Cách làm quạt DC điều khiển nhiệt độ

Trong các thiết bị điện tử khác nhau như CPU ​​và bảng điều khiển trò chơi, bạn có thể nhận thấy rằng bộ xử lý có xu hướng nóng lên trong quá trình sử dụng nhiều như chơi game hoặc mô phỏng, dẫn đến việc quạt phải bật hoặc tăng tốc độ để tản nhiệt. Sau khi bộ xử lý nguội đi, quạt sẽ quay trở lại dòng chảy bình thường hoặc tắt.

Trong hướng dẫn tự làm này, chúng ta sẽ chế tạo một chiếc quạt điều khiển nhiệt độ đơn giản có thể bật và tắt ở các giá trị nhiệt độ định trước mà không cần bộ vi điều khiển trong mạch của nó.

Những gì bạn cần

Để xây dựng dự án này, bạn sẽ cần các thành phần sau, có thể mua từ các cửa hàng điện tử trực tuyến.

• IC so sánh LM393
• Cảm biến nhiệt độ LM35
• Bộ khuếch đại hoạt động LM741
• IC bán dẫn cặp Darlington ULN2003
• quạt điện một chiều
• Một số điện trở
• Ổn áp LM7805
• kết nối dây
• Veroboard
• vạn năng kỹ thuật số
• bình ắc quy 12V
• Trạm hàn (Tùy chọn: bạn cũng có thể xây dựng dự án này trên breadboard)

Vấn đề: Chuyển đổi nhanh liên tục của quạt DC

Đối với tác vụ DIY này, chúng tôi muốn quạt bật khi cảm biến nhiệt độ cảm nhận được nhiệt độ từ 38°C (100°F) trở lên và tắt khi nhiệt độ giảm xuống dưới ngưỡng này. Cảm biến nhiệt độ cung cấp cho mạch điện áp đầu ra có thể được sử dụng để điều khiển quạt. Chúng ta cần một mạch so sánh điện áp sử dụng LM393 để so sánh đầu ra điện áp này với điện áp tham chiếu.

Để nâng cao điện áp đầu ra từ cảm biến nhiệt độ, chúng tôi đang sử dụng bộ khuếch đại hoạt động không đảo ngược LM741 để nâng cấp điện áp này, có thể so sánh với điện áp tham chiếu ổn định do bộ điều chỉnh điện áp cung cấp. Ngoài ra, chúng tôi đang sử dụng LM7805 làm bộ ổn áp 5V DC.

Người ta quan sát thấy rằng khi nhiệt độ đạt tới 38°C, đầu ra của mạch bắt đầu chuyển đổi liên tục giữa các giai đoạn bật và tắt do tín hiệu bị nhiễu. Hiện tượng chập chờn hoặc chuyển mạch nhanh này có thể xảy ra trừ khi nhiệt độ cao hơn 38°C hoặc thấp hơn nhiều so với 38°C. Việc chuyển đổi liên tục này khiến dòng điện cao chạy qua quạt và mạch điện tử, dẫn đến quá nhiệt hoặc hư hỏng các bộ phận này.

Schmitt Trigger: một giải pháp cho vấn đề này

Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đang sử dụng khái niệm kích hoạt Schmitt. Điều này liên quan đến việc áp dụng phản hồi tích cực trên đầu vào không đảo ngược của mạch so sánh, cho phép mạch chuyển đổi giữa logic cao và logic thấp ở các mức điện áp khác nhau. Sử dụng sơ đồ này, có thể ngăn ngừa nhiều lỗi do nhiễu gây ra trong khi vẫn đảm bảo chuyển mạch liền mạch, vì chuyển sang mức logic cao và thấp xảy ra ở các mức điện áp khác nhau.

Quạt điều khiển nhiệt độ cải tiến: Cách thức hoạt động

Thiết kế hoạt động theo cách tiếp cận tích hợp, trong đó dữ liệu cảm biến cung cấp mức điện áp đầu ra, được sử dụng bởi các phần tử mạch khác. Chúng tôi sẽ thảo luận về sơ đồ mạch theo trình tự để cung cấp cho bạn cái nhìn sâu sắc về cách thức hoạt động của mạch.

Cảm biến nhiệt độ (LM35)

LM35 là một vi mạch để cảm nhận nhiệt độ phòng và cung cấp điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với nhiệt độ trên thang đo độ C. Chúng tôi đang sử dụng LM35 trong bao bì TO-92. Trên danh nghĩa, nó có thể đo chính xác nhiệt độ trong khoảng từ 0° đến 100°C, với độ chính xác dưới 1°C.

Nó có thể được cấp nguồn bằng nguồn điện DC 4V đến 30V và có dòng điện rất thấp 0,06mA. Điều đó có nghĩa là nó có khả năng tự sưởi ấm rất thấp do mức tiêu thụ dòng điện thấp và nhiệt (nhiệt độ) duy nhất mà nó phát hiện được là của môi trường xung quanh.

Đầu ra nhiệt độ Celsius của LM35 được đưa ra đối với hàm truyền tuyến tính đơn giản:

…Ở đâu:

• VOUT là điện áp đầu ra LM35 tính bằng milivôn (mV).

• T là nhiệt độ tính bằng °C.

Ví dụ: nếu cảm biến LM35 phát hiện nhiệt độ xấp xỉ 30°C, thì đầu ra của cảm biến sẽ là gần 300mV hoặc 0,3V. Bạn có thể đo điện áp bằng đồng hồ vạn năng kỹ thuật số. Chúng tôi đang sử dụng LM35 trong một đầu dò chống nước dạng ống trong dự án DIY này; tuy nhiên, nó có thể được sử dụng mà không cần đầu dò hình ống, giống như IC.

