С помощта на тригер на Schmitt можете да изградите прост вентилатор с контролирана температура, който се включва и изключва при зададени температури, без да е необходим микроконтролер.

В различни електронни устройства, като централни процесори и игрови конзоли, може да сте забелязали, че процесорът има тенденция да се нагрява по време на интензивна употреба като игри или симулации, което води до включване на вентилатора или увеличаване на скоростта му, за да разсее топлина. След като процесорът се охлади, вентилаторът се връща към нормалния си поток или се изключва.

В това ръководство за „Направи си сам“ ще изградим прост вентилатор с контролирана температура, който се включва и изключва при предварително определени температурни стойности, без да е необходим микроконтролер в неговата верига.

Какво ще Ви е необходимо

За да изградите този проект, ще ви трябват следните компоненти, които можете да получите от онлайн магазини за електроника.

  • Компаратор IC LM393
  • Температурен датчик LM35
  • Операционен усилвател LM741
    • instagram viewer
  • ULN2003 IC двойка транзистори Дарлингтън
  • DC вентилатор
  • Няколко резистори
  • Регулатор на напрежението LM7805
  • Свързващи проводници
  • Veroboard
  • Цифров мултиметър
  • 12V батерия
  • Станция за запояване (По избор: можете да изградите този проект и на макет)

Проблемът: Непрекъснато бързо превключване на DC вентилатора

За тази задача „Направи си сам“ искаме вентилаторът да се включва, когато температурният сензор отчете температура от 38°C (100°F) или по-висока, и да се изключва, когато температурата падне под този праг. Температурните сензори осигуряват на веригата изходно напрежение, което може да се използва за управление на вентилатора. Нуждаем се от схема за сравнение на напрежение, използваща LM393, за да сравним това изходно напрежение с референтно напрежение.

За да подобрим изходното напрежение от температурния сензор, ние използваме неинвертиращ операционен LM741 усилвател за повишаване на мащаба на това напрежение, което може да се сравни със стабилно референтно напрежение, осигурено от напрежението регулатор. Освен това използваме LM7805 като 5V DC регулатор на напрежението.

Наблюдава се, че когато температурата достигне 38°C, изходът на веригата започва многократно да превключва между етапите на включване и изключване поради шум в сигнала. Това трептене или бързо превключване може да възникне, освен ако температурата не стане доста над 38°C или доста под 38°C. Това непрекъснато превключване причинява протичане на силен ток през вентилатора и електронната верига, което води до прегряване или повреда на тези компоненти.

Schmitt Trigger: решение за този проблем

За да се справим с този проблем, ние използваме концепцията за задействане на Schmitt. Това включва прилагане на положителна обратна връзка към неинвертиращия вход на верига за сравнение, което позволява на веригата да превключва между логическо високо и логическо ниско ниво при различни нива на напрежение. С помощта на тази схема е възможно да се предотвратят многобройни грешки, причинени от шум, като същевременно се осигури безпроблемно превключване, тъй като превключването към високо и ниско логическо ниво се извършва при различни нива на напрежение.

Подобреният вентилатор с контролирана температура: как работи

Дизайнът работи в интегриран подход, при който данните от сензора дават нивото на изходното напрежение, което се използва от други елементи на веригата. Ще обсъдим последователно схемите на веригата, за да ви дадем представа как работи веригата.

Температурен сензор (LM35)

LM35 е IC за отчитане на стайната температура и дава изходно напрежение, пропорционално на температурата по скалата на Целзий. Ние използваме LM35 в опаковка TO-92. Номинално може да измерва точно температура между 0° до 100°C, с точност по-малка от 1°C.

Може да се захранва с помощта на 4V до 30V DC захранване и приема много нисък ток от 0,06mA. Това означава, че има много ниско самонагряване поради ниската консумация на ток и единствената топлина (температура), която открива, е на околната среда.

Изходната температура по Целзий на LM35 е дадена по отношение на проста линейна трансферна функция:

…където:

• VOUT е изходното напрежение на LM35 в миливолта (mV).

• T е температурата в °C.

Като пример, ако сензорът LM35 открие температура от приблизително 30°C, изходът на сензора ще бъде почти 300mV или 0,3V. Можеш измерете напрежението с помощта на цифров мултиметър. Ние използваме LM35 в тръбна водоустойчива сонда в този проект „Направи си сам“; въпреки това може да се използва без тръбна сонда, като IC.

