После сборки и установки на свой автомобиль устройства плавного пуска электровентилятора системы охлаждения двигателя, было предложено собрать устройство плавного регулирования оборотов того же электровентилятора системы охлаждения относительно температуры двигателя. Контроллер вентилятора охлаждения радиатора. Для сбора данного устройства как раз нашлись все подходящие детальки. Решил собирать на макетной платке, так как не было времени и разрабатывать плату было честно лень. Провозившись часа три и проматерив всё и вся устройство было готово. Фотографировать не стал, так как это был, просто ужас, куча спутанных проводков и деталек. После включения устройство естественно не за работало. Схему перепаивал дважды, но с таким же печальным результатом. И, чтобы не тратить опять время, собрал схему по оригинальной версии модуля плавного регулирования оборотов автомобильного электровентилятора системы охлаждения двигателя Смерч-7 предложенную Турмалином-НН.
Так как Турмалин-НН не предлагает нам версию своей печатной платы, разрабатывать пришлось самому в своей любимой программе DipTrace.
Схема довольно простая и не составит особого труда повторить её начинающим радиолюбителем.
А вот и моя плата, под дип.
Плату разрабатывал исключительно под свои компоненты. Как видите, транзистор посадил на довольно мощный радиатор SK-104, так как охлаждение много не бывает. Резисторы ставил столбиком, как на плате в старом телевизоре. Штепсиль использовал от платы стиральной машины.
Плата получилось довольно симпатичной.
А, также набросал плату в смд варианте. При оставшимся том же радиаторе, применил вместо штепсися от стиралки, привычный винтовой клемник.
Первое включение устройства собрал по варианту плавного пуска и остановки вентилятора. То есть контакт ХТ2 замкнул на +12В.
При подаче питания тестовый мотор на секунду включался и останавливался. А вот уже при замыкании контакта ХТ3 на землю наблюдается плавное раскручивание моторчика и при отключение контакта ХТ3 от земли мотор плавно останавливается. Устройство можно считать рабочим.
Теперь самое интересное. Как заставить работать устройство относительно температуры. Подключаем контакт ХТ2 к датчику ТМ-106, далее, доведя температуру двигателя до температуры примерно 85-90 добиваемся путём поворота движка переменного резистора R5 момента начала вращения электровентилятора. Дальше при росте температуры сопротивление датчика будет уменьшаться, и соответственно обороты электровентилятора будут увеличиваться. А при понижении температуры, наоборот уменьшаться вплоть до его остановки.
Тут основной смысл в том, что автомобиль должен быть оборудован датчиком резистивного типа. И ежели датчик у вас цифровой или по сопротивлению сильно разнится с датчиком ТМ-106, а его сопротивление должно быть порядка 240 Ом, то нужно будет устанавливать дополнительный датчик. И при номинальной температуре с датчика должно выходить в районе 6 вольт. Так как датчика ТМ-106 у меня нет и для проверки устройства на столе, собрал делитель напряжения с переменным резистором в 1 кОм. На выходе с делителя настроил напряжение около 6 вольт и поворотом резистора R5 добился момента начало вращения тестового электродвигателя. Имитируя работу термодатчика путём поворота движка резистора делителя напряжения, наблюдаем пук моторчика при уменьшении напряжения и его остановку при увеличении напряжения. Полагаю данный прибор можно установить практически на любой автомобиль. Если устройство не работает то следует по экспериментировать с подбором сопротивления резисторов R1 и R4. Данное устройство построено на микроконтроллере pic12f675 имеющий два порта АЦП. Полагаю прошивка схемы работает по принципу сравнения напряжения во внутреннем делителе напряжения со внешним.
Выкладываю свои материалы по сборке устройства.
О том как всё это будет стоять на моём автомобиле будет отдельная тема.
Всем всего хорошего и удачи на дорогах.
Быстродействие современного компьютера достигается достаточно высокой ценой — блок питания, процессор, видеокарта зачастую нуждаются в интенсивном охлаждении. Специализированные системы охлаждения стоят дорого, поэтому на домашний компьютер обычно ставят несколько корпусных вентиляторов и кулеров (радиаторов с прикрепленными к ним вентиляторами).
Схема компьютерного кулера.