Bộ khuếch đại tăng điện áp sử dụng LM741

Điện áp đầu ra của cảm biến nhiệt độ tính bằng milivôn và do đó cần khuếch đại để triệt tiêu ảnh hưởng của nhiễu lên tín hiệu và cũng để cải thiện chất lượng tín hiệu. Khuếch đại điện áp giúp chúng tôi sử dụng giá trị này để so sánh về sau với điện áp tham chiếu ổn định, với sự trợ giúp của bộ khuếch đại hoạt động LM741. Ở đây, LM741 được sử dụng như một bộ khuếch đại điện áp không đảo.

Đối với mạch này, chúng tôi đang khuếch đại đầu ra cảm biến theo hệ số 13. LM741 được vận hành trong cấu hình op amp không đảo ngược. Hàm truyền cho op amp không đảo trở thành:

Vì vậy, chúng tôi lấy R1 = 1kΩ và R2 = 12kΩ.

Bộ so sánh công tắc điện tử (LM393)

Như đã đề cập ở trên, để chuyển mạch điện tử không bị trục trặc, có thể triển khai bộ kích hoạt Schmitt. Với mục đích này, chúng tôi đang sử dụng IC LM393 làm bộ kích hoạt Schmitt so sánh điện áp. Chúng tôi đang sử dụng điện áp tham chiếu 5V để đảo ngược đầu vào của LM393. Tham chiếu điện áp 5V đạt được với sự trợ giúp của IC ổn áp LM7805. LM7805 được vận hành bằng nguồn điện 12V hoặc pin và nó tạo ra nguồn điện 5V DC không đổi.

Đầu vào khác của LM393 được kết nối với đầu ra của mạch khuếch đại op không đảo, được mô tả trong phần trên. Theo cách này, giá trị cảm biến được khuếch đại giờ đây có thể được so sánh với điện áp tham chiếu bằng LM393. Phản hồi tích cực được thực hiện trên bộ so sánh LM393 cho hiệu ứng kích hoạt Schmitt. Đầu ra của LM393 được duy trì ở mức cao và bộ chia điện áp (mạng điện trở hiển thị màu xanh lục trong sơ đồ bên dưới) được sử dụng ở đầu ra để giảm đầu ra (cao) của LM393 xuống 5 đến 6V.

Chúng tôi đang sử dụng định luật hiện tại của Kirchoff ở các chân không đảo ngược để phân tích hoạt động của mạch và các giá trị điện trở tối ưu. (Tuy nhiên, cuộc thảo luận của nó nằm ngoài phạm vi của bài viết này.)

Chúng tôi đã thiết kế mạng điện trở sao cho khi nhiệt độ tăng lên 39,5°C trở lên, LM393 được chuyển sang trạng thái cao. Do hiệu ứng kích hoạt Schmitt, nó vẫn ở mức cao ngay cả khi nhiệt độ giảm xuống dưới 38°C. Tuy nhiên, bộ so sánh LM393 có thể xuất ra mức logic thấp khi nhiệt độ xuống dưới 37°C.

Mức tăng hiện tại khi sử dụng bóng bán dẫn cặp Darlington

Đầu ra của LM393 hiện đang chuyển đổi giữa logic thấp và cao, theo yêu cầu của mạch. Tuy nhiên, dòng điện đầu ra (tối đa 20mA khi không có cấu hình cao hoạt động) của bộ so sánh LM393 khá thấp và không thể điều khiển quạt. Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đang sử dụng cặp bóng bán dẫn ULN2003 IC Darlington để điều khiển quạt.

ULN2003 bao gồm bảy cặp bóng bán dẫn bộ phát chung bộ thu mở. Mỗi cặp có thể mang dòng điện thu-phát 380mA. Dựa trên yêu cầu hiện tại của quạt DC, nhiều cặp Darlington có thể được sử dụng trong cấu hình song song để tăng công suất dòng điện tối đa. Đầu vào của ULN2003 được kết nối với bộ so sánh LM393 và các chân đầu ra được kết nối với cực âm của quạt DC. Đầu còn lại của quạt được kết nối với bình ắc quy 12V.

Các phần tử mạch, ngoại trừ quạt và pin, được tích hợp trên Veroboard thông qua hàn.

Để tất cả chúng cùng nhau

Sơ đồ hoàn chỉnh của quạt điều khiển nhiệt độ như sau. Tất cả các IC đều lấy nguồn từ pin 12V DC. Cũng cần lưu ý rằng tất cả các căn cứ phải được giữ chung ở cực âm của ắc quy.

Kiểm tra mạch

Để kiểm tra mạch này, bạn có thể sử dụng máy sưởi trong phòng làm nguồn khí nóng. Đặt đầu dò cảm biến nhiệt độ gần lò sưởi để nó có thể phát hiện nhiệt độ nóng. Sau một lúc, bạn sẽ thấy nhiệt độ ở đầu ra của cảm biến tăng lên. Khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng cài đặt 39,5°C, quạt sẽ bật.

Bây giờ hãy tắt máy sưởi trong phòng và để mạch điện nguội đi. Khi nhiệt độ giảm xuống dưới 37°C, bạn sẽ thấy quạt sẽ tắt.

Chọn ngưỡng nhiệt độ của riêng bạn cho quạt chuyển đổi

Các mạch quạt chuyển đổi được kiểm soát nhiệt độ thường được sử dụng trong nhiều thiết bị và đồ dùng điện và điện tử. Bạn có thể chọn các giá trị nhiệt độ của riêng mình để bật và tắt quạt bằng cách chọn giá trị điện trở thích hợp trong sơ đồ của mạch so sánh kích hoạt Schmitt. Một khái niệm tương tự có thể được sử dụng để thiết kế quạt điều khiển nhiệt độ với tốc độ chuyển đổi thay đổi, tức là nhanh và chậm.