Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

Управление вентилятором от датчика температуры.- Elektrolife

       
Как же осуществить управление вентилятором от датчика температуры?

Многие электроприборы рассеивают некоторую мощность в виде тепла и никуда от этого не денешься. Если выделяемое тепло плохо выводится из корпуса устройства, это неизбежно приведет к сбоям в работе или даже выходу из строя вашего гаджета. Поэтому, по мере возможности, для более эффективного охлаждения добавляют вентиляторы. 

        Теперь вопрос: зачем крутить вентилятор в те моменты, когда тепло не выделяется, т.е. устройство работает без нагрузки? Лишний шум обычно напрягает. Для контроля температуры в месте нагрева следует установить датчик. И пусть это слово вам не кажется чем-то непостижимым, чем-то сложным. В качестве датчика будем использовать терморезисторы. Что это такое? Это  обычные резисторы, но их сопротивление изменяется под действие температуры. Сопротивление может либо увеличиваться при нагреве, либо уменьшаться.

        Давайте посмотрим как использовать такое свойство терморезисторов. Признаюсь честно, впервые идею я нашел на YouTube канале Виктора Сочи. Идея простая, легко реализуется, не требует больших затрат ни денег, ни времени.

        Чтобы не быть голословным рассмотрим
элементы, которые нам понадобятся.

        Во-первых, сам терморезистор. На алиэкспрессе продают по 10шт. Цена чуть больше доллара. Есть и по 20шт. — тогда меньше доллара. Нас будут интересовать  NTC-термисторы. У таких термисторов падение сопротивления происходит при увеличении температуры. Существуют еще PTC-термисторы или позисторы. У них,  наоборот, растет температура — растет сопротивление.

термисторы

        Следующий элемент, пожалуй, самый важный — модуль понижающий напряжение. Удобнее всего использовать модуль показанный на рисунке. Модуль просто крошечный (2х1см) и имеет высокий КПД. Продают по 5шт. за 3 доллара. Лишние не пропадут, пригодятся для других целей.

        Ну, и сам вентилятор. Размер может быть любой, в зависимости от места установки. Да и напряжение питание любое, обычно 12 или 5 вольт. Правда, следует заметить, если вентилятор на 12 вольт, то на входе понижающего модуля должно быть как минимум 13 вольт, для 5 вольтового соответственно 6 вольт. Недорогие вентиляторы размером 40х40мм можно посмотреть здесь — на 5 В   и   на 12 В.

        Теперь посмотрим как соединить, отдельные компоненты, чтобы они стали одним целым. Посмотрите на рисунок ниже. Вентилятор припаиваем к выходным контактам модуля соблюдая полярность. Земля или GRN у нас общая для входящего и выходного напряжения. Модуль позволяет подавать на вход до 24 вольт максимум, ну, а минимум, как я уже говорил, зависит от напряжения питания вентилятора. И разумеется модуль не работает с переменным напряжением, только с постоянным. Датчик припаиваем как показано на схеме. 

        Начальная скорость вентилятора подбирается с помощью подстроечного резистора, расположенного с обратной стороны модуля. Собственно параллельно ему мы и припаиваем датчик. Для 5 вольтового вентилятора лучше использовать термистор на 50 Ком, для 12 вольтового — 100Ком.

        Небольшое замечание: Если в одном устройстве требуется контролировать температуру нескольких модулей, соедините датчики параллельно и разметите их в нужных местах. Но помните о правиле параллельного соединения резисторов.  И еще одно полезное замечание — ножки датчиков не изолированы (нет лакового покрытия). Для изоляции используйте, например, термоусадку. Если ножки датчиков случайно замкнуть толку от них не будет.

Ножки датчиков в термоусадке

        Стоит также отметить, что если у вас уже есть другой подобный понижающий модуль, его тоже можно использовать. Для этого к  резистору регулирующему напряжение необходимо параллельно подпаять датчик. Использование таких модулей или другими словами ШИМ — контроллеров целесообразно из-за их высоких КПД до 98%. 

        Если нет понижающего модуля можно собрать простейшую схему на одном транзисторе. Транзистор придется взять помощнее, т.к. он будет рассеивать удерживаемую до вентилятора мощность.

        R1 и R2 представляют собой делитель напряжения. Чем меньше сопротивление R1, тем больше напряжение на R2, соответственно больше открывается транзистор и быстрее вращается вентилятор. Недостаток низкий КПД. Транзистор нужно устанавливать напротив вентилятора для стабильной работы. 

