Mit einem Schmitt-Trigger können Sie einen einfachen temperaturgesteuerten Lüfter bauen, der sich bei eingestellten Temperaturen ein- und ausschaltet, ohne dass ein Mikrocontroller erforderlich ist.

Bei verschiedenen elektronischen Geräten wie CPUs und Spielekonsolen haben Sie vielleicht beobachtet, dass der Prozessor dazu neigt, sich zu erhitzen während einer intensiven Nutzung wie Spielen oder Simulationen, was dazu führt, dass der Lüfter einschaltet oder seine Geschwindigkeit erhöht, um die zu zerstreuen Hitze. Sobald der Prozessor abgekühlt ist, kehrt der Lüfter zu seinem normalen Fluss zurück oder schaltet sich aus.

In dieser DIY-Anleitung bauen wir einen einfachen temperaturgesteuerten Lüfter, der sich bei vorgegebenen Temperaturwerten ein- und ausschaltet, ohne dass ein Mikrocontroller in seiner Schaltung benötigt wird.

Was du brauchen wirst

Um dieses Projekt zu bauen, benötigen Sie die folgenden Komponenten, die Sie in Online-Elektronikgeschäften erhalten können.

  • Komparator-IC LM393
    • instagram viewer
  • Temperatursensor LM35
  • Operationsverstärker LM741
  • ULN2003 Darlington-Transistor-IC
  • DC-Lüfter
  • Ein paar Widerstände
  • Spannungsregler LM7805
  • Verbindungsdrähte
  • Veroboard
  • Digital-Multimeter
  • 12V Batterie
  • Lötstation (Optional: Sie können dieses Projekt auch auf einem Steckbrett aufbauen)

Das Problem: Ständig schnelles Schalten des DC-Lüfters

Für diese Heimwerkeraufgabe soll sich der Lüfter einschalten, wenn der Temperatursensor eine Temperatur von 38 °C (100 °F) oder höher misst, und ausschalten, wenn die Temperatur unter diese Schwelle fällt. Temperatursensoren versorgen die Schaltung mit dem Spannungsausgang, der zur Steuerung des Lüfters verwendet werden kann. Wir benötigen eine Spannungskomparatorschaltung mit einem LM393, um diesen Spannungsausgang mit einer Referenzspannung zu vergleichen.

Um den Spannungsausgang des Temperatursensors zu verbessern, verwenden wir einen nicht invertierenden LM741-Betrieb Verstärker, um diese Spannung hochzuskalieren, die mit einer stabilen Spannungsreferenz verglichen werden kann, die durch die Spannung bereitgestellt wird Regler. Außerdem verwenden wir einen LM7805 als 5-V-DC-Spannungsregler.

Es wird beobachtet, dass, wenn sich die Temperatur 38°C nähert, der Schaltungsausgang aufgrund von Rauschen im Signal wiederholt zwischen den Ein- und Aus-Stufen umzuschalten beginnt. Dieses Zittern oder schnelle Umschalten kann auftreten, es sei denn, die Temperatur steigt deutlich über 38 °C oder deutlich unter 38 °C. Dieses kontinuierliche Schalten führt dazu, dass ein hoher Strom durch den Lüfter und die elektronische Schaltung fließt, was zu einer Überhitzung oder Beschädigung dieser Komponenten führt.

Schmitt-Trigger: eine Lösung für dieses Problem

Um dieses Problem anzugehen, verwenden wir das Schmitt-Trigger-Konzept. Dies beinhaltet das Anlegen einer positiven Rückkopplung an den nichtinvertierenden Eingang einer Komparatorschaltung, die es der Schaltung ermöglicht, bei verschiedenen Spannungspegeln zwischen logisch hoch und logisch niedrig umzuschalten. Mit diesem Schema ist es möglich, zahlreiche durch Rauschen verursachte Fehler zu verhindern und gleichzeitig ein nahtloses Schalten sicherzustellen, da das Schalten auf logisch hoch und niedrig bei unterschiedlichen Spannungspegeln erfolgt.

