení napětí nám pomáhá použít tuto hodnotu pro další srovnání se stabilním referenčním napětím pomocí operačního zesilovače LM741. Zde je LM741 použit jako neinvertující napěťový zesilovač.

Pro tento obvod zesilujeme výstup senzoru faktorem 13. LM741 je provozován v neinvertující konfiguraci operačního zesilovače. Přenosová funkce pro neinvertující operační zesilovač je:

Vezmeme tedy R1 = 1kΩ a R2 = 12kΩ.

Elektronický komparátor spínačů (LM393)

Jak bylo uvedeno výše, pro elektronické spínání bez závad lze implementovat Schmittův spínač. Pro tento účel používáme LM393 IC jako Schmittův spouštěč komparátoru napětí. Pro invertování vstupu LM393 používáme referenční napětí 5V. Referenční napětí 5V je dosaženo pomocí IC regulátoru napětí LM7805. LM7805 je provozován pomocí 12V napájecího zdroje nebo baterie a na výstupu je konstantních 5V DC.

Druhý vstup LM393 je připojen k výstupu obvodu neinvertujícího operačního zesilovače, který je popsán ve výše uvedené části. Tímto způsobem lze nyní zesílenou hodnotu senzoru porovnat s referenčním napětím pomocí LM393. Pozitivní zpětná vazba je implementována na komparátoru LM393 pro Schmittův spouštěcí efekt. Výstup LM393 je udržován na vysoké úrovni a na výstupu se používá dělič napětí (síť rezistorů zobrazená zeleně na obrázku níže) ke snížení výstupu (vysoké) LM393 na 5 až 6V.

K analýze chování obvodu a optimálních hodnot odporu používáme Kirchoffův současný zákon na neinvertujících pinech. (Jeho diskuse je však nad rámec tohoto článku.)

Navrhli jsme odporovou síť tak, že když se teplota zvýší na 39,5 °C a více, LM393 se přepne na vysoký stav. Díky Schmittově spouštěcímu efektu zůstává vysoká, i když teplota klesne těsně pod 38°C. Komparátor LM393 však může mít na výstupu logické minimum, když teplota klesne pod 37 °C.

Zisk proudu pomocí Darlingtonových párových tranzistorů

Výstup LM393 nyní přepíná mezi logickou nízkou a vysokou úrovní podle požadavků obvodu. Výstupní proud (max. 20 mA bez aktivní vysoké konfigurace) komparátoru LM393 je však poměrně nízký a nemůže pohánět ventilátor. K vyřešení tohoto problému používáme k pohonu ventilátoru párové tranzistory ULN2003 IC Darlington.

ULN2003 se skládá ze sedmi párů tranzistorů se společným emitorem s otevřeným kolektorem. Každý pár může přenášet proud kolektor-emitor 380 mA. Na základě aktuálního požadavku stejnosměrného ventilátoru lze použít více párů Darlington v paralelní konfiguraci pro zvýšení maximální proudové kapacity. Vstup ULN2003 je připojen ke komparátoru LM393 a výstupní kolíky jsou připojeny k záporné svorce stejnosměrného ventilátoru. Druhá svorka ventilátoru je připojena na 12V baterii.

Prvky obvodu, kromě ventilátoru a baterie, jsou na Veroboard integrovány pájením.

Dát to všechno dohromady

Kompletní schematický diagram teplotně řízeného ventilátoru je následující. Všechny integrované obvody jsou napájeny z 12V DC baterie. Je také důležité poznamenat, že všechny uzemnění musí být společné na záporném pólu baterie.

Testování obvodu

K otestování tohoto okruhu můžete jako zdroj horkého vzduchu použít pokojový ohřívač. Umístěte sondu teplotního senzoru blízko ohřívače, aby mohla detekovat vysokou teplotu. Po několika okamžicích zjistíte zvýšení teploty na výstupu senzoru. Když teplota překročí nastavenou hranici 39,5°C, ventilátor se zapne.

Nyní vypněte pokojové topení a nechte okruh vychladnout. Jakmile teplota klesne pod 37°C, uvidíte, že se ventilátor vypne.

Vyberte si svůj vlastní teplotní práh pro spínací ventilátor

Obvody spínacích ventilátorů řízených teplotou se běžně používají v mnoha elektronických a elektrických spotřebičích a zařízeních. Vlastní hodnoty teplot pro zapínání a vypínání ventilátoru si můžete zvolit volbou příslušné hodnoty odporů ve schématech obvodu komparátoru Schmittovy spouště. Obdobnou koncepcí lze navrhnout teplotně řízený ventilátor s proměnnými rychlostmi spínání, tedy rychle a pomalu.