Получается эффективная и недорогая, но зачастую шумная система охлаждения. Для уменьшения уровня шума (при условии сохранения эффективности) нужна система управления скоростью вращения вентиляторов. Разного рода экзотические системы охлаждения рассматриваться не будут. Необходимо рассмотреть наиболее распространенные системы воздушного охлаждения.
Чтобы шума при работе вентиляторов было меньше без уменьшения эффективности охлаждения, желательно придерживаться следующих принципов:
- Вентиляторы большого диаметра работают эффективнее, чем маленькие.
- Максимальная эффективность охлаждения наблюдается у кулеров с тепловыми трубками.
- Четырехконтактные вентиляторы предпочтительнее, чем трехконтактные.
Таблица сравнения водяного охлаждения с воздушным.
Основных причин, по которым наблюдается чрезмерный шум вентиляторов, может быть только две:
- Плохая смазка подшипников. Устраняется чисткой и новой смазкой.
- Двигатель вращается слишком быстро. Если возможно уменьшение этой скорости при сохранении допустимого уровня интенсивности охлаждения, то следует это сделать. Далее рассматриваются наиболее доступные и дешевые способы управления скоростью вращения.
Содержание
Способы управления скоростью вращения вентилятора
Первый способ: переключение в BIOS функции, регулирующей работу вентиляторов
Функции Q-Fan control, Smart fan control и т. д. поддерживаемые частью материнских плат, увеличивают частоту вращения вентиляторов при возрастании нагрузки и уменьшают при ее падении. Нужно обратить внимание на способ такого управления скоростью вентилятора на примере Q-Fan control. Необходимо выполнить последовательность действий:
- Войти в BIOS. Чаще всего для этого нужно перед загрузкой компьютера нажать клавишу «Delete». Если перед загрузкой в нижней части экрана вместо надписи «Press Del to enter Setup» появляется предложение нажать другую клавишу, сделайте это.
- Открыть раздел «Power».
- Перейти на строчку «Hardware Monitor».
- Заменить на «Enabled» значение функций CPU Q-Fan control и Chassis Q-Fan Control в правой части экрана.
- В появившихся строках CPU и Chassis Fan Profile выбрать один из трех уровней производительности: усиленный (Perfomans), тихий (Silent) и оптимальный (Optimal).
- Нажав клавишу F10, сохранить выбранную настройку.
Второй способ: управление скоростью вентилятора методом переключения
Рисунок 1. Распределение напряжений на контактах.
Для большинства вентиляторов номинальным является напряжение в 12 В. При уменьшении этого напряжения число оборотов в единицу времени уменьшается — вентилятор вращается медленнее и меньше шумит. Можно воспользоваться этим обстоятельством, переключая вентилятор на несколько номиналов напряжения с помощью обыкновенного Molex-разъема.
Распределение напряжений на контактах этого разъема показано на рис. 1а. Получается, что с него можно снять три различных значения напряжений: 5 В, 7 В и 12 В.
Для обеспечения такого способа изменения скорости вращения вентилятора нужно:
- Открыв корпус обесточенного компьютера, вынуть коннектор вентилятора из своего гнезда. Провода, идущие к вентилятору источника питания, проще выпаять из платы или просто перекусить.
- Используя иголку или шило, освободить соответствующие ножки (чаще всего провод красного цвета — это плюс, а черного — минус) от разъема.
- Подключить провода вентилятора к контактам Molex-разъема на требуемое напряжение (см. рис. 1б).
Двигатель с номинальной скоростью вращения 2000 об/мин при напряжении в 7 В будет давать в минуту 1300, при напряжении в 5 В — 900 оборотов. Двигатель с номиналом 3500 об/мин — 2200 и 1600 оборотов, соответственно.
Рисунок 2. Схема последовательного подключения двух одинаковых вентиляторов.
Частным случаем этого метода является последовательное подключение двух одинаковых вентиляторов с трехконтактными разъемами. На каждый из них приходится половина рабочего напряжения, и оба вращаются медленнее и меньше шумят.
Схема такого подключения показана на рис. 2. Разъем левого вентилятора подключается к материнке, как обычно.
На разъем правого устанавливается перемычка, которая фиксируется изолентой или скотчем.