Der verbesserte temperaturgesteuerte Lüfter: So funktioniert er

Das Design arbeitet in einem integrierten Ansatz, bei dem Sensordaten den Ausgangsspannungspegel angeben, der von anderen Schaltungselementen verwendet wird. Wir werden die Schaltpläne der Reihe nach besprechen, um Ihnen einen Einblick in die Funktionsweise der Schaltung zu geben.

Temperatursensor (LM35)

Der LM35 ist ein IC zur Erfassung der Raumtemperatur und gibt eine Ausgangsspannung proportional zur Temperatur auf der Celsius-Skala aus. Wir verwenden den LM35 im TO-92-Gehäuse. Nominell kann es die Temperatur zwischen 0° und 100°C genau messen, mit einer Genauigkeit von weniger als 1°C.

Es kann mit einer 4-V- bis 30-V-DC-Stromversorgung betrieben werden und nimmt einen sehr geringen Strom von 0,06 mA auf. Dies bedeutet, dass es aufgrund des geringen Stromverbrauchs eine sehr geringe Eigenerwärmung aufweist und die einzige Wärme (Temperatur), die es erkennt, die der Umgebung ist.

Die Celsius-Temperaturausgabe des LM35 wird in Bezug auf eine einfache lineare Übertragungsfunktion angegeben:

…Wo:

• VOUT ist die Ausgangsspannung des LM35 in Millivolt (mV).

• T ist die Temperatur in °C.

Wenn beispielsweise der LM35-Sensor eine Temperatur von etwa 30 °C erkennt, beträgt der Sensorausgang fast 300 mV oder 0,3 V. Du kannst Messen Sie die Spannung mit einem Digitalmultimeter. Wir verwenden den LM35 in einer röhrenförmigen wasserdichten Sonde in diesem DIY-Projekt; es kann jedoch wie ein IC ohne röhrenförmige Sonde verwendet werden.

Spannungsverstärkungsverstärker mit LM741

Die Ausgangsspannung des Temperatursensors ist in Millivolt angegeben und muss daher verstärkt werden, um die Auswirkung von Rauschen auf das Signal zu unterdrücken und auch die Signalqualität zu verbessern. Die Spannungsverstärkung hilft uns, diesen Wert mit Hilfe eines LM741-Operationsverstärkers für den weiteren Vergleich mit einer stabilen Referenzspannung zu verwenden. Hier wird der LM741 als nichtinvertierender Spannungsverstärker verwendet.

Für diese Schaltung verstärken wir den Sensorausgang um den Faktor 13. Der LM741 wird in einer nichtinvertierenden Operationsverstärkerkonfiguration betrieben. Die Übertragungsfunktion für den nichtinvertierenden Operationsverstärker wird zu:

Also nehmen wir R1 = 1kΩ und R2 = 12kΩ.

Elektronischer Schaltkomparator (LM393)

Wie oben erwähnt, kann für ein störungsfreies elektronisches Schalten ein Schmitt-Trigger implementiert werden. Dazu verwenden wir einen LM393 IC als Spannungskomparator-Schmitt-Trigger. Wir verwenden eine Referenzspannung von 5 V, um den Eingang des LM393 zu invertieren. Eine 5-V-Spannungsreferenz wird mit Hilfe des Spannungsregler-ICs LM7805 erreicht. Der LM7805 wird mit einem 12-V-Netzteil oder einer Batterie betrieben und gibt konstant 5 V DC aus.

Der andere Eingang des LM393 ist mit dem Ausgang der nicht invertierenden Operationsverstärkerschaltung verbunden, die im obigen Abschnitt beschrieben wird. So kann nun der verstärkte Sensorwert mit dem LM393 mit der Referenzspannung verglichen werden. Für den Schmitt-Trigger-Effekt ist am Komparator LM393 eine positive Rückkopplung implementiert. Der Ausgang des LM393 wird aktiv hoch gehalten und der Spannungsteiler (Widerstandsnetzwerk im Diagramm unten grün dargestellt) wird am Ausgang verwendet, um den Ausgang (hoch) des LM393 auf 5 bis 6 V zu reduzieren.

