Come realizzare una ventola CC a temperatura controllata

In vari dispositivi elettronici come CPU e console di gioco, potresti aver notato che il processore tende a surriscaldarsi durante un uso intensivo come il gioco o la simulazione, portando la ventola ad accendersi o ad aumentare la sua velocità per dissipare il Calore. Una volta che il processore si è raffreddato, la ventola ritorna al suo flusso normale o si spegne.

In questa guida fai-da-te costruiremo una semplice ventola a temperatura controllata che si accende e si spegne a valori di temperatura prestabiliti, senza la necessità di un'unità a microcontrollore nel suo circuito.

Di cosa avrai bisogno

Per costruire questo progetto, avrai bisogno dei seguenti componenti, che puoi ottenere dai negozi di elettronica online.

• Comparatore IC LM393
• Sensore di temperatura LM35
• Amplificatore operazionale LM741
• ULN2003 Circuito integrato a transistor a coppia Darlington
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• Ventilatore CC
• Alcuni resistori
• Regolatore di tensione LM7805
• Fili di collegamento
• Verboard
• Multimetro digitale
• Batteria 12V
• Stazione di saldatura (opzionale: puoi costruire questo progetto anche su una breadboard)

Il problema: commutazione rapida continua della ventola CC

Per questa attività fai-da-te, vogliamo che la ventola si accenda quando il sensore di temperatura rileva una temperatura di 38°C (100°F) o superiore e si spenga quando la temperatura scende al di sotto di questa soglia. I sensori di temperatura forniscono al circuito l'uscita di tensione che può essere utilizzata per controllare la ventola. Abbiamo bisogno di un circuito comparatore di tensione utilizzando un LM393 per confrontare questa uscita di tensione con una tensione di riferimento.

Per migliorare la tensione in uscita dal sensore di temperatura, stiamo usando un LM741 operativo non invertente amplificatore per aumentare questa tensione, che può essere confrontata con un riferimento di tensione stabile fornito dalla tensione regolatore. Inoltre, utilizziamo un LM7805 come regolatore di tensione a 5 V CC.

Si osserva che quando la temperatura si avvicina a 38°C, l'uscita del circuito inizia a commutare ripetutamente tra le fasi on e off a causa del rumore sul segnale. Questo jitter o commutazione rapida può verificarsi a meno che la temperatura non superi di molto i 38°C o ben al di sotto dei 38°C. Questa commutazione continua provoca un flusso di corrente elevata attraverso la ventola e il circuito elettronico, provocando il surriscaldamento o il danneggiamento di questi componenti.

Schmitt Trigger: una soluzione per questo problema

Per risolvere questo problema, stiamo utilizzando il concetto di trigger di Schmitt. Ciò comporta l'applicazione di un feedback positivo sull'ingresso non invertente di un circuito comparatore che consente al circuito di commutare tra logica alta e logica bassa a diversi livelli di tensione. Usando questo schema, è possibile prevenire numerosi errori causati dal rumore garantendo allo stesso tempo una commutazione continua, poiché la commutazione alla logica alta e bassa avviene a diversi livelli di tensione.

La ventola a temperatura controllata migliorata: come funziona

Il design funziona secondo un approccio integrato, in cui i dati del sensore forniscono il livello di tensione di uscita, utilizzato da altri elementi del circuito. Discuteremo gli schemi del circuito in sequenza per darti un'idea di come funziona il circuito.

Sensore di temperatura (LM35)

L'LM35 è un circuito integrato per il rilevamento della temperatura ambiente e fornisce una tensione di uscita proporzionale alla temperatura sulla scala Celsius. Utilizziamo l'LM35 nella confezione TO-92. Nominalmente, può misurare accuratamente la temperatura tra 0° e 100°C, con una precisione inferiore a 1°C.

Può essere alimentato utilizzando un alimentatore da 4 V a 30 V CC e richiede una corrente molto bassa di 0,06 mA. Significa che ha un autoriscaldamento molto basso a causa del basso consumo di corrente e l'unico calore (temperatura) che rileva è dell'ambiente circostante.

L'uscita della temperatura Celsius dell'LM35 è data rispetto a una semplice funzione di trasferimento lineare:

…Dove:

• VOUT è la tensione di uscita dell'LM35 in millivolt (mV).

• T è la temperatura in °C.

Ad esempio, se il sensore LM35 rileva una temperatura di circa 30°C, l'uscita del sensore sarebbe di circa 300 mV o 0,3 V. Puoi misurare la tensione utilizzando un multimetro digitale. Stiamo usando l'LM35 in una sonda impermeabile tubolare in questo progetto DIY; tuttavia, può essere utilizzato senza una sonda tubolare, come un IC.

