Met behulp van een Schmitt-trigger kun je een eenvoudige temperatuurgestuurde ventilator bouwen die in- en uitschakelt bij ingestelde temperaturen, zonder dat er een microcontroller nodig is.

In verschillende elektronische apparaten, zoals CPU's en gameconsoles, is het je misschien opgevallen dat de processor de neiging heeft om op te warmen tijdens intensief gebruik zoals gamen of simulatie, waardoor de ventilator wordt ingeschakeld of de snelheid wordt verhoogd om de lucht te verdrijven warmte. Zodra de processor is afgekoeld, keert de ventilator terug naar zijn normale stroom of schakelt hij uit.

In deze doe-het-zelfgids bouwen we een eenvoudige temperatuurgestuurde ventilator die in- en uitschakelt bij vooraf bepaalde temperatuurwaarden, zonder dat er een microcontroller in het circuit nodig is.

Wat je nodig hebt

Om dit project te bouwen, heb je de volgende componenten nodig, die verkrijgbaar zijn bij online elektronicawinkels.

  • Vergelijkings-IC LM393
  • Temperatuursensor LM35
  • Operationele versterker LM741
    • instagram viewer
  • ULN2003 Darlington paar transistor IC
  • DC-ventilator
  • Een paar weerstanden
  • Spanningsregelaar LM7805
  • Draden aansluiten
  • Verobord
  • Digitale multimeter
  • 12V batterij
  • Soldeerstation (Optioneel: je kunt dit project ook op een breadboard bouwen)

Het probleem: continu snel schakelen van de DC-ventilator

Voor deze doe-taak willen we dat de ventilator inschakelt wanneer de temperatuursensor een temperatuur van 38°C (100°F) of hoger waarneemt, en uitschakelt wanneer de temperatuur onder deze drempel zakt. Temperatuursensoren voorzien het circuit van de uitgangsspanning die kan worden gebruikt voor het regelen van de ventilator. We hebben een spanningsvergelijkingsschakeling nodig die een LM393 gebruikt om deze uitgangsspanning te vergelijken met een referentiespanning.

Om de uitgangsspanning van de temperatuursensor te verbeteren, gebruiken we een LM741 non-inverting operational versterker om deze spanning op te schalen, wat kan worden vergeleken met een stabiele spanningsreferentie die wordt geleverd door de spanning regelaar. Bovendien gebruiken we een LM7805 als een 5V DC-spanningsregelaar.

Er wordt waargenomen dat wanneer de temperatuur de 38°C nadert, de circuituitgang herhaaldelijk begint te schakelen tussen de aan- en uitfasen als gevolg van ruis op het signaal. Dit trillen of snel schakelen kan optreden tenzij de temperatuur ver boven de 38°C of ver onder de 38°C komt. Dit continue schakelen zorgt ervoor dat er een hoge stroom door de ventilator en het elektronische circuit vloeit, wat leidt tot oververhitting of schade aan deze componenten.

Schmitt Trigger: een oplossing voor dit probleem

Om dit probleem aan te pakken, gebruiken we het Schmitt-triggerconcept. Dit omvat het toepassen van positieve feedback op de niet-inverterende ingang van een comparatorcircuit waardoor het circuit kan schakelen tussen logisch hoog en logisch laag op verschillende spanningsniveaus. Door dit schema te gebruiken, is het mogelijk om talloze fouten veroorzaakt door ruis te voorkomen en tegelijkertijd naadloos te schakelen, aangezien schakelen naar logisch hoog en laag plaatsvindt op verschillende spanningsniveaus.

De verbeterde temperatuurgestuurde ventilator: hoe het werkt

Het ontwerp werkt in een geïntegreerde benadering, waarbij sensorgegevens het uitgangsspanningsniveau geven, dat door andere circuitelementen wordt gebruikt. We zullen de schakelschema's achtereenvolgens bespreken om u inzicht te geven in hoe het circuit werkt.

Temperatuursensor (LM35)

De LM35 is een IC voor het meten van de kamertemperatuur en geeft een uitgangsspanning die evenredig is met de temperatuur op de schaal van Celsius. We gebruiken de LM35 in TO-92-verpakking. Nominaal kan het temperatuur tussen 0° en 100°C nauwkeurig meten, met een nauwkeurigheid van minder dan 1°C.

Het kan worden gevoed met een 4V tot 30V DC-voeding en neemt een zeer lage stroom van 0,06mA. Het betekent dat het een zeer lage zelfopwarming heeft vanwege een laag stroomverbruik, en dat de enige warmte (temperatuur) die het detecteert, die van de omgeving is.

De temperatuuruitvoer in Celsius van de LM35 wordt gegeven met betrekking tot een eenvoudige lineaire overdrachtsfunctie:

…waar:

• VOUT is de uitgangsspanning van de LM35 in millivolt (mV).

• T is de temperatuur in °C.

Als de LM35-sensor bijvoorbeeld een temperatuur van ongeveer 30°C detecteert, zou de output van de sensor bijna 300mV of 0,3V zijn. Jij kan meet de spanning met een digitale multimeter. We gebruiken de LM35 in een buisvormige waterdichte sonde in dit doe-het-zelf-project; het kan echter worden gebruikt zonder een buisvormige sonde, zoals een IC.

