Usando um gatilho Schmitt, você pode construir um simples ventilador controlado por temperatura que liga e desliga em temperaturas definidas, sem necessidade de microcontrolador.

Em vários dispositivos eletrônicos, como CPUs e consoles de jogos, você deve ter observado que o processador tende a esquentar durante o uso intensivo, como jogos ou simulações, levando o ventilador a ligar ou aumentar sua velocidade para dissipar o aquecer. Assim que o processador esfria, o ventilador retorna ao seu fluxo normal ou desliga.

Neste guia de DIY, vamos construir um ventilador simples com temperatura controlada que liga e desliga em valores de temperatura pré-determinados, sem a necessidade de uma unidade microcontroladora em seu circuito.

O que você precisará

Para construir este projeto, você precisará dos seguintes componentes, que podem ser obtidos em lojas de eletrônicos online.

  • Comparador IC LM393
  • Sensor de temperatura LM35
  • Amplificador operacional LM741
  • ULN2003 Darlington par transistor IC
  • fã DC
  • Um pouco resistores
  • Regulador de tensão LM7805
  • Fios de conexão
  • Veroboard
  • Multímetro digital
  • bateria 12V
  • Estação de solda (Opcional: você também pode construir este projeto em uma breadboard)

O Problema: Comutação Rápida Contínua do Ventilador DC

Para esta tarefa DIY, queremos que o ventilador ligue quando o sensor de temperatura detectar uma temperatura de 38°C (100°F) ou superior e desligue quando a temperatura cair abaixo desse limite. Os sensores de temperatura fornecem ao circuito a saída de tensão que pode ser usada para controlar o ventilador. Precisamos de um circuito comparador de tensão usando um LM393 para comparar essa saída de tensão com uma tensão de referência.

Para aumentar a saída de tensão do sensor de temperatura, estamos usando um LM741 operacional não inversor amplificador para aumentar esta tensão, que pode ser comparada com uma referência de tensão estável fornecida pela tensão regulador. Além disso, estamos usando um LM7805 como um regulador de tensão de 5V DC.

Observa-se que quando a temperatura se aproxima de 38°C, a saída do circuito começa a alternar repetidamente entre os estágios liga e desliga devido ao ruído no sinal. Essa oscilação ou comutação rápida pode ocorrer, a menos que a temperatura fique bem acima de 38°C ou bem abaixo de 38°C. Essa comutação contínua faz com que uma alta corrente flua pelo ventilador e circuito eletrônico, levando ao superaquecimento ou danos a esses componentes.

Schmitt Trigger: uma solução para este problema

Para resolver esse problema, estamos usando o conceito de gatilho Schmitt. Isso envolve a aplicação de feedback positivo na entrada não inversora de um circuito comparador que permite que o circuito alterne entre lógica alta e lógica baixa em diferentes níveis de tensão. Usando este esquema, é possível evitar inúmeros erros causados ​​por ruído, garantindo ao mesmo tempo uma comutação contínua, pois a comutação para lógica alta e baixa ocorre em diferentes níveis de tensão.

Ventilador com controle de temperatura aprimorado: como funciona

O projeto funciona em uma abordagem integrada, na qual os dados do sensor fornecem o nível de tensão de saída, que é usado por outros elementos do circuito. Discutiremos os esquemas do circuito em sequência para fornecer uma visão de como o circuito opera.

Sensor de temperatura (LM35)

O LM35 é um IC para detectar a temperatura ambiente e fornece tensão de saída proporcional à temperatura na escala Celsius. Estamos usando o LM35 na embalagem TO-92. Nominalmente, pode medir com precisão a temperatura entre 0° a 100°C, com uma precisão inferior a 1°C.

Ele pode ser alimentado usando uma fonte de alimentação de 4V a 30V DC e consome uma corrente muito baixa de 0,06mA. Isso significa que tem um autoaquecimento muito baixo devido ao baixo consumo de corrente, e o único calor (temperatura) que detecta é do ambiente ao seu redor.

A saída de temperatura Celsius do LM35 é dada em relação a uma função de transferência linear simples:

…onde:

• VOUT é a tensão de saída do LM35 em milivolts (mV).

• T é a temperatura em °C.

Por exemplo, se o sensor LM35 detectar uma temperatura de aproximadamente 30°C, a saída do sensor seria de aproximadamente 300mV ou 0,3V. Você pode medir a tensão usando um multímetro digital. Estamos usando o LM35 em uma sonda tubular à prova d'água neste projeto DIY; no entanto, pode ser usado sem uma sonda tubular, como um CI.

