Med hjälp av en Schmitt-trigger kan du bygga en enkel temperaturstyrd fläkt som slår på och av vid inställda temperaturer, ingen mikrokontroller behövs.

I olika elektroniska enheter som processorer och spelkonsoler, kanske du har observerat att processorn tenderar att värmas upp under intensiv användning som spel eller simulering, vilket leder till att fläkten slås på eller ökar dess hastighet för att skingra värme. När processorn svalnat återgår fläkten till normalt flöde eller stängs av.

I denna gör-det-själv-guide kommer vi att bygga en enkel temperaturstyrd fläkt som slår på och av vid förutbestämda temperaturvärden, utan att det behövs en mikrokontrollerenhet i dess krets.

Vad du behöver

För att bygga detta projekt behöver du följande komponenter, som kan erhållas från elektronikbutiker online.

  • Komparator IC LM393
  • Temperaturgivare LM35
  • Operationsförstärkare LM741
  • ULN2003 Darlington par transistor IC
  • DC fläkt
  • Några motstånd
  • Spänningsregulator LM7805
  • Anslutningsledningar
  • Veroboard
    • instagram viewer
  • Digital multimeter
  • 12V batteri
  • Lödstation (Valfritt: du kan bygga detta projekt på en brödbräda också)

Problemet: Kontinuerlig snabb omkoppling av DC-fläkten

För denna gör-det-själv-uppgift vill vi att fläkten ska slås på när temperatursensorn känner av en temperatur på 38°C (100°F) eller högre, och stängas av när temperaturen faller under denna tröskel. Temperatursensorer förser kretsen med den spänningsutgång som kan användas för att styra fläkten. Vi behöver en spänningskomparatorkrets som använder en LM393 för att jämföra denna spänningsutgång med en referensspänning.

För att förbättra spänningsutgången från temperatursensorn använder vi en LM741 icke-inverterande drift förstärkare för att uppskala denna spänning, vilket kan jämföras med en stabil spänningsreferens som tillhandahålls av spänningen regulator. Dessutom använder vi en LM7805 som en 5V DC spänningsregulator.

Det observeras att när temperaturen närmar sig 38°C börjar kretsutgången att växla upprepade gånger mellan på- och avsteg på grund av brus på signalen. Denna darrning eller snabba växling kan inträffa om inte temperaturen kommer långt över 38°C eller långt under 38°C. Denna kontinuerliga omkoppling gör att hög ström flyter genom fläkten och den elektroniska kretsen, vilket leder till överhettning eller skador på dessa komponenter.

Schmitt Trigger: en lösning på det här problemet

För att lösa detta problem använder vi Schmitt trigger-konceptet. Detta involverar applicering av positiv återkoppling på den icke-inverterande ingången till en komparatorkrets som gör att kretsen kan växla mellan logisk hög och logisk låg vid olika spänningsnivåer. Genom att använda detta schema är det möjligt att förhindra många fel orsakade av brus samtidigt som man säkerställer sömlös omkoppling, eftersom omkoppling till logisk hög och låg sker vid olika spänningsnivåer.

Den förbättrade temperaturkontrollerade fläkten: hur det fungerar

Designen fungerar i ett integrerat tillvägagångssätt, där sensordata ger utspänningsnivån, som används av andra kretselement. Vi kommer att diskutera kretsschemat i följd för att ge dig en inblick i hur kretsen fungerar.

Temperatursensor (LM35)

LM35 är en IC för att känna av rumstemperaturen och ger utspänning proportionell mot temperaturen på Celsiusskalan. Vi använder LM35 i TO-92 förpackning. Nominellt kan den noggrant mäta temperatur mellan 0° till 100°C, med en noggrannhet på mindre än 1°C.

Den kan strömförsörjas med en 4V till 30V DC-strömförsörjning och tar en mycket låg ström på 0,06mA. Det betyder att den har mycket låg självuppvärmning på grund av låg strömförbrukning, och den enda värme (temperatur) som den upptäcker är den omgivande miljön.

Celsiustemperaturutgången för LM35 ges med avseende på en enkel linjär överföringsfunktion:

…var:

• VOUT är LM35-utgångsspänningen i millivolt (mV).

• T är temperaturen i °C.

Som ett exempel, om LM35-sensorn detekterar en temperatur på cirka 30°C, skulle sensorutgången vara nästan 300mV eller 0,3V. Du kan mät spänningen med en digital multimeter. Vi använder LM35 i en rörformad vattentät sond i detta gör-det-själv-projekt; den kan dock användas utan en rörformig sond, som en IC.

