Используя триггер Шмитта, вы можете построить простой вентилятор с регулируемой температурой, который включается и выключается при заданной температуре, без микроконтроллера.

В различных электронных устройствах, таких как процессоры и игровые консоли, вы могли заметить, что процессор имеет тенденцию нагреваться. во время интенсивного использования, такого как игры или симуляция, что приводит к включению вентилятора или увеличению его скорости для рассеивания нагревать. Как только процессор остывает, вентилятор возвращается к своему обычному потоку или отключается.

В этом руководстве «Сделай сам» мы создадим простой вентилятор с регулируемой температурой, который включается и выключается при заданных значениях температуры без необходимости использования микроконтроллера в его цепи.

Что вам понадобится

Для сборки этого проекта вам понадобятся следующие компоненты, которые можно приобрести в интернет-магазинах электроники.

  • ИС компаратора LM393
  • Датчик температуры LM35
  • Операционный усилитель LM741
    • instagram viewer
  • ULN2003 ИС на парных транзисторах Дарлингтона
  • вентилятор постоянного тока
  • Немного резисторы
  • Регулятор напряжения LM7805
  • Соединительные провода
  • Вероборд
  • Цифровой мультиметр
  • батарея 12В
  • Паяльная станция (опционально: вы можете построить этот проект и на макетной плате)

Проблема: постоянное быстрое переключение вентилятора постоянного тока

Для этой задачи «сделай сам» мы хотим, чтобы вентилятор включался, когда датчик температуры измерял температуру 38 ° C (100 ° F) или выше, и выключался, когда температура падала ниже этого порога. Датчики температуры обеспечивают цепь выходным напряжением, которое можно использовать для управления вентилятором. Нам нужна схема компаратора напряжения, использующая LM393, чтобы сравнить это выходное напряжение с опорным напряжением.

Чтобы улучшить выходное напряжение датчика температуры, мы используем неинвертирующий рабочий транзистор LM741. усилитель для повышения масштаба этого напряжения, которое можно сравнить со стабильным опорным напряжением, обеспечиваемым напряжением регулятор. Кроме того, мы используем LM7805 в качестве стабилизатора постоянного напряжения 5 В.

Наблюдается, что когда температура приближается к 38°C, выход схемы начинает многократно переключаться между стадиями включения и выключения из-за шума в сигнале. Это дрожание или быстрое переключение может произойти, если температура не станет значительно выше 38°C или значительно ниже 38°C. Это непрерывное переключение вызывает протекание большого тока через вентилятор и электронную схему, что приводит к перегреву или повреждению этих компонентов.

Триггер Шмитта: решение этой проблемы

Для решения этой проблемы мы используем концепцию триггера Шмитта. Это включает применение положительной обратной связи на неинвертирующем входе схемы компаратора, что позволяет схеме переключаться между высоким и низким логическим уровнем при различных уровнях напряжения. Используя эту схему, можно предотвратить многочисленные ошибки, вызванные шумом, и при этом обеспечить плавное переключение, так как переключение на высокий и низкий логический уровень происходит при разных уровнях напряжения.

Улучшенный вентилятор с регулируемой температурой: как это работает

Конструкция работает в комплексном подходе, при котором данные датчика дают уровень выходного напряжения, который используется другими элементами схемы. Мы обсудим принципиальные схемы последовательно, чтобы дать вам представление о том, как работает схема.

Датчик температуры (LM35)

LM35 представляет собой микросхему для измерения температуры в помещении и выдает выходное напряжение, пропорциональное температуре по шкале Цельсия. Мы используем LM35 в корпусе TO-92. Номинально он может точно измерять температуру от 0° до 100°C с точностью менее 1°C.

Он может питаться от источника питания постоянного тока от 4 до 30 В и потребляет очень низкий ток 0,06 мА. Это означает, что он имеет очень низкий самонагрев из-за низкого потребления тока, и единственное тепло (температура), которое он обнаруживает, - это окружающая среда.

Выходная температура по Цельсию LM35 дается относительно простой линейной передаточной функции:

…где:

• VOUT — выходное напряжение LM35 в милливольтах (мВ).

• T – температура в °C.

Например, если датчик LM35 определяет температуру приблизительно 30°C, выходной сигнал датчика будет около 300 мВ или 0,3 В. Ты можешь измерить напряжение цифровым мультиметром. В этом проекте «сделай сам» мы используем LM35 в трубчатом водонепроницаемом зонде; однако его можно использовать без трубчатого зонда, как IC.

