Usando un gatillo Schmitt, puede construir un ventilador simple controlado por temperatura que se enciende y apaga a temperaturas establecidas, sin necesidad de microcontrolador.
En varios dispositivos electrónicos, como CPU y consolas de juegos, es posible que haya observado que el procesador tiende a calentarse durante el uso intensivo, como juegos o simulación, lo que hace que el ventilador se encienda o aumente su velocidad para disipar el calor. Una vez que el procesador se enfría, el ventilador vuelve a su flujo normal o se apaga.
En esta guía de bricolaje, construiremos un ventilador simple con control de temperatura que se enciende y se apaga a valores de temperatura predeterminados, sin necesidad de una unidad de microcontrolador en su circuito.
Lo que necesitarás
Para construir este proyecto, necesitará los siguientes componentes, que se pueden obtener en tiendas de electrónica en línea.
- Comparador IC LM393
- Sensor de temperatura LM35
- Amplificador operacional LM741
- IC de transistor de par Darlington ULN2003
- ventilador de CC
- Algunos resistencias
- Regulador de voltaje LM7805
- Cables de conexión
- Veroboard
- Multímetro digital
- batería de 12V
- Estación de soldadura (Opcional: también puede construir este proyecto en una placa de prueba)
El problema: conmutación rápida continua del ventilador de CC
Para esta tarea de bricolaje, queremos que el ventilador se encienda cuando el sensor de temperatura detecte una temperatura de 38 °C (100 °F) o superior, y se apague cuando la temperatura caiga por debajo de este umbral. Los sensores de temperatura proporcionan al circuito la salida de tensión que se puede utilizar para controlar el ventilador. Necesitamos un circuito comparador de voltaje que use un LM393 para comparar esta salida de voltaje con un voltaje de referencia.
Para mejorar la salida de voltaje del sensor de temperatura, usamos un sensor operativo no inversor LM741 amplificador para aumentar este voltaje, que se puede comparar con una referencia de voltaje estable proporcionada por el voltaje regulador. Además, estamos usando un LM7805 como regulador de voltaje de 5 V CC.
Se observa que cuando la temperatura se acerca a los 38°C, la salida del circuito comienza a cambiar repetidamente entre las etapas de encendido y apagado debido al ruido en la señal. Esta fluctuación o cambio rápido puede ocurrir a menos que la temperatura esté muy por encima de los 38 °C o muy por debajo de los 38 °C. Esta conmutación continua hace que fluya una alta corriente a través del ventilador y el circuito electrónico, lo que provoca un sobrecalentamiento o daños en estos componentes.
Schmitt Trigger: una solución para este problema
Para abordar este problema, estamos utilizando el concepto de activación de Schmitt. Esto implica aplicar retroalimentación positiva en la entrada no inversora de un circuito comparador que permite que el circuito cambie entre lógica alta y lógica baja a diferentes niveles de voltaje. Con este esquema, es posible evitar numerosos errores causados por el ruido al tiempo que se garantiza una conmutación perfecta, ya que la conmutación a la lógica alta y baja se produce a diferentes niveles de tensión.
El ventilador mejorado con control de temperatura: cómo funciona
El diseño funciona con un enfoque integrado, en el que los datos del sensor brindan el nivel de voltaje de salida, que es utilizado por otros elementos del circuito. Discutiremos los esquemas del circuito en secuencia para darle una idea de cómo funciona el circuito.
Sensor de temperatura (LM35)
El LM35 es un circuito integrado para detectar la temperatura ambiente y proporciona un voltaje de salida proporcional a la temperatura en la escala Celsius. Estamos usando el LM35 en empaque TO-92. Nominalmente, puede medir con precisión la temperatura entre 0° y 100°C, con una precisión de menos de 1°C.
Se puede encender con una fuente de alimentación de 4 V a 30 V CC y toma una corriente muy baja de 0,06 mA. Significa que tiene un autocalentamiento muy bajo debido al bajo consumo de corriente, y el único calor (temperatura) que detecta es del entorno que lo rodea.
La salida de temperatura Celsius del LM35 se da con respecto a una función de transferencia lineal simple:
…dónde:
• VOUT es el voltaje de salida del LM35 en milivoltios (mV).
• T es la temperatura en °C.
Como ejemplo, si el sensor LM35 detecta una temperatura de aproximadamente 30 °C, la salida del sensor sería de casi 300 mV o 0,3 V. Puede medir el voltaje usando un multímetro digital. Estamos usando el LM35 en una sonda impermeable tubular en este proyecto de bricolaje; sin embargo, se puede usar sin una sonda tubular, como un IC.