Третий способ: регулировка скорости вращения вентилятора изменением величины питающего тока
Для ограничения скорости вращения вентилятора можно в цепь его питания последовательно включить постоянные или переменные резисторы. Последние к тому же позволяют плавно менять скорость вращения. Выбирая такую конструкцию, не следует забывать о ее минусах:
- Резисторы греются, бесполезно затрачивая электроэнергию и внося свою лепту в процесс разогрева всей конструкции.
- Характеристики электродвигателя в различных режимах могут очень сильно отличаться, для каждого из них необходимы резисторы с разными параметрами.
- Мощность рассеяния резисторов должна быть достаточно большой.
Рисунок 3. Электронная схема регулировки частоты вращения.
Рациональнее применить электронную схему регулировки частоты вращения. Ее несложный вариант показан на рис. 3. Эта схема представляет собой стабилизатор с возможностью регулировки выходного напряжения. На вход микросхемы DA1 (КР142ЕН5А) подается напряжение в 12 В. На 8-усиленный выход транзистором VT1 подается сигнал с ее же выхода. Уровень этого сигнала можно регулировать переменным резистором R2. В качестве R1 лучше использовать подстроечный резистор.
Если ток нагрузки не более 0,2 А (один вентилятор), микросхема КР142ЕН5А может быть использована без теплоотвода. При его наличии выходной ток может достигать значения 3 А. На входе схемы желательно включить керамический конденсатор небольшой емкости.
Четвертый способ: регулировка скорости вращения вентилятора с помощью реобаса
Реобас — электронное устройство, которое позволяет плавно менять напряжение, подаваемое на вентиляторы.
В результате плавно изменяется скорость их вращения. Проще всего приобрести готовый реобас. Вставляется обычно в отсек 5,25”. Недостаток, пожалуй, лишь один: устройство стоит дорого.
Устройства, описанные в предыдущем разделе, на самом деле являются реобасами, допускающими лишь ручное управление. К тому же, если в качестве регулятора используется резистор, двигатель может и не запуститься, поскольку ограничивается величина тока в момент пуска. В идеале полноценный реобас должен обеспечить:
- Бесперебойный запуск двигателей.
- Управление скоростью вращения ротора не только в ручном, но и в автоматическом режиме. При увеличении температуры охлаждаемого устройства скорость вращения должна возрастать и наоборот.
Сравнительно несложная схема, соответствующая этим условиям, представлена на рис. 4. Имея соответствующие навыки, ее возможно изготовить своими руками.
Изменение напряжения питания вентиляторов осуществляется в импульсном режиме. Коммутация осуществляется с помощью мощных полевых транзисторов, сопротивление каналов которых в открытом состоянии близко к нулю. Поэтому запуск двигателей происходит без затруднений. Наибольшая частота вращения тоже не будет ограничена.
Работает предлагаемая схема так: в начальный момент кулер, осуществляющий охлаждение процессора, работает на минимальной скорости, а при нагреве до некоторой максимально допустимой температуры переключается на предельный режим охлаждения. При снижении температуры процессора реобас снова переводит кулер на минимальную скорость. Остальные вентиляторы поддерживают установленный вручную режим.
Рисунок 4. Схема регулировки с помощью реобаса.
Основа узла, осуществляющего управление работой компьютерных вентиляторов, интегральный таймер DA3 и полевой транзистор VT3. На основе таймера собран импульсный генератор с частотой следования импульсов 10-15 Гц. Скважность этих импульсов можно менять с помощью подстроечного резистора R5, входящего в состав времязадающей RC-цепочки R5-С2. Благодаря этому можно плавно изменять скорость вращения вентиляторов при сохранении необходимой величины тока в момент пуска.
Конденсатор C6 осуществляет сглаживание импульсов, благодаря чему роторы двигателей вращаются мягче, не издавая щелчков. Подключаются эти вентиляторы к выходу XP2.
Основой аналогичного узла управления процессорным кулером являются микросхема DA2 и полевой транзистор VT2. Отличие только в том, что при появлении на выходе операционного усилителя DA1 напряжения оно, благодаря диодам VD5 и VD6, накладывается на выходное напряжение таймера DA2. В результате VT2 полностью открывается и вентилятор кулера начинает вращаться максимально быстро.
