Πώς να φτιάξετε έναν ανεμιστήρα DC με ελεγχόμενη θερμοκρασία

Σε διάφορες ηλεκτρονικές συσκευές, όπως CPU και κονσόλες παιχνιδιών, μπορεί να έχετε παρατηρήσει ότι ο επεξεργαστής τείνει να θερμαίνεται κατά τη διάρκεια εντατικής χρήσης, όπως gaming ή προσομοίωσης, με αποτέλεσμα ο ανεμιστήρας να ανάβει ή να αυξάνει την ταχύτητά του για να διαλύσει το θερμότητα. Μόλις κρυώσει ο επεξεργαστής, ο ανεμιστήρας επιστρέφει στην κανονική του ροή ή σβήνει.

Σε αυτόν τον οδηγό DIY, θα κατασκευάσουμε έναν απλό ανεμιστήρα ελεγχόμενης θερμοκρασίας που ανάβει και σβήνει σε προκαθορισμένες τιμές θερμοκρασίας, χωρίς να χρειάζεται μονάδα μικροελεγκτή στο κύκλωμά του.

Τι θα χρειαστείτε

Για την κατασκευή αυτού του έργου, θα χρειαστείτε τα ακόλουθα εξαρτήματα, τα οποία μπορείτε να προμηθευτείτε από ηλεκτρονικά καταστήματα ηλεκτρονικών ειδών.

• Συγκριτικό IC LM393
• Αισθητήρας θερμοκρασίας LM35
instagram viewer
• Λειτουργικός ενισχυτής LM741
• ULN2003 IC τρανζίστορ ζεύγους Darlington
• Ανεμιστήρας DC
• Λίγα αντιστάσεις
• Ρυθμιστής τάσης LM7805
• Καλώδια σύνδεσης
• Veroboard
• Ψηφιακό πολύμετρο
• Μπαταρία 12V
• Σταθμός συγκόλλησης (Προαιρετικό: μπορείτε να φτιάξετε αυτό το έργο και σε breadboard)

Το πρόβλημα: Συνεχής γρήγορη εναλλαγή του ανεμιστήρα DC

Για αυτήν την εργασία DIY, θέλουμε ο ανεμιστήρας να ενεργοποιείται όταν ο αισθητήρας θερμοκρασίας ανιχνεύει θερμοκρασία 38°C (100°F) ή υψηλότερη και να απενεργοποιείται όταν η θερμοκρασία πέσει κάτω από αυτό το όριο. Οι αισθητήρες θερμοκρασίας παρέχουν στο κύκλωμα την έξοδο τάσης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο του ανεμιστήρα. Χρειαζόμαστε ένα κύκλωμα σύγκρισης τάσης που χρησιμοποιεί ένα LM393 για να συγκρίνουμε αυτήν την έξοδο τάσης με μια τάση αναφοράς.

Για να βελτιώσουμε την τάση εξόδου από τον αισθητήρα θερμοκρασίας, χρησιμοποιούμε ένα μη αναστροφικό λειτουργικό LM741 ενισχυτής για την αναβάθμιση αυτής της τάσης, η οποία μπορεί να συγκριθεί με μια σταθερή αναφορά τάσης που παρέχεται από την τάση ρυθμιστής. Επιπλέον, χρησιμοποιούμε έναν LM7805 ως ρυθμιστή τάσης 5V DC.

Παρατηρείται ότι όταν η θερμοκρασία πλησιάζει τους 38°C, η έξοδος του κυκλώματος αρχίζει να αλλάζει επανειλημμένα μεταξύ των σταδίων ενεργοποίησης και απενεργοποίησης λόγω θορύβου στο σήμα. Αυτό το τρέμουλο ή η γρήγορη εναλλαγή μπορεί να συμβεί εκτός εάν η θερμοκρασία ξεπεράσει τους 38°C ή πολύ κάτω από τους 38°C. Αυτή η συνεχής εναλλαγή προκαλεί υψηλό ρεύμα να ρέει μέσω του ανεμιστήρα και του ηλεκτρονικού κυκλώματος, οδηγώντας σε υπερθέρμανση ή ζημιά σε αυτά τα εξαρτήματα.

Schmitt Trigger: μια λύση για αυτό το πρόβλημα

Για να αντιμετωπίσουμε αυτό το ζήτημα, χρησιμοποιούμε την ιδέα σκανδάλης Schmitt. Αυτό περιλαμβάνει την εφαρμογή θετικής ανάδρασης στη μη αντιστρεπτική είσοδο ενός κυκλώματος σύγκρισης που επιτρέπει στο κύκλωμα να εναλλάσσεται μεταξύ λογικού υψηλού και λογικού χαμηλού σε διαφορετικά επίπεδα τάσης. Χρησιμοποιώντας αυτό το σχήμα, είναι δυνατό να αποτραπούν πολλά σφάλματα που προκαλούνται από το θόρυβο, διασφαλίζοντας παράλληλα την απρόσκοπτη μεταγωγή, καθώς η εναλλαγή σε λογικό υψηλό και χαμηλό συμβαίνει σε διαφορετικά επίπεδα τάσης.