Amplificador de ganancia de voltaje con LM741
El voltaje de salida del sensor de temperatura está en milivoltios y, por lo tanto, necesita amplificación para suprimir el efecto del ruido en la señal y también para mejorar la calidad de la señal. La amplificación de voltaje nos ayuda a usar este valor para realizar comparaciones posteriores con un voltaje de referencia estable, con la ayuda de un amplificador operacional LM741. Aquí, el LM741 se utiliza como amplificador de voltaje no inversor.
Para este circuito, estamos amplificando la salida del sensor por un factor de 13. El LM741 funciona en una configuración de amplificador operacional no inversor. La función de transferencia para el amplificador operacional no inversor se convierte en:
Entonces tomamos R1 = 1kΩ y R2 = 12kΩ.
Comparador de interruptores electrónicos (LM393)
Como se mencionó anteriormente, para una conmutación electrónica sin fallas, se puede implementar un disparador Schmitt. Para este propósito, estamos utilizando un IC LM393 como disparador Schmitt comparador de voltaje. Estamos usando un voltaje de referencia de 5V para invertir la entrada del LM393. Se logra una referencia de voltaje de 5 V con la ayuda del regulador de voltaje IC LM7805. El LM7805 funciona con una fuente de alimentación o batería de 12 V y emite una CC constante de 5 V.
La otra entrada del LM393 está conectada a la salida del circuito del amplificador operacional no inversor, que se describe en la sección anterior. De esta forma, el valor del sensor amplificado ahora se puede comparar con el voltaje de referencia utilizando el LM393. La retroalimentación positiva se implementa en el comparador LM393 para el efecto de disparo Schmitt. La salida del LM393 se mantiene activa alta y el divisor de tensión (la red de resistencias que se muestra en verde en el siguiente diagrama) se usa en la salida para reducir la salida (alta) del LM393 a 5 a 6 V.
Estamos usando la ley actual de Kirchoff en pines no inversores para analizar el comportamiento del circuito y los valores óptimos de resistencia. (Sin embargo, su discusión está más allá del alcance de este artículo).
Hemos diseñado la red de resistencias de manera que cuando la temperatura aumenta a 39,5 °C o más, el LM393 cambia a un estado alto. Debido al efecto de activación de Schmitt, permanece alto incluso si la temperatura desciende justo por debajo de los 38 °C. Sin embargo, el comparador LM393 puede generar un nivel lógico bajo cuando la temperatura desciende por debajo de los 37 °C.
Ganancia de corriente usando transistores de par Darlington
La salida del LM393 ahora cambia entre lógica baja y alta, según los requisitos del circuito. Sin embargo, la corriente de salida (20 mA máx. sin configuración alta activa) del comparador LM393 es bastante baja y no puede impulsar un ventilador. Para abordar este problema, estamos utilizando transistores de par ULN2003 IC Darlington para impulsar el ventilador.
El ULN2003 consta de siete pares de transistores de emisor común de colector abierto. Cada par puede transportar una corriente colector-emisor de 380 mA. Según el requisito de corriente del ventilador de CC, se pueden usar múltiples pares Darlington en una configuración paralela para aumentar la capacidad de corriente máxima. La entrada del ULN2003 está conectada al comparador LM393 y los pines de salida están conectados al terminal negativo del ventilador de CC. El otro terminal del ventilador está conectado a una batería de 12V.
Los elementos del circuito, excepto el ventilador y la batería, se integran en el Veroboard mediante soldadura.
Poniendolo todo junto
El diagrama esquemático completo del ventilador de temperatura controlada es el siguiente. Todos los circuitos integrados obtienen energía de una batería de 12 V CC. También es importante tener en cuenta que todos los terrenos deben ser comunes en el terminal negativo de la batería.
Probando el circuito
Para probar este circuito, puede usar un calentador de habitación como fuente de aire caliente. Coloque la sonda del sensor de temperatura cerca del calentador para que pueda detectar la temperatura caliente. Después de unos momentos, notará un aumento en la temperatura en la salida del sensor. Cuando la temperatura supere el umbral establecido de 39,5°C, el ventilador se encenderá.
Ahora apague el calentador de la habitación y deje que el circuito se enfríe. Una vez que la temperatura baje de los 37°C, verás que el ventilador se apagará.
Elija su propio umbral de temperatura para un ventilador de conmutación
Los circuitos de ventiladores de conmutación controlados por temperatura se usan comúnmente en muchos aparatos y dispositivos electrónicos y eléctricos. Puede seleccionar sus propios valores de temperatura para encender y apagar el ventilador eligiendo el valor apropiado de las resistencias en los esquemas del circuito comparador de disparador Schmitt. Se puede utilizar un concepto similar para diseñar un ventilador de temperatura controlada con velocidades de conmutación variables, es decir, rápida y lenta.