Как датчик температуры процессора используется кремниевый транзистор VT1, который приклеивают к радиатору процессора. Операционный усилитель DA1 работает в триггерном режиме. Переключение осуществляется сигналом, снимаемым с коллектора VT1. Точка переключения устанавливается переменным резистором R7.
VT1 может быть заменен маломощными n-p-n транзисторами на основе кремния, имеющими коэффициент усиления более 100. Заменой для VT2 и VT3 могут служить транзисторы IRF640 или IRF644. Конденсатор С3 — пленочный, остальные — электролитические. Диоды — любые маломощные импульсные.
Настройка собранного реобаса осуществляется в последовательности:
- Ползунки резисторов R7, R4 и R5 поворачиваются по часовой стрелке до упора, кулеры подключаются к разъемам XP1 и XP2.
- На разъем ХР1 подается напряжение в 12 В. Если все в порядке, все вентиляторы начинают вращаться с максимальной скоростью.
- Медленным вращением движков резисторов R4 и R5 подбирается такая скорость, когда исчезает гул, а остается лишь звук перемещающегося воздуха.
- Транзистор VT1 нагревается приблизительно до 40-45° С, а движок резистора R7 поворачивается влево до тех пор, пока кулер не переключится на максимальную скорость. Спустя примерно минуту после окончания нагрева значение скорости должно упасть до первоначального.
Собранный и настроенный реобас устанавливается в системный блок, к нему подключаются кулеры и температурный датчик VT1. Хотя бы первое время после его установки желательно осуществлять периодический мониторинг температуры узлов компьютера. Программы для этого (в том числе и бесплатные) не проблема.
Остается надеяться, что среди описанных способов уменьшения шума компьютерной системы охлаждения каждый пользователь сможет найти для себя наиболее подходящий.
Компактные электрические вентиляторы, благодаря невысокой цене, используются для охлаждения оборудования уже больше полувека. Тем не менее только в последние годы технологии управления вентиляторами стали значительно развиваться. В этой статье описано как и почему это развитие имело место быть и предложены некоторые полезные решения для разработчиков.
Один из трендов электроники — это создание компактных устройств, обладающих богатой функциональностью. Поэтому большинство электронных компонентов приобретают все меньшие размеры. Один из очевидных примеров — современные ноутбуки. Толщина и вес ноутбуков значительно уменьшается, но потребляемая мощность остается прежней или увеличивается. Другой пример — проекционные системы и телевизионные ресиверы.
В ноутбуках большая часть тепла выделяется процессором, в проекторе — источником света. Это тепло необходимо бесшумно и эффективно удалять из системы. Самый тихий способ избавления от тепла — это использование пассивных охлаждающих компонентов, таких как радиаторы или тепловые трубки. Однако для многих популярных пользовательских устройств такой способ неэффективен и дорог.
Другой способ удаления тепла — это активное охлаждение с использованием вентиляторов, создающих поток воздуха вокруг нагревающихся компонентов. Однако вентилятор являются источником шума и, кроме того, увеличивает суммарное энергопотребление устройства, что может быть критично при питании от аккумулятора. Также добавление вентилятора увеличивает количество механических компонентов в системе, что отрицательно сказывается на надежности изделия.
Контроль скорости вращения вентилятора позволяет уменьшить описанные недостатки. Поскольку запуск вентилятора на меньших оборотах снижает шум и энергопотребление и увеличивает срок его службы.
Существует несколько типов вентиляторов и способов их контроля. Один из вариантов классификации вентиляторов может быть таким:
1. 2-х проводные вентиляторы
2. 3-х проводные вентиляторы
3. 4-х проводные вентиляторы
Методы управления вентиляторами, обсуждаемые в этой статье, такие:
1. управление отсутствует
2. on/ff управление
3. линейное управление
4. низкочастотная широтно-импульсная модуляция (ШИМ, PWM)
5. высокочастотное управление
2-х проводные вентиляторы имеют только выводы питания — плюс и земля. В 3-х проводных вентиляторах добавляется тахометрический выход. На этом выходе присутствует сигнал, частота которого пропорциональна скорости вращения вентилятора. 4-х проводные вентиляторы, помимо выводов питания и тахометрического выхода, имеют вход управления. На этот вход подается ШИМ сигнал и ширина импульса этого сигнала определяет скорость вращения вентилятора.