Ο βελτιωμένος ανεμιστήρας ελεγχόμενης θερμοκρασίας: Πώς λειτουργεί

Ο σχεδιασμός λειτουργεί σε μια ολοκληρωμένη προσέγγιση, στην οποία τα δεδομένα του αισθητήρα δίνουν το επίπεδο τάσης εξόδου, το οποίο χρησιμοποιείται από άλλα στοιχεία κυκλώματος. Θα συζητήσουμε τα σχηματικά κυκλώματα με τη σειρά για να σας δώσουμε μια εικόνα για το πώς λειτουργεί το κύκλωμα.

Αισθητήρας θερμοκρασίας (LM35)

Το LM35 είναι ένα IC για την ανίχνευση της θερμοκρασίας του δωματίου και δίνει τάση εξόδου ανάλογη με τη θερμοκρασία στην κλίμακα Κελσίου. Χρησιμοποιούμε το LM35 σε συσκευασία TO-92. Ονομαστικά, μπορεί να μετρήσει με ακρίβεια τη θερμοκρασία μεταξύ 0° και 100°C, με ακρίβεια μικρότερη από 1°C.

Μπορεί να τροφοδοτηθεί με τροφοδοτικό 4V έως 30V DC και παίρνει πολύ χαμηλό ρεύμα 0,06mA. Σημαίνει ότι έχει πολύ χαμηλή αυτοθέρμανση λόγω χαμηλής κατανάλωσης ρεύματος και η μόνη θερμότητα (θερμοκρασία) που ανιχνεύει είναι του περιβάλλοντός του.

Η έξοδος θερμοκρασίας Κελσίου του LM35 δίνεται σε σχέση με μια απλή γραμμική συνάρτηση μεταφοράς:

…που:

• VOUT είναι η τάση εξόδου LM35 σε millivolt (mV).

• T είναι η θερμοκρασία σε °C.

Για παράδειγμα, εάν ο αισθητήρας LM35 ανιχνεύσει θερμοκρασία περίπου 30°C, η έξοδος του αισθητήρα θα είναι σχεδόν 300mV ή 0,3V. Μπορείς μετρήστε την τάση χρησιμοποιώντας ένα ψηφιακό πολύμετρο. Χρησιμοποιούμε το LM35 σε έναν σωληνωτό αδιάβροχο αισθητήρα σε αυτό το έργο DIY. Ωστόσο, μπορεί να χρησιμοποιηθεί χωρίς σωληνοειδή καθετήρα, όπως IC.

Ενισχυτής απολαβής τάσης με χρήση LM741

Η τάση εξόδου του αισθητήρα θερμοκρασίας είναι σε millivolt, και επομένως χρειάζεται ενίσχυση για να καταστείλει την επίδραση του θορύβου στο σήμα και επίσης να βελτιώσει την ποιότητα του σήματος. Η ενίσχυση τάσης μας βοηθά να χρησιμοποιήσουμε αυτήν την τιμή για περαιτέρω σύγκριση με μια σταθερή τάση αναφοράς, με τη βοήθεια ενός λειτουργικού ενισχυτή LM741. Εδώ, ο LM741 χρησιμοποιείται ως ενισχυτής τάσης χωρίς αναστροφή.

Για αυτό το κύκλωμα, ενισχύουμε την έξοδο του αισθητήρα κατά 13. Το LM741 λειτουργεί σε μια μη αναστροφική διαμόρφωση op amp. Η συνάρτηση μεταφοράς για τον μη αντιστρεφόμενο λειτουργικό ενισχυτή γίνεται:

Παίρνουμε λοιπόν R1 = 1kΩ και R2 = 12kΩ.

Συγκριτής ηλεκτρονικού διακόπτη (LM393)

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, για ηλεκτρονική μεταγωγή χωρίς σφάλματα, μπορεί να εφαρμοστεί μια σκανδάλη Schmitt. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιούμε ένα IC LM393 ως σκανδάλη Schmitt σύγκρισης τάσης. Χρησιμοποιούμε μια τάση αναφοράς 5 V για την αναστροφή της εισόδου του LM393. Μια αναφορά τάσης 5V επιτυγχάνεται με τη βοήθεια του IC ρυθμιστή τάσης LM7805. Το LM7805 λειτουργεί με τροφοδοτικό 12V ή μπαταρία και εξάγει σταθερά 5V DC.

Η άλλη είσοδος του LM393 συνδέεται με την έξοδο του κυκλώματος μη αντιστρεφόμενου ενισχυτή, το οποίο περιγράφεται στην παραπάνω ενότητα. Με αυτόν τον τρόπο, η ενισχυμένη τιμή του αισθητήρα μπορεί τώρα να συγκριθεί με την τάση αναφοράς χρησιμοποιώντας το LM393. Η θετική ανατροφοδότηση εφαρμόζεται στον συγκριτικό LM393 για το φαινόμενο σκανδάλης Schmitt. Η έξοδος του LM393 διατηρείται ενεργή σε υψηλά επίπεδα και ο διαιρέτης τάσης (δίκτυο αντιστάσεων φαίνεται με πράσινο στο παρακάτω διάγραμμα) χρησιμοποιείται στην έξοδο για να μειώσει την έξοδο (υψηλή) του LM393 σε 5 έως 6 V.

