Hvordan lage en temperaturkontrollert DC-vifte

I forskjellige elektroniske enheter som CPUer og spillkonsoller, har du kanskje observert at prosessoren har en tendens til å varme opp under intensiv bruk som spill eller simulering, noe som fører til at viften slår seg på eller øker hastigheten for å fjerne varme. Når prosessoren er avkjølt, går viften tilbake til normal flyt eller slår seg av.

I denne gjør-det-selv-guiden vil vi bygge en enkel temperaturstyrt vifte som slår seg på og av ved forhåndsbestemte temperaturverdier, uten behov for en mikrokontrollerenhet i kretsen.

Hva du trenger

For å bygge dette prosjektet trenger du følgende komponenter, som kan fås fra elektroniske nettbutikker.

• Komparator IC LM393
• Temperaturføler LM35
• Operasjonsforsterker LM741
• ULN2003 Darlington par transistor IC
• DC vifte
• Noen motstander
• Spenningsregulator LM7805
• Koble ledninger
• Veroboard
instagram viewer
• Digitalt multimeter
• 12V batteri
• Loddestasjon (Valgfritt: du kan bygge dette prosjektet på et brødbrett også)

Problemet: Kontinuerlig rask veksling av DC-viften

For denne gjør-det-selv-oppgaven vil vi at viften skal slå seg på når temperatursensoren registrerer en temperatur på 38°C (100°F) eller høyere, og slå seg av når temperaturen faller under denne terskelen. Temperatursensorer forsyner kretsen med spenningsutgangen som kan brukes til å kontrollere viften. Vi trenger en spenningskomparatorkrets som bruker en LM393 for å sammenligne denne spenningsutgangen med en referansespenning.

For å forbedre spenningsutgangen fra temperatursensoren, bruker vi en LM741 ikke-inverterende operasjonell forsterker for å oppskalere denne spenningen, som kan sammenlignes med en stabil spenningsreferanse gitt av spenningen regulator. Dessuten bruker vi en LM7805 som en 5V DC spenningsregulator.

Det er observert at når temperaturen nærmer seg 38°C, begynner kretsutgangen å bytte gjentatte ganger mellom på- og av-trinn på grunn av støy på signalet. Denne jitteringen eller raske vekslingen kan forekomme med mindre temperaturen kommer godt over 38°C eller godt under 38°C. Denne kontinuerlige svitsjen fører til at høy strøm flyter gjennom viften og den elektroniske kretsen, noe som fører til overoppheting eller skade på disse komponentene.

Schmitt Trigger: en løsning på dette problemet

For å løse dette problemet bruker vi Schmitt trigger-konseptet. Dette innebærer å bruke positiv tilbakemelding på den ikke-inverterende inngangen til en komparatorkrets som lar kretsen bytte mellom logisk høy og logisk lav ved forskjellige spenningsnivåer. Ved å bruke denne ordningen er det mulig å forhindre en rekke feil forårsaket av støy samtidig som man sikrer sømløs svitsjing, da veksling til logisk høy og lav skjer ved forskjellige spenningsnivåer.

Den forbedrede temperaturkontrollerte viften: Slik fungerer den

Designet fungerer i en integrert tilnærming, der sensordata gir utgangsspenningsnivået, som brukes av andre kretselementer. Vi vil diskutere kretsskjemaene i rekkefølge for å gi deg et innblikk i hvordan kretsen fungerer.

Temperatursensor (LM35)

LM35 er en IC for å registrere romtemperaturen og gir utgangsspenning proporsjonal med temperaturen på Celsius-skalaen. Vi bruker LM35 i TO-92 emballasje. Nominelt kan den nøyaktig måle temperatur mellom 0° til 100°C, med en nøyaktighet på mindre enn 1°C.

Den kan strømforsynes med en 4V til 30V DC strømforsyning og tar en svært lav strøm på 0,06mA. Det betyr at den har svært lav selvoppvarming på grunn av lavt strømforbruk, og den eneste varmen (temperaturen) den oppdager er fra omgivelsene.

Celsius-temperaturutgangen til LM35 er gitt med hensyn til en enkel lineær overføringsfunksjon:

…hvor:

• VOUT er LM35-utgangsspenningen i millivolt (mV).

• T er temperaturen i °C.

For eksempel, hvis LM35-sensoren oppdager en temperatur på omtrent 30°C, vil sensorutgangen være nesten 300mV eller 0,3V. Du kan måle spenningen med et digitalt multimeter. Vi bruker LM35 i en rørformet vanntett sonde i dette DIY-prosjektet; den kan imidlertid brukes uten en rørformet sonde, som en IC.