2-х проводными вентиляторами можно управлять регулируя напряжение питания или скважность ШИМ сигнала. Однако без тахометрического сигнала невозможно понять на сколько быстро вентилятор вращается. Такая форма управления скоростью вращения вентилятора называется открытым контуром (open-loop).
3-х проводными вентиляторами можно управлять аналогичным образом, но в этом случае у нас есть обратная связь. Можно анализировать тахосигнал и устанавливать требуемую скорость. Такая форма управления называется закрытым контуром (closed-loop).
Если управлять вентилятором регулируя напряжение питания, тахосигнал будет иметь форму меандра. И в этом случае тахосигнал будет всегда валидным, пока на вентиляторе есть напряжение. Такой сигнал показан на рисунке 1 (ideal tach).
При управлении вентилятором с помощью ШИМ — ситуация сложнее. Тахометрический выход вентилятора обычно представляет собой открытый коллектор. Поэтому тахосигнал будет валидным только при наличии напряжения на вентиляторе (on фаза ШИМ сигнала), а при отсутствии (off фаза) он будет подтягиваться к высокому логическому уровню. Таким образом тахосигнал становится "порубленным" управляющим ШИМ сигналом и по нему уже нельзя достоверно определять скорость вращения. Этот сигнал показан на рисунке 1 (tach).
Рисунок 1. Идеальный тахосигнал и тахосигнал при внешнем ШИМ управлении.
Для решения данной проблемы, необходимо периодически включать вентилятор на такой отрезок времени, который позволит получить несколько достоверных циклов тахосигнала. Такой подход реализован в некоторых контроллерах фирмы Analog Device, например в ADM1031 и ADT7460.
4-х проводные вентиляторы имеют ШИМ вход, который управляет коммутацией обмоток вентилятора к плюсовой шине источника питания. Такая схема управления не портит тахосигнал, в отличии от стандартной, где используется внешний ключ и коммутируется отрицательная шина. Переключение обмоток вентилятора создает коммутационный шум. Чтобы "сдвинуть" этот шум за пределы звукового диапазона частоту ШИМ сигнала обычно выбирают больше 20 кГц.
Еще одно преимущество 4-х проводных вентиляторов — это возможность задания низкой скорости вращения — до 10% от максимальной скорости. На рисунке 2 показана разница между 3-х и 4-х проводными вентиляторами.
Рисунок 2. 3-х и 4-х проводные вентиляторы
Простейший метод управления вентилятором — отсутствие какого-либо управления вообще. Вентилятор просто запускается на максимальной скорости и работает все время. Преимущества такого управления — гарантированное стабильное охлаждение и очень простые внешние цепи. Недостатки — уменьшение срока службы вентилятора, максимальное энергопотребление, даже когда охлаждение не требуется, и непрерывный шум.
Следующий простейший метод управления — термостатический или on/off. В этом случае вентилятор включается только тогда, когда требуется охлаждение. Условие включения вентилятора устанавливает пользователь, обычно это какое-то пороговое значение температуры.
Подходящий датчик для on/off управления — это ADM1032. Он имеет выход THERM, который управляется внутренним компаратором. В нормальном состоянии на этом выходе высокий логический уровень, а при превышении порогового температурного значения он переключается на низкий. На рисунке 3 показан пример цепи с использованием ADM1032.
Рисунок 3. Пример on/off управления
Недостаток on/off контроля — это его ограниченность. При включении вентилятора, он запускается на максимальной скорости вращения и создает шум. При выключении он полностью останавливается и шум тоже прекращается. Это очень заметно на слух, поэтому с точки зрения комфорта такой способ управления далеко не оптимальный.
При линейном управлении скорость вращения вентилятора изменяется за счет изменения напряжения питания. Для получения низких оборотов напряжение уменьшается, для получения высоких увеличивается. Конечно, есть определенные границы изменения напряжения питания.