Amplificador de ganho de tensão usando LM741

A tensão de saída do sensor de temperatura está em milivolts e, portanto, precisa de amplificação para suprimir o efeito do ruído no sinal e também para melhorar a qualidade do sinal. A amplificação de tensão nos ajuda a usar esse valor para comparação posterior com uma tensão de referência estável, com a ajuda de um amplificador operacional LM741. Aqui, o LM741 é usado como um amplificador de tensão não inversora.

Para este circuito, estamos amplificando a saída do sensor por um fator de 13. O LM741 é operado em uma configuração de amplificador operacional não inversora. A função de transferência para o amplificador operacional não inversor torna-se:

Portanto, tomamos R1 = 1kΩ e R2 = 12kΩ.

Comparador de Chave Eletrônica (LM393)

Como mencionado acima, para comutação eletrônica sem falhas, um gatilho Schmitt pode ser implementado. Para isso, estamos usando um IC LM393 como um disparador Schmitt do comparador de tensão. Estamos usando uma tensão de referência de 5V para inverter a entrada do LM393. Uma referência de tensão de 5V é obtida com a ajuda do regulador de tensão LM7805 IC. O LM7805 é operado usando uma fonte de alimentação de 12 V ou bateria e produz 5 V CC constante.

A outra entrada do LM393 é conectada à saída do circuito de amplificador operacional não inversor, que é descrito na seção acima. Desta forma, o valor do sensor amplificado pode agora ser comparado com a tensão de referência usando o LM393. O feedback positivo é implementado no comparador LM393 para o efeito do gatilho Schmitt. A saída do LM393 é mantida ativa alta e o divisor de tensão (rede de resistores mostrada em verde no diagrama abaixo) é usado na saída para reduzir a saída (alta) do LM393 para 5 a 6V.

Estamos usando a lei de corrente de Kirchoff em pinos não inversores para analisar o comportamento do circuito e os valores ideais do resistor. (No entanto, sua discussão está além do escopo deste artigo.)

Projetamos a rede de resistores de forma que, quando a temperatura aumenta para 39,5°C ou mais, o LM393 é alternado para um estado alto. Devido ao efeito do gatilho Schmitt, ele permanece alto mesmo que a temperatura caia um pouco abaixo de 38°C. No entanto, o comparador LM393 pode emitir uma lógica baixa quando a temperatura cair abaixo de 37°C.

Ganho de corrente usando transistores de par Darlington

A saída do LM393 agora está alternando entre lógica baixa e alta, de acordo com os requisitos do circuito. No entanto, a corrente de saída (máximo de 20mA sem configuração alta ativa) do comparador LM393 é bastante baixa e não pode acionar um ventilador. Para resolver esse problema, estamos usando transistores de par ULN2003 IC Darlington para acionar o ventilador.

O ULN2003 consiste em sete pares de transistores emissor comum de coletor aberto. Cada par pode transportar uma corrente coletor-emissor de 380 mA. Com base no requisito atual do ventilador CC, vários pares Darlington podem ser usados ​​em uma configuração paralela para aumentar a capacidade máxima de corrente. A entrada do ULN2003 é conectada ao comparador LM393 e os pinos de saída são conectados ao terminal negativo do ventilador DC. O outro terminal do ventilador está conectado a uma bateria de 12V.

Os elementos do circuito, exceto o ventilador e a bateria, são integrados no Veroboard por meio de solda.

Juntando tudo

O diagrama esquemático completo do ventilador de temperatura controlada é o seguinte. Todos os ICs estão recebendo energia de uma bateria de 12V DC. Também é importante observar que todos os aterramentos devem ser comuns no terminal negativo da bateria.

Testando o Circuito

Para testar este circuito, você pode usar um aquecedor de ambiente como fonte de ar quente. Coloque a sonda do sensor de temperatura perto do aquecedor para que possa detectar a temperatura quente. Após alguns instantes, você encontrará um aumento na temperatura na saída do sensor. Quando a temperatura ultrapassar o limite definido de 39,5°C, o ventilador será ligado.

Agora desligue o aquecedor de ambiente e deixe o circuito esfriar. Assim que a temperatura descer abaixo dos 37°C, verá que a ventoinha se desliga.

Escolha seu próprio limite de temperatura para um ventilador de comutação

Os circuitos de ventiladores de comutação controlados por temperatura são comumente usados ​​em muitos aparelhos e dispositivos eletrônicos e elétricos. Você pode selecionar seus próprios valores de temperatura para ligar e desligar o ventilador, escolhendo o valor apropriado de resistências nos esquemas do circuito comparador de gatilho Schmitt. Um conceito semelhante pode ser usado para projetar um ventilador controlado por temperatura com velocidades de comutação variáveis, ou seja, rápida e lenta.