Spenningsforsterker som bruker LM741

Utgangsspenningen til temperatursensoren er i millivolt, og trenger derfor forsterkning for å undertrykke effekten av støy på signalet og også for å forbedre signalkvaliteten. Spenningsforsterkning hjelper oss å bruke denne verdien for videre sammenligning med en stabil referansespenning, ved hjelp av en LM741 operasjonsforsterker. Her brukes LM741 som en ikke-inverterende spenningsforsterker.

For denne kretsen forsterker vi sensorutgangen med en faktor på 13. LM741 drives i en ikke-inverterende operasjonsforsterkerkonfigurasjon. Overføringsfunksjonen for den ikke-inverterende operasjonsforsterkeren blir:

Så vi tar R1 = 1kΩ og R2 = 12kΩ.

Elektronisk bryterkomparator (LM393)

Som nevnt ovenfor, for feilfri elektronisk svitsjing, kan en Schmitt-utløser implementeres. For dette formålet bruker vi en LM393 IC som en spenningskomparator Schmitt-utløser. Vi bruker en referansespenning på 5V for å invertere inngangen til LM393. En 5V spenningsreferanse oppnås ved hjelp av LM7805 spenningsregulator IC. LM7805 drives med en 12V strømforsyning eller batteri, og den gir ut konstant 5V DC.

Den andre inngangen til LM393 er koblet til utgangen til den ikke-inverterende operasjonsforsterkerkretsen, som er beskrevet i avsnittet ovenfor. På denne måten kan den forsterkede sensorverdien nå sammenlignes med referansespenningen ved hjelp av LM393. Positiv tilbakemelding er implementert på komparator LM393 for Schmitt-triggereffekten. Utgangen til LM393 holdes aktiv høy og spenningsdeleren (motstandsnettverket vist i grønt i diagrammet nedenfor) brukes ved utgangen for å redusere utgangen (høy) til LM393 til 5 til 6V.

Vi bruker Kirchoffs gjeldende lov for ikke-inverterende pinner for å analysere kretsens oppførsel og optimale motstandsverdier. (Dens diskusjon er imidlertid utenfor rammen av denne artikkelen.)

Vi har designet motstandsnettverket slik at når temperaturen økes til 39,5°C og over, blir LM393 slått til en høy tilstand. På grunn av Schmitt-triggereffekten forblir den høy selv om temperaturen faller rett under 38°C. Imidlertid kan LM393-komparatoren gi et logisk lavt nivå når temperaturen faller under 37 °C.

Strømforsterkning ved bruk av Darlington-partransistorer

Utgangen til LM393 veksler nå mellom logisk lav og høy, i henhold til kretskravene. Utgangsstrømmen (maks. 20mA uten aktiv høykonfigurasjon) til LM393-komparatoren er imidlertid ganske lav og kan ikke drive en vifte. For å løse dette problemet bruker vi ULN2003 IC Darlington partransistorer for å drive viften.

ULN2003 består av syv åpen kollektor felles emitter transistorpar. Hvert par kan bære en 380mA kollektor-emitterstrøm. Basert på strømkravet til DC-viften, kan flere Darlington-par brukes i en parallell konfigurasjon for å øke maksimal strømkapasitet. Inngangen til ULN2003 er koblet til LM393-komparatoren og utgangspinnene er koblet til den negative terminalen til DC-viften. Den andre terminalen på viften er koblet til et 12V batteri.

Kretselementene, bortsett fra viften og batteriet, er integrert på Veroboard gjennom lodding.

Sette alt sammen

Det komplette skjemaet for den temperaturstyrte viften er som følger. Alle IC-er får strøm fra et 12V DC-batteri. Det er også viktig å merke seg at all jording må holdes felles ved batteriets negative pol.

Tester kretsen

For å teste denne kretsen kan du bruke en romvarmer som varmluftskilde. Plasser temperaturfølersonden nær varmeren slik at den kan registrere den varme temperaturen. Etter noen øyeblikk vil du finne en økning i temperaturen på sensorutgangen. Når temperaturen overskrider den innstilte terskelen på 39,5°C, slås viften på.

Slå nå av romvarmeren, og la kretsen avkjøles. Når temperaturen faller under 37°C, vil du se at viften slås av.

Velg din egen temperaturterskel for en byttevifte

Temperaturkontrollerte viftekretser er ofte brukt i mange elektroniske og elektriske apparater og dingser. Du kan velge dine egne temperaturverdier for å slå viften på og av ved å velge riktig verdi av motstandene i skjemaet til Schmitt trigger komparatorkretsen. Et lignende konsept kan brukes til å designe en temperaturstyrt vifte med variabel koblingshastighet, dvs. rask og sakte.