Amplificatore di guadagno di tensione utilizzando LM741

La tensione di uscita del sensore di temperatura è in millivolt e quindi necessita di amplificazione per sopprimere l'effetto del rumore sul segnale e anche per migliorare la qualità del segnale. L'amplificazione della tensione ci aiuta a utilizzare questo valore per il confronto successivo con una tensione di riferimento stabile, con l'aiuto di un amplificatore operazionale LM741. Qui, l'LM741 viene utilizzato come amplificatore di tensione non invertente.

Per questo circuito, stiamo amplificando l'uscita del sensore di un fattore 13. L'LM741 funziona in una configurazione con amplificatore operazionale non invertente. La funzione di trasferimento per l'amplificatore operazionale non invertente diventa:

Quindi prendiamo R1 = 1kΩ e R2 = 12kΩ.

Comparatore interruttore elettronico (LM393)

Come accennato in precedenza, per una commutazione elettronica senza problemi, è possibile implementare un trigger di Schmitt. A tale scopo, utilizziamo un IC LM393 come trigger di Schmitt del comparatore di tensione. Stiamo usando una tensione di riferimento di 5V per invertire l'ingresso dell'LM393. Un riferimento di tensione di 5 V viene raggiunto con l'aiuto del regolatore di tensione LM7805 in CI. L'LM7805 funziona con un alimentatore da 12 V o una batteria ed emette 5 V CC costanti.

L'altro ingresso dell'LM393 è collegato all'uscita del circuito dell'amplificatore operazionale non invertente, descritto nella sezione precedente. In questo modo, il valore del sensore amplificato può ora essere confrontato con la tensione di riferimento utilizzando l'LM393. Il feedback positivo è implementato sul comparatore LM393 per l'effetto trigger Schmitt. L'uscita dell'LM393 viene mantenuta attiva alta e il partitore di tensione (rete di resistori mostrata in verde nel diagramma sottostante) viene utilizzato all'uscita per ridurre l'uscita (alta) dell'LM393 da 5 a 6V.

Stiamo usando l'attuale legge di Kirchoff sui pin non invertenti per analizzare il comportamento del circuito e i valori ottimali del resistore. (Tuttavia, la sua discussione va oltre lo scopo di questo articolo.)

Abbiamo progettato la rete di resistori in modo tale che quando la temperatura viene aumentata a 39,5°C e oltre, l'LM393 passa a uno stato elevato. A causa dell'effetto trigger Schmitt, rimane alto anche se la temperatura scende appena sotto i 38°C. Tuttavia, il comparatore LM393 può emettere un segnale logico basso quando la temperatura scende sotto i 37°C.

Guadagno di corrente utilizzando i transistor a coppia Darlington

L'uscita dell'LM393 sta ora commutando tra logica bassa e alta, secondo i requisiti del circuito. Tuttavia, la corrente di uscita (20 mA max senza configurazione attiva alta) del comparatore LM393 è piuttosto bassa e non può azionare una ventola. Per risolvere questo problema, stiamo utilizzando transistor a coppia IC Darlington ULN2003 per azionare la ventola.

L'ULN2003 è costituito da sette coppie di transistor a emettitore comune a collettore aperto. Ogni coppia può trasportare una corrente collettore-emettitore di 380 mA. In base ai requisiti di corrente della ventola CC, è possibile utilizzare più coppie Darlington in una configurazione parallela per aumentare la capacità di corrente massima. L'ingresso dell'ULN2003 è collegato al comparatore LM393 e i pin di uscita sono collegati al terminale negativo della ventola CC. L'altro terminale della ventola è collegato a una batteria da 12V.

Gli elementi del circuito, ad eccezione della ventola e della batteria, sono integrati nel Veroboard tramite saldatura.

Mettere tutto insieme

Il diagramma schematico completo del ventilatore a temperatura controllata è il seguente. Tutti i circuiti integrati ricevono alimentazione da una batteria da 12 V CC. È anche importante notare che tutti i motivi devono essere tenuti comuni al terminale negativo della batteria.

Test del circuito

Per testare questo circuito, è possibile utilizzare un riscaldatore ambiente come fonte di aria calda. Posizionare la sonda del sensore di temperatura vicino al riscaldatore in modo che possa rilevare la temperatura calda. Dopo alcuni istanti, si noterà un aumento della temperatura sull'uscita del sensore. Quando la temperatura supera la soglia impostata di 39,5°C si accende il ventilatore.

Spegnere ora il riscaldamento della stanza e lasciare raffreddare il circuito. Quando la temperatura scenderà sotto i 37°C, vedrai che la ventola si spegnerà.

Scegli la tua soglia di temperatura per una ventola di commutazione

I circuiti delle ventole di commutazione a temperatura controllata sono comunemente usati in molti apparecchi e gadget elettronici ed elettrici. È possibile selezionare i propri valori di temperatura per l'accensione e lo spegnimento della ventola scegliendo il valore appropriato delle resistenze negli schemi del circuito del comparatore trigger di Schmitt. Un concetto simile può essere utilizzato per progettare un ventilatore a temperatura controllata con velocità di commutazione variabili, ovvero veloce e lenta.