Χρησιμοποιούμε τον τρέχοντα νόμο του Kirchoff στις μη αναστροφικές ακίδες για να αναλύσουμε τη συμπεριφορά του κυκλώματος και τις βέλτιστες τιμές αντίστασης. (Ωστόσο, η συζήτησή του ξεφεύγει από το πεδίο εφαρμογής αυτού του άρθρου.)

Σχεδιάσαμε το δίκτυο αντιστάσεων έτσι ώστε όταν η θερμοκρασία αυξάνεται στους 39,5°C και άνω, το LM393 μεταβαίνει σε υψηλή κατάσταση. Λόγω του φαινομένου σκανδάλης Schmitt, παραμένει υψηλό ακόμα κι αν η θερμοκρασία πέσει λίγο κάτω από τους 38°C. Ωστόσο, ο συγκριτής LM393 μπορεί να δώσει λογικό χαμηλό όταν η θερμοκρασία πέσει κάτω από τους 37°C.

Κέρδος ρεύματος με χρήση τρανζίστορ ζεύγους Darlington

Η έξοδος του LM393 αλλάζει τώρα μεταξύ λογικού χαμηλού και υψηλού, σύμφωνα με τις απαιτήσεις του κυκλώματος. Ωστόσο, το ρεύμα εξόδου (μέγιστο 20mA χωρίς ενεργή υψηλή διαμόρφωση) του συγκριτή LM393 είναι αρκετά χαμηλό και δεν μπορεί να ενεργοποιήσει έναν ανεμιστήρα. Για να αντιμετωπίσουμε αυτό το ζήτημα, χρησιμοποιούμε τρανζίστορ ζεύγους ULN2003 IC Darlington για την κίνηση του ανεμιστήρα.

Το ULN2003 αποτελείται από επτά ζεύγη τρανζίστορ κοινού εκπομπού ανοιχτού συλλέκτη. Κάθε ζεύγος μπορεί να μεταφέρει ρεύμα συλλέκτη-εκπομπού 380 mA. Με βάση την τρέχουσα απαίτηση του ανεμιστήρα DC, πολλαπλά ζεύγη Darlington μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε παράλληλη διαμόρφωση για να αυξηθεί η μέγιστη χωρητικότητα ρεύματος. Η είσοδος του ULN2003 συνδέεται στον συγκριτή LM393 και οι ακίδες εξόδου συνδέονται στον αρνητικό ακροδέκτη του ανεμιστήρα DC. Ο άλλος ακροδέκτης του ανεμιστήρα συνδέεται με μπαταρία 12V.

Τα στοιχεία του κυκλώματος, εκτός από τον ανεμιστήρα και την μπαταρία, είναι ενσωματωμένα στο Veroboard μέσω συγκόλλησης.

Βάζοντας τα όλα μαζί

Το πλήρες σχηματικό διάγραμμα του ανεμιστήρα ελεγχόμενης θερμοκρασίας έχει ως εξής. Όλα τα IC τροφοδοτούνται από μια μπαταρία 12V DC. Είναι επίσης σημαντικό να σημειωθεί ότι όλες οι γειώσεις πρέπει να είναι κοινές στον αρνητικό πόλο της μπαταρίας.

Δοκιμή του κυκλώματος

Για να ελέγξετε αυτό το κύκλωμα, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε έναν θερμαντήρα δωματίου ως πηγή ζεστού αέρα. Τοποθετήστε τον αισθητήρα θερμοκρασίας κοντά στον θερμαντήρα έτσι ώστε να μπορεί να ανιχνεύσει τη ζεστή θερμοκρασία. Μετά από λίγα λεπτά, θα δείτε αύξηση της θερμοκρασίας στην έξοδο του αισθητήρα. Όταν η θερμοκρασία υπερβεί το καθορισμένο όριο των 39,5°C, ο ανεμιστήρας θα ενεργοποιηθεί.

Τώρα απενεργοποιήστε τη θερμάστρα δωματίου και αφήστε το κύκλωμα να κρυώσει. Μόλις η θερμοκρασία πέσει κάτω από τους 37°C, θα δείτε ότι ο ανεμιστήρας θα σβήσει.

Επιλέξτε το δικό σας όριο θερμοκρασίας για έναν ανεμιστήρα μεταγωγής

Τα κυκλώματα ανεμιστήρα μεταγωγής ελεγχόμενης θερμοκρασίας χρησιμοποιούνται συνήθως σε πολλές ηλεκτρονικές και ηλεκτρικές συσκευές και gadget. Μπορείτε να επιλέξετε τις δικές σας τιμές θερμοκρασίας για την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση του ανεμιστήρα επιλέγοντας την κατάλληλη τιμή αντιστάσεων στα σχηματικά του κυκλώματος σύγκρισης σκανδάλης Schmitt. Μια παρόμοια ιδέα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον σχεδιασμό ενός ανεμιστήρα ελεγχόμενης θερμοκρασίας με μεταβλητές ταχύτητες μεταγωγής, δηλαδή γρήγορο και αργό.