Spanningsversterkingsversterker met behulp van LM741

De uitgangsspanning van de temperatuursensor is in millivolt en heeft dus versterking nodig om het effect van ruis op het signaal te onderdrukken en ook om de signaalkwaliteit te verbeteren. Spanningsversterking helpt ons deze waarde te gebruiken voor verdere vergelijking met een stabiele referentiespanning, met behulp van een LM741 operationele versterker. Hier wordt de LM741 gebruikt als een niet-inverterende spanningsversterker.

Voor dit circuit versterken we de sensoroutput met een factor 13. De LM741 wordt gebruikt in een niet-inverterende opamp-configuratie. De overdrachtsfunctie voor de niet-inverterende opamp wordt:

We nemen dus R1 = 1kΩ en R2 = 12kΩ.

Vergelijker elektronische schakelaars (LM393)

Zoals hierboven vermeld, kan voor storingsvrij elektronisch schakelen een Schmitt-trigger worden geïmplementeerd. Voor dit doel gebruiken we een LM393 IC als spanningscomparator Schmitt-trigger. We gebruiken een referentiespanning van 5V voor het inverteren van de ingang van de LM393. Een spanningsreferentie van 5V wordt bereikt met behulp van de LM7805-spanningsregelaar-IC. De LM7805 werkt op een 12V-voeding of batterij en levert constant 5V DC.

De andere ingang van de LM393 is verbonden met de uitgang van de niet-inverterende opamp-schakeling, die in het bovenstaande gedeelte wordt beschreven. Op deze manier kan de versterkte sensorwaarde nu worden vergeleken met de referentiespanning met behulp van de LM393. Positieve feedback is geïmplementeerd op comparator LM393 voor het Schmitt-triggereffect. De uitgang van LM393 wordt actief hoog gehouden en de spanningsdeler (weerstandsnetwerk weergegeven in groen in onderstaand schema) wordt aan de uitgang gebruikt om de uitgang (hoog) van de LM393 te verlagen tot 5 tot 6V.

We gebruiken de huidige wet van Kirchoff bij niet-inverterende pinnen om het circuitgedrag en optimale weerstandswaarden te analyseren. (De bespreking ervan valt echter buiten het bestek van dit artikel.)

We hebben het weerstandsnetwerk zo ontworpen dat wanneer de temperatuur wordt verhoogd tot 39,5 °C en hoger, de LM393 naar een hoge toestand wordt geschakeld. Door het Schmitt-triggereffect blijft deze hoog, zelfs als de temperatuur net onder de 38°C zakt. De LM393-comparator kan echter een logisch laag signaal geven wanneer de temperatuur onder de 37 °C daalt.

Stroomversterking met behulp van Darlington-paartransistors

De uitgang van de LM393 schakelt nu tussen logisch laag en hoog, volgens de circuitvereisten. De uitgangsstroom (20mA max zonder actieve hoge configuratie) van de LM393-comparator is echter vrij laag en kan geen ventilator aandrijven. Om dit probleem aan te pakken, gebruiken we ULN2003 IC Darlington-paartransistors om de ventilator aan te drijven.

De ULN2003 bestaat uit zeven open collector common emitter transistorparen. Elk paar kan een collector-emitterstroom van 380mA voeren. Op basis van de huidige vereisten van de DC-ventilator kunnen meerdere Darlington-paren in een parallelle configuratie worden gebruikt om de maximale stroomcapaciteit te vergroten. De ingang van de ULN2003 is verbonden met de LM393-comparator en de uitgangspennen zijn verbonden met de minpool van de DC-ventilator. De andere aansluiting van de ventilator is aangesloten op een 12V accu.

De schakelelementen, behalve de ventilator en de batterij, zijn door middel van solderen op het Veroboard geïntegreerd.

Alles samenvoegen

Het volledige schematische diagram van de temperatuurgestuurde ventilator is als volgt. Alle IC's krijgen stroom van een 12V DC batterij. Het is ook belangrijk op te merken dat alle massa's gemeenschappelijk moeten worden gehouden bij de minpool van de accu.

Het circuit testen

Om dit circuit te testen, kunt u een kamerverwarming gebruiken als heteluchtbron. Plaats de temperatuursensorsonde dicht bij de verwarming zodat deze de hete temperatuur kan detecteren. Na enkele ogenblikken zult u een stijging van de temperatuur op de sensoruitgang zien. Wanneer de temperatuur de ingestelde drempel van 39,5°C overschrijdt, gaat de ventilator aan.

Schakel nu de kamerverwarming uit en laat het circuit afkoelen. Zodra de temperatuur onder de 37°C zakt, zie je dat de ventilator uitschakelt.

Kies uw eigen temperatuurdrempel voor een schakelende ventilator

Temperatuurgestuurde schakelende ventilatorcircuits worden vaak gebruikt in veel elektronische en elektrische apparaten en gadgets. U kunt uw eigen temperatuurwaarden selecteren voor het in- en uitschakelen van de ventilator door de juiste weerstandswaarde te kiezen in het schema van het Schmitt-triggervergelijkingscircuit. Een soortgelijk concept kan worden gebruikt om een ​​temperatuurgestuurde ventilator te ontwerpen met variabele schakelsnelheden, d.w.z. snel en langzaam.