Wir verwenden das aktuelle Gesetz von Kirchhoff an nichtinvertierenden Pins, um das Schaltungsverhalten und die optimalen Widerstandswerte zu analysieren. (Ihre Erörterung geht jedoch über den Rahmen dieses Artikels hinaus.)

Wir haben das Widerstandsnetzwerk so ausgelegt, dass bei einer Temperaturerhöhung auf 39,5 °C und darüber der LM393 in einen High-Zustand geschaltet wird. Aufgrund des Schmitt-Trigger-Effekts bleibt sie auch dann hoch, wenn die Temperatur knapp unter 38 °C sinkt. Der LM393-Komparator kann jedoch ein logisches Low ausgeben, wenn die Temperatur unter 37 °C fällt.

Stromverstärkung mit Darlington-Paar-Transistoren

Der Ausgang des LM393 schaltet jetzt gemäß den Schaltungsanforderungen zwischen logisch niedrig und hoch um. Der Ausgangsstrom (max. 20 mA ohne aktive High-Konfiguration) des LM393-Komparators ist jedoch ziemlich niedrig und kann keinen Lüfter antreiben. Um dieses Problem zu lösen, verwenden wir ULN2003 IC Darlington-Transistorpaare, um den Lüfter anzutreiben.

Der ULN2003 besteht aus sieben offenen Kollektor-Emitter-Transistorpaaren. Jedes Paar kann einen Kollektor-Emitter-Strom von 380 mA führen. Basierend auf dem Strombedarf des DC-Lüfters können mehrere Darlington-Paare in einer parallelen Konfiguration verwendet werden, um die maximale Stromkapazität zu erhöhen. Der Eingang des ULN2003 ist mit dem Komparator LM393 verbunden und die Ausgangspins sind mit dem Minuspol des DC-Lüfters verbunden. Der andere Anschluss des Lüfters ist mit einer 12-V-Batterie verbunden.

Die Schaltungselemente, mit Ausnahme des Lüfters und der Batterie, werden durch Löten auf dem Veroboard integriert.

Alles zusammenfügen

Das vollständige schematische Diagramm des temperaturgesteuerten Lüfters ist wie folgt. Alle ICs werden von einer 12-V-Gleichstrombatterie mit Strom versorgt. Es ist auch wichtig zu beachten, dass alle Erdungen am Minuspol der Batterie gemeinsam gehalten werden müssen.

Testen der Schaltung

Um diese Schaltung zu testen, können Sie eine Raumheizung als Heißluftquelle verwenden. Platzieren Sie die Temperatursensorsonde in der Nähe der Heizung, damit sie die heiße Temperatur erkennen kann. Nach einigen Augenblicken werden Sie einen Anstieg der Temperatur am Sensorausgang feststellen. Wenn die Temperatur die eingestellte Schwelle von 39,5 °C überschreitet, schaltet sich der Lüfter ein.

Schalten Sie nun die Raumheizung aus und lassen Sie den Kreislauf abkühlen. Sobald die Temperatur unter 37°C fällt, sehen Sie, dass der Lüfter abschaltet.

Wählen Sie Ihre eigene Temperaturschwelle für einen Schaltlüfter

Temperaturgeregelte Lüfterschaltkreise werden üblicherweise in vielen elektronischen und elektrischen Geräten und Gadgets verwendet. Sie können Ihre eigenen Temperaturwerte zum Ein- und Ausschalten des Lüfters auswählen, indem Sie den entsprechenden Widerstandswert in den Schaltplänen der Schmitt-Trigger-Komparatorschaltung auswählen. Ein ähnliches Konzept kann verwendet werden, um einen temperaturgesteuerten Lüfter mit variablen Schaltgeschwindigkeiten, d. h. schnell und langsam, zu entwerfen.