Spänningsförstärkare som använder LM741

Temperatursensorns utspänning är i millivolt och behöver därför förstärkas för att undertrycka bruseffekten på signalen och även för att förbättra signalkvaliteten. Spänningsförstärkning hjälper oss att använda detta värde för vidare jämförelse med en stabil referensspänning, med hjälp av en LM741 operationsförstärkare. Här används LM741 som en icke-inverterande spänningsförstärkare.

För denna krets förstärker vi sensorutgången med en faktor 13. LM741 drivs i en icke-inverterande operationsförstärkarkonfiguration. Överföringsfunktionen för den icke-inverterande op-förstärkaren blir:

Så vi tar R1 = 1kΩ och R2 = 12kΩ.

Electronic Switch Comparator (LM393)

Som nämnts ovan, för felfri elektronisk omkoppling, kan en Schmitt-trigger implementeras. För detta ändamål använder vi en LM393 IC som en spänningsjämförare Schmitt-trigger. Vi använder en referensspänning på 5V för att invertera ingången på LM393. En spänningsreferens på 5V uppnås med hjälp av LM7805 spänningsregulator IC. LM7805 drivs med en 12V strömförsörjning eller batteri, och den matar ut konstant 5V DC.

Den andra ingången på LM393 är ansluten till utgången på den icke-inverterande op-förstärkarkretsen, vilket beskrivs i avsnittet ovan. På så sätt kan det förstärkta sensorvärdet nu jämföras med referensspänningen med hjälp av LM393. Positiv feedback implementeras på komparatorn LM393 för Schmitt-triggereffekten. Utgången från LM393 hålls aktiv hög och spänningsdelaren (motståndsnätverket visas i grönt i diagrammet nedan) används vid utgången för att minska uteffekten (hög) på LM393 till 5 till 6V.

Vi använder Kirchoffs nuvarande lag för icke-inverterande stift för att analysera kretsbeteendet och optimala motståndsvärden. (Dess diskussion ligger dock utanför ramen för denna artikel.)

Vi har designat motståndsnätverket så att när temperaturen höjs till 39,5°C och över, växlas LM393 till ett högt läge. På grund av Schmitt-triggereffekten förblir den hög även om temperaturen sjunker strax under 38°C. Dock kan LM393-komparatorn ge ett logiskt lågt värde när temperaturen faller under 37°C.

Strömförstärkning med Darlington-partransistorer

Utsignalen från LM393 växlar nu mellan logisk låg och hög, enligt kretskraven. Utströmmen (max 20mA utan aktiv hög konfiguration) från LM393-komparatorn är dock ganska låg och kan inte driva en fläkt. För att lösa detta problem använder vi ULN2003 IC Darlington partransistorer för att driva fläkten.

ULN2003 består av sju gemensamma transistorpar med öppen kollektor. Varje par kan bära en 380mA kollektor-emitterström. Baserat på strömkravet för DC-fläkten kan flera Darlington-par användas i en parallell konfiguration för att öka maximal strömkapacitet. Ingången på ULN2003 är ansluten till LM393-komparatorn och utgångsstiften är anslutna till DC-fläktens minuspol. Den andra terminalen på fläkten är ansluten till ett 12V batteri.

Kretselementen, förutom fläkten och batteriet, är integrerade på Veroboard genom lödning.

Få alltid att falla på plats

Det fullständiga schemat för den temperaturstyrda fläkten är som följer. Alla IC: er får ström från ett 12V DC-batteri. Det är också viktigt att notera att alla jordar måste hållas gemensamma vid batteriets minuspol.

Testa kretsen

För att testa denna krets kan du använda en rumsvärmare som varmluftskälla. Placera temperatursensorn nära värmaren så att den kan känna av den varma temperaturen. Efter några ögonblick kommer du att se en ökning av temperaturen på sensorutgången. När temperaturen överstiger det inställda tröskelvärdet på 39,5°C, slås fläkten på.

Stäng nu av rumsvärmaren och låt kretsen svalna. När temperaturen faller under 37°C kommer du att se att fläkten stängs av.

Välj din egen temperaturtröskel för en växlande fläkt

Temperaturkontrollerade fläktkretsar används ofta i många elektroniska och elektriska apparater och prylar. Du kan välja dina egna temperaturvärden för att slå på och stänga av fläkten genom att välja lämpligt värde på motstånd i schemat för Schmitt triggerkomparatorkretsen. Ett liknande koncept kan användas för att designa en temperaturstyrd fläkt med variabel kopplingshastighet, dvs snabb och långsam.