улучшенный вариант, стоит остановить свой выбор

Гораздо более интересный способ регулировки скорости вращения вентилятора в зависимости от температуры представлен на рисунке ниже.

При этом нужно не допаивать датчик к схеме, а выпаять smd-резистор (зачеркнут на рисунке) и поменять его на датчик того же номинала. За основу взят DC-DC преобразователь на микросхеме МР2307. Схема его компонентов приведена ниже:

Как видно из схемы резистор R3 на 10кОм находится в нижнем плече делителя напряжения. Если мы будем уменьшать его значения, напряжение на выходе будет подыматься.
Причем рост напряжения может быть в довольно большом диапазоне. Настроить диапазон просто.

Меняем smd-резистор R3 на терморезистор номиналом 10кОм. При комнатной температуре сопротивление такого датчика может быть около 8кОм. На вход преобразователя подаем максимальное значение напряжения, на которое рассчитан вентилятора. В основном это 12 вольт. Подстроечным резистором R4 устанавливаем минимальное напряжение на выходе преобразователя. Минимальное напряжение устанавливается индивидуально и зависит от требуемого температурного порога срабатывания. Установите порог на 40 градусов и при 100 градусах будете иметь максимальную скорость.

На smd-резистор не обязательно дуть феном, он легко выпаивается паяльником с тонким жалом. Для впайки проводников тоже места достаточно. 
Для регулировки подстроечного резистора R4 понадобится тонкая отвертка. Сильно лучше не нажимать. Иначе дорожки разойдутся и регулировка прекратится. В таком случае его лучше выпаять и заменить на требуемый по номиналу обычный резистор.

Кстати, преобразователь, описанный выше тоже можно использовать. Заменить резистор нужно следующим образом:

Заранее спасибо за 5 *   🙂 
 ↓ 

Ссылки на основные компоненты:

NTC Термисторы 100 Ком
NTC Термисторы разных номиналов
Вентилятор 40х40 мм 12В
Вентилятор 40х40 мм 5В
Преобразователь DC-DC «mini360»
Модуль — понижающий преобразователь dc-dc (вх. напряжение: DC 4,5-24 В, регулируемый диапазон (1,8-17 в))

Способы управления вентиляторами охлаждения | 2 Схемы

Оглавление:

Вентилятор (кулер, англ. cooler) – основа системы охлаждения многих устройств, особенно с высокой мощностью. Это дешевое и эффективное решение, которое используется в электронике уже несколько десятилетий. За прошедшие годы технология производства вентиляторов претерпела значительное развитие, предоставив новые возможности управления его работой. Так давайте вместе с редакцией сайта 2Схемы рассмотрим наиболее важные аспекты этого вопроса.

Основные тенденции развития современной электроники, такие как миниатюризация или увеличение вычислительной мощности, представляют серьезную проблему для разработчиков систем охлаждения. Постоянное увеличение удельной мощности современных микросхем вызывает необходимость обеспечения достаточно эффективных способов управления рабочей температурой устройства, в первую очередь за счет отвода избыточного количества тепловой энергии, образующейся в схеме.

Конструкторы обычно стараются решить проблему охлаждения устройства за счет пассивных элементов, таких как радиаторы и тепловые трубки. Такие системы не требуют дополнительного питания, поэтому не увеличивают мощность потребляемую устройством. Кроме того, они бесшумны и безотказны. Но предлагаемая ими способность рассеивать и отводить тепло может во многих случаях оказаться недостаточной. Альтернативой пассивным системам является активное охлаждение, в котором используются различные типы вентиляторов для принудительной циркуляции воздуха вокруг охлаждаемого элемента. Конечно вентилятор является источником неприятных шумов, а также потребляет электричество, что может быть особенно важно в случае батарейного питания.

Управление скоростью вращения

Одним из способов устранения или уменьшения значимости данных неудобств, связанных с использованием вентилятора, является точное регулирование скорости его работы. Снижение этого параметра до минимально необходимого значения позволяет снизить уровень шума, потребление электроэнергии, увеличить надежность и срок службы элемента.

На рынке представлено множество различных типов вентиляторов. Подавляющее большинство из них можно отнести к одной из трех групп в зависимости от количества проводов, необходимых для соединения элемента. Имеются вентиляторы с двумя, тремя или четырьмя проводами.

К основным методам работы вентилятора относятся следующие способы управления скоростью вентилятора:

  1. нет контроля скорости;
  2. способ включения/выключения;
  3. линейный метод регулирования напряжения;
  4. модуляция ШИМ с или без растяжения импульса.

Типы вентиляторов DC

Итак, имеющиеся кулеры можно разделить на группы в зависимости от количества соединительных проводов, необходимых для его работы.

С двумя выводами. Самым простым и дешевым типом является вентилятор с двумя соединительными проводами, представляющими два полюса источника питания. Скорость его работы можно регулировать величиной напряжения (в случае питания постоянным током) или скважностью ШИМ-сигнала. Этот тип не предоставляет возможности считывания обратной связи о фактической скорости вращения или даже проверки того, работает ли он (вращается) вообще. Такой вид управления относят в автоматике к разомкнутой системе (или без обратной связи) – обратная связь отсутствует, поэтому нет возможности корректировать входной сигнал, чтобы реагировать на влияние разного рода изменений.

С тремя выводами. Трехпроводной вентилятор, помимо двух вводов питания, имеет еще и выход на тахометрический сигнал, который предоставляет информацию о скорости вращения. Этот сигнал обычно поступает от датчика Холла, установленного внутри вентиляторной схемы, и имеет форму импульсного сигнала с частотой, пропорциональной скорости вращения вентилятора.

Управление этим типом кулера может осуществляться теми же методами, что и в случае двухпроводного вентилятора, с тем отличием что можно получить сигнал обратной связи, информирующий о фактической скорости работы вентилятора. Это позволяет построить схему управления на основе обратной связи.

Проблемы с этим решением возникают в случае управления вентилятором с помощью ШИМ-сигнала. В такой ситуации питание вентилятора подается не постоянно, а только в периоды высоких импульсов, поэтому датчик Холла работает в ритме с этими изменениями питающего напряжения. В результате выходной сигнал датчика дополнительно нежелательно модулируется ШИМ-сигналом, управляющим питанием, как показано на рисунке. Большинство вентиляторов имеют тахометрический выход с открытым стоком, поэтому в случае отключения питания он отключается.

В случае вентилятора, подающего сигнал ШИМ, тахометрический сигнал модулируется переключением напряжения питания

С четырьмя выводами. Четырехпроводной вентилятор имеет отдельный вход для ШИМ-сигнала в дополнение к специальному входу для положительного полюса источника питания. Решения этого типа оснащены встроенным транзистором MOSFET, который переключает подачу питания на электродвигатель. В результате датчик Холла питается непрерывно, независимо от фазы и хода манипуляционного сигнала, генерируя при этом сигнал с частотой, пропорциональной мгновенной частоте вращения схемы, без каких-либо дополнительных помех. На рисунке далее показаны отличия построения трех- и четырехпроводной схемы вентилятора.

Внутренняя схема трех- и четырехпроводного вентилятора

Способы управления вентилятором

Нет контроля – открытая схема. Самый простой способ использовать вентилятор в системе охлаждения — просто включить его и заставить работать непрерывно с определенной постоянной скоростью, зависящей от поданного напряжения. Основным преимуществом этого решения является простота, отсутствие необходимости использования дополнительных компонентов или реализации какой-либо схемы управления. Но такой способ значительно сокращает срок службы вентилятора (постоянная работа на максимальных оборотах ускоряет износ), а также совершенно неэффективен с точки зрения экономии энергии – система охлаждения потребляет электроэнергию даже при низкой температуре охлаждаемого объекта. Непрерывная работа также создает постоянный и продолжительный шум, который может раздражать пользователя.

Примерная схема управления работой вентилятора методом включения/выключения. Выход схемы термостата напрямую управляет подачей питания на вентилятор.

Включение и выключение. Одним из наименее сложных способов регулирования работы вентилятора является использование термостата или датчика температуры. Вентилятор включается только в случае обнаружения превышения предельного значения температуры, в остальное время он остается выключенным. Это решение можно реализовать используя датчик температуры любого типа и контроллер. Также доступны схемы, оснащенные термостатом и выходом для прямого управления питанием вентилятора, обычно основанного на петле гистерезиса. Это означает что после превышения определенной температуры T max включается вентилятор, работающий до остывания устройства до температуры T min, где T max > T min. По сравнению с решением, использующим одно пороговое значение температуры, это позволяет избежать многократного переключения в случае, если температура окружающей среды колеблется вокруг порогового значения.

Основным недостатком этого метода является невозможность регулирования скорости вращения вентилятора. Либо он вообще не работает, либо крутится на полной скорости. Это создает неприятные звуковые эффекты потенциально раздражающие пользователей, особенно в моменты включения (резкое повышение уровня шума). Работа на максимальных оборотах также не способствует долговечности вентилятора, а отсутствие какой-либо обратной связи затрудняет обнаружение его повреждения.

Линейное регулирование напряжения. Более полное управление работой вентилятора можно получить при линейном изменении величины питающего напряжения. Более низкое напряжение будет означать более низкую скорость – более слабую охлаждающую способность, но также более тихую и энергоэффективную работу. Правда эта зависимость имеет свои ограничения. Каждый вентилятор характеризуется минимальным значением пускового напряжения U, необходимого для начала работы, то есть пуска. Это значение всегда выше минимального напряжения Umin, необходимого для поддержания движения – при старте электродвигатель должен создавать большее усилие, чтобы преодолеть инерцию. И U старт, и U мининдивидуальны для каждой модели вентилятора, и некоторые несоответствия между этими параметрами могут возникать даже у отдельных экземпляров одной модели.

Примерная схема управления работой вентилятора с линейным регулированием напряжения

Для реализации этого метода можно использовать выход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), которым оснащено большинство современных микроконтроллеров, также на рынке имеются драйверы специально для этой цели. Для усиления выходного напряжения можно использовать простую схему усилителя, как показано на рисунке выше.

Основным преимуществом этого метода является снижение шума создаваемого вентилятором, а также продление срока службы. К недостаткам можно отнести ограниченный диапазон регулирования температуры (во многих решениях ограничен снизу значением U пуск), а также низкий КПД и необходимость использования множества дополнительных элементов в схеме регулирования, что удорожает проект.

Управление сигналом ШИМ. В настоящее время в цифровых схемах наиболее часто используется метод управления путем регулировки коэффициента заполнения ШИМ-сигнала. При таком подходе, как и при решении с включением/выключением, вентилятор работает на максимальной мощности или вообще не работает, что устраняет некоторые проблемы, связанные с линейным регулированием напряжения.

Управление вентилятором по сигналу ШИМ

К основным достоинствам этого метода можно отнести простоту, дешевизну и широкий диапазон регулирования скорости вращения вентилятора – обычно примерно от 10 % от максимального значения, а в случае управления ШИМ-сигналом с частотой выше акустического диапазона еще и малошумность.

Чтение скорости вращения вентилятора методом растяжения импульса

Одним из самых больших недостатков является модуляция выходного сигнала датчика Холла сигналом ШИМ, что мешает правильному считыванию значения скорости вращения. Эта проблема возникает только у 3-х проводных вентиляторов, в случае 4-х проводных решений – не вопрос. Здесь можно использовать технику известную как растяжка импульса. Периодически в течение времени, необходимого для измерения скорости вращения (обычно один период тахометрического сигнала), коэффициент заполнения ШИМ-сигнала изменяется на 100 %, что позволяет получать неискаженный сигнал от датчика Холла. Правда это временно увеличивает громкость работы.

Пример четырехпроводной системы управления вентилятором

При использовании низкочастотного ШИМ-сигнала в слышимом диапазоне, дополнительной проблемой может стать шум, связанный с периодическим включением цепи электродвигателя.

Подведём итоги

Итак, наиболее эффективным способом управления работой кулера видится использование ШИМ-сигнала с частотой выше 20 кГц, то есть за пределами звукового диапазона. Такое решение обеспечивает достойный акустический комфорт, высокую энергоэффективность и широкий диапазон регулирования скорости вращения. Его также относительно легко реализовать в плане конструкции схемы управления вентилятора.

Имеющиеся на рынке вентиляторы имеют различные возможности управления и регулирования их работы в зависимости от количества контактов. Наиболее простые и дешевые двухпроводные кулеры позволяют создавать только схемы управления в разомкнутом контуре, без возможности прямого считывания обратной связи о фактических параметрах работы устройства и, таким образом, без возможности проектирования управления на основе ОС. Для этого необходимо использовать трех- или четырехпроводную схему. Четырехпроводные лучше подходят для управления на основе ШИМ-сигнала, так как в отличие от трехпроводных не подвержены помехам и модуляции тахометрического сигнала. Более подробно о распиновке и подключении различных кулеров читайте здесь.

Руководство по цепям управления вентиляторами и регулировке скорости