Усилитель с усилением по напряжению на LM741

Выходное напряжение датчика температуры измеряется в милливольтах и ​​поэтому требует усиления для подавления влияния шума на сигнал, а также для улучшения качества сигнала. Усиление напряжения помогает нам использовать это значение для дальнейшего сравнения со стабильным эталонным напряжением с помощью операционного усилителя LM741. Здесь LM741 используется как неинвертирующий усилитель напряжения.

Для этой схемы мы усиливаем выходной сигнал датчика в 13 раз. LM741 работает в конфигурации с неинвертирующим операционным усилителем. Передаточная функция для неинвертирующего операционного усилителя принимает вид:

Итак, мы берем R1 = 1 кОм и R2 = 12 кОм.

Компаратор электронных переключателей (LM393)

Как упоминалось выше, для безотказного электронного переключения может быть реализован триггер Шмитта. Для этой цели мы используем микросхему LM393 в качестве триггера Шмитта компаратора напряжения. Мы используем опорное напряжение 5 В для инвертирования входа LM393. Опорное напряжение 5 В достигается с помощью микросхемы стабилизатора напряжения LM7805. LM7805 работает от источника питания 12 В или батареи и выдает постоянное напряжение 5 В постоянного тока.

Другой вход LM393 подключен к выходу схемы неинвертирующего операционного усилителя, которая описана в предыдущем разделе. Таким образом, усиленное значение датчика теперь можно сравнить с опорным напряжением с помощью LM393. Положительная обратная связь реализована на компараторе LM393 для эффекта триггера Шмитта. На выходе LM393 сохраняется активный высокий уровень, а делитель напряжения (резисторная сеть, показанная зеленым цветом на диаграмме ниже) используется на выходе для уменьшения выходного (высокого) уровня LM393 до 5–6 В.

Мы используем закон тока Кирхгофа для неинвертирующих выводов, чтобы проанализировать поведение схемы и оптимальные значения резисторов. (Однако его обсуждение выходит за рамки данной статьи.)

Мы разработали цепь резисторов таким образом, что при повышении температуры до 39,5°C и выше LM393 переключается в состояние высокого уровня. Благодаря эффекту триггера Шмитта она остается высокой, даже если температура опускается чуть ниже 38°C. Однако компаратор LM393 может выдавать низкий логический уровень, когда температура падает ниже 37°C.

Усиление по току с использованием транзисторов с парой Дарлингтона

Выход LM393 теперь переключается между низким и высоким логическим уровнем в соответствии с требованиями схемы. Однако выходной ток (макс. 20 мА без конфигурации с активным высоким уровнем) компаратора LM393 довольно низкий и не может управлять вентилятором. Чтобы решить эту проблему, мы используем пару транзисторов Дарлингтона ULN2003 IC для управления вентилятором.

ULN2003 состоит из семи пар транзисторов с открытым коллектором и общим эмиттером. Каждая пара может нести ток коллектор-эмиттер 380 мА. В зависимости от текущих требований вентилятора постоянного тока можно использовать несколько пар Дарлингтона в параллельной конфигурации для увеличения максимальной пропускной способности по току. Вход ULN2003 подключен к компаратору LM393, а выходные контакты подключены к отрицательной клемме вентилятора постоянного тока. Другая клемма вентилятора подключена к аккумулятору 12 В.

Элементы схемы, кроме вентилятора и аккумулятора, интегрированы в Veroboard с помощью пайки.

Собираем все вместе

Полная принципиальная схема вентилятора с регулируемой температурой выглядит следующим образом. Все микросхемы получают питание от батареи 12 В постоянного тока. Также важно отметить, что все заземления должны быть общими на отрицательной клемме аккумулятора.

Тестирование схемы

Чтобы проверить эту схему, вы можете использовать комнатный обогреватель в качестве источника горячего воздуха. Поместите зонд датчика температуры рядом с нагревателем, чтобы он мог определить горячую температуру. Через несколько секунд вы обнаружите повышение температуры на выходе датчика. Когда температура превысит установленный порог 39,5°C, включится вентилятор.

Теперь выключите комнатный обогреватель и дайте контуру остыть. Как только температура упадет ниже 37°C, вы увидите, что вентилятор выключится.

Выберите свой собственный температурный порог для переключающегося вентилятора

Схемы переключения вентиляторов с регулируемой температурой обычно используются во многих электронных и электрических приборах и гаджетах. Вы можете выбрать свои значения температуры включения и выключения вентилятора, подобрав соответствующее значение сопротивлений в схемах компаратора триггера Шмитта. Аналогичная концепция может быть использована для проектирования вентилятора с регулируемой температурой с переменной скоростью переключения, то есть быстрой и медленной.