Усилвател на напрежението, използващ LM741

Изходното напрежение на температурния сензор е в миливолта и следователно се нуждае от усилване, за да потисне ефекта на шума върху сигнала и също така да подобри качеството на сигнала. Усилването на напрежението ни помага да използваме тази стойност за последващо сравнение със стабилно референтно напрежение с помощта на операционен усилвател LM741. Тук LM741 се използва като неинвертиращ усилвател на напрежение.

За тази схема ние усилваме изхода на сензора с коефициент 13. LM741 работи в конфигурация на неинвертиращ операционен усилвател. Трансферната функция за неинвертиращия операционен усилвател става:

Така че приемаме R1 = 1kΩ и R2 = 12kΩ.

Електронен компаратор на превключватели (LM393)

Както бе споменато по-горе, за електронно превключване без грешки може да се приложи тригер на Шмит. За тази цел използваме LM393 IC като тригер на Шмит за сравнение на напрежението. Използваме референтно напрежение от 5V за инвертиране на входа на LM393. Референтно напрежение от 5 V се постига с помощта на IC регулатора на напрежението LM7805. LM7805 работи с помощта на 12V захранване или батерия и извежда постоянно 5V DC.

Другият вход на LM393 е свързан към изхода на веригата на неинвертиращия операционен усилвател, която е описана в горния раздел. По този начин усилената стойност на сензора вече може да се сравни с референтното напрежение с помощта на LM393. Положителната обратна връзка е реализирана на компаратора LM393 за тригерния ефект на Шмит. Изходът на LM393 се поддържа активен висок и делителят на напрежението (резисторна мрежа, показана в зелено на диаграмата по-долу) се използва на изхода, за да се намали изходът (висок) на LM393 до 5 до 6V.

Използваме текущия закон на Kirchoff при неинвертиращи щифтове, за да анализираме поведението на веригата и оптималните стойности на резистора. (Обсъждането му обаче е извън обхвата на тази статия.)

Проектирахме резисторната мрежа така, че когато температурата се повиши до 39,5°C и повече, LM393 се превключва на високо състояние. Благодарение на задействащия ефект на Шмит, тя остава висока дори ако температурата падне малко под 38°C. Въпреки това, компараторът LM393 може да изведе логическо ниско ниво, когато температурата падне под 37°C.

Коефициент на усилване на ток с помощта на двойка транзистори Дарлингтън

Изходът на LM393 сега превключва между логически нисък и висок, според изискванията на веригата. Въпреки това изходният ток (20 mA максимум без активна висока конфигурация) на компаратора LM393 е доста нисък и не може да управлява вентилатор. За да се справим с този проблем, ние използваме ULN2003 IC Darlington двойка транзистори за задвижване на вентилатора.

ULN2003 се състои от седем двойки транзистори с общ емитер с отворен колектор. Всяка двойка може да носи ток колектор-емитер от 380mA. Въз основа на текущите изисквания на DC вентилатора, множество двойки Darlington могат да се използват в паралелна конфигурация за увеличаване на максималния капацитет на тока. Входът на ULN2003 е свързан към компаратора LM393, а изходните щифтове са свързани към отрицателния извод на DC вентилатора. Другият извод на вентилатора е свързан към 12V батерия.

Елементите на веригата, с изключение на вентилатора и батерията, са интегрирани във Veroboard чрез запояване.

Сглобяване на всичко

Пълната схематична диаграма на вентилатора с контролирана температура е както следва. Всички интегрални схеми се захранват от 12V DC батерия. Също така е важно да се отбележи, че всички заземявания трябва да бъдат общи на отрицателния извод на батерията.

Тестване на веригата

За да тествате тази верига, можете да използвате стаен нагревател като източник на горещ въздух. Поставете сондата на температурния сензор близо до нагревателя, така че да може да открие високата температура. След няколко минути ще видите повишаване на температурата на изхода на сензора. Когато температурата надвиши зададения праг от 39,5°C, вентилаторът ще се включи.

Сега изключете стайния нагревател и оставете веригата да се охлади. След като температурата падне под 37°C, ще видите, че вентилаторът ще се изключи.

Изберете свой собствен температурен праг за превключващ вентилатор

Веригите на превключващите вентилатори с контролирана температура обикновено се използват в много електронни и електрически уреди и джаджи. Можете да изберете вашите собствени температурни стойности за включване и изключване на вентилатора, като изберете подходящата стойност на съпротивленията в схемите на схемата на тригерния компаратор на Schmitt. Подобна концепция може да се използва за проектиране на вентилатор с контролирана температура с променливи скорости на превключване, т.е. бързи и бавни.