Рассмотрим, например, вентилятор на 12 вольт. Для запуска ему требуется не меньше 7 В и при этом напряжении он, вероятно, будет вращаться с половинной скоростью от своего максимального значения. Когда вентилятор запущен, для поддержания вращения требуется уже меньшее напряжение. Чтобы замедлить вентилятор, мы можем понижать напряжение питание, но до определенного предела, допустим, до 4-х вольт, после чего вентилятор остановится. Эти значения будут отличаться в зависимости от производителя, модели вентилятора и конкретного экземпляра.
5-и вольтовые вентиляторы позволяют регулировать скорость вращения в еще меньшем диапазоне, поскольку их стартовое напряжение близко к 5 В. Это принципиальный недостаток данного метода.
Линейное управление вентилятором можно реализовать на микросхеме ADM1028. Она имеет управляющий аналоговый выход, интерфейс для подключения диодного температурного датчика, который обычно используется в процессорах и ПЛИС, и работает от напряжения 3 — 5.5 В. На рисунке 4 показан пример схемы для реализации линейного управления. Микросхема ADM1028 подключается ко входу DAC.
Рисунок 4. Схема для реализации линейного управления 12-и вольтового вентилятора
Линейный метод управления тише, чем предыдущие. Однако, как вы могли заметить, он обеспечивает маленький диапазон регулировки скорости вращения вентилятора. 12-и вольтовые вентиляторы при напряжении питания от 7 до 12 В, позволяют устанавливать скорость вращения от 1/2 от максимума до максимальной. 5-и вольтовые вентиляторы при запуске от 3,5 — 4 В, вращаются практически с максимальной скоростью и диапазон регулирования у них еще меньше. Кроме того, линейный метод регулирования не оптимален с точки зрения энергопотребления, потому что снижение напряжения питания вентилятора выполняется за счет рассеяния мощности на транзисторе (смотри рисунок 4). И последний недостаток — относительная дороговизна схемы управления.
Наиболее популярный метод управления скоростью вращения вентилятора — это ШИМ управление. При таком методе управления вентилятор подключается к минусой шине питания через ключ, а на управляющий вход ключа подается ШИМ сигнал. В данном случае к вентилятору всегда приложено либо нулевое, либо рабочее напряжение питания и не возникает таких энергопотерь, как при линейном методе управления. На рисунке 5 показана типовая схема реализующая ШИМ управление.
Рисунок 5. ШИМ управление.
Преимущество данного метода управления — простота реализации, дешевизна, эффективность и широкий диапазон регулирования скорости вращения. Однако недостатки у этого метода тоже есть.
Один из недостатков ШИМ управления — это "порча" тахосигнала. Этот недостаток можно устранить, используя так называемую pulse stretching технику, то есть удлиняя импульс ШИМ сигнала на несколько периодов тахосигнала. Конечно, при этом скорость вращения вентилятора может немного увеличится. На рисунке 6 показан пример.
Рисунок 6. Удлинение импульса для получения информации о скорости вращения.
Другой недостаток ШИМ управления — это коммутационный шум. Во-первых коммутация индуктивной нагрузки вызывает появление помех в цепях питания, во-вторых может возникать акустический шум — пищание, жужжание. Электрические шумы подавляют фильтрами, а для борьбы с акустический шумом частоту ШИМ сигнала поднимают до 20 кГц.
Также стоит снова упомянуть о 4-х проводных вентиляторах, в которых схема управления уже встроена. В таких вентиляторах коммутируется плюсовая шина питания, что помогает избежать проблем с тахосигналом. Одна из микросхем, предназначенных для реализации ШИМ управления 4-х проводными вентиляторами, — это ADT7467. Условная схема приведена на рисунке 7.
Рисунок 7. Схема ШИМ управления 4-х проводным вентилятором
Подводя итоги можно сказать, что наиболее предпочтительный метод управления вентилятором — это высокочастотное ШИМ управление, реализованное в 4-х проводных вентиляторах. При таком управлении отсутствует акустический шум, значительные энергопотери и проблемы с тахосигналом. Кроме того, он позволяет менять скорость вращения вентилятора в широком диапазоне. Схема ШИМ управления с коммутацией отрицательной шины обладает практически теми же достоинствами и является более дешевой